WCDMA中的关键技术在网络规划中的应用

摘要　全面论述了进行WCDMA无线网络规划的关键技术。首先详细介绍了前向功率规划技术及其主要考虑的几个方面；接着介绍了功控规划及进行功控规划要注意的问题，容量规划技术及提高基站站点下行链路容量的5种方法；最后介绍了软切换技术。

　　对于无线网络规划而言，WCDMA规划的关键技术主要有前向功率规划、功控规划、容量规划和切换规划等。以下从工程的角度对WCDMA系统中的关键技术进行阐述和分析，以便进行同类规划设计工作时参考。

1、前向功率规划

　　WCDMA系统基站的功率一般是由业务信道（如专用信道DCH）和公共信道（如公共导频信道CPICH）共享的，它们之间的功率分配是动态的，这就使得在进行网络规划时，最优地配置基站功率对于达到最大网络容量和所需覆盖是非常重要的。另外，网络中的无线环境和移动用户位置的不确定性，使得为满足用户的服务达到一定的QoS，基站的一部分功率必须作为储备预留出来，这包括软切换余量、快衰落余量和干扰储备等。表1给出了下行链路公共信道功率占基站功率的最大比例。值得注意的是，同步信道（SCH）和公共控制物理信道（CCPCH）是彼此时分复用的。

表1　下行链路公共信道典型功率值

 

　　为了使整个网络的容量达到最优，基站的导频信道功率和业务信道功率在进行网络规划时应取最优值。除了以上关于功率的分配外，在进行网络规划时，小区下行链路功率的分配中还要考虑一些储备，这主要基于正交函数余量、功控余量、阴影和软切换余量及功率阻塞等考虑。

　　1.1　正交系数余量

　　WCDMA下行链路为区分用户采用正交码字，这种正交码在多径无线传播环境下将损失部分正交性，这种影响主要取决于多径环境和基站与移动台之间的路径损耗。在进行网络规划时，通常把正交系数取为一个常数，实际上它是一个随环境变化的变量，所以在进行网络规划时要给出一个功率余量，以补偿这种变化对接收信号的影响。

　　1.2　功控余量

　　WCDMA系统功控的特点是上下行链路采用快速功控。在下行链路基站发给移动台的功率需要满足移动台接收机在达到服务质量的条件下能解调出有用信号的最小发射功率，使网络的干扰达到最小、网络容量最大化。但由于功控的误差或移动台的移动性，快速功控不可能使移动台在小区的任何位置都收到相同的最小功率，这样接收功率总是在最佳值附近偏移；另外，功控环路中的时延和功控信令错误等因素都会影响功控的精确度，所以在进行网络规划时要考虑一个功控余量。功控余量一般根据无线传播环境从仿真中得到。

　　1.3　阴影和软切换余量

　　在网络规划的链路预算中一般要考虑由于阻挡引起的衰落余量，具体取多少与规划中区域覆盖率有关。由于软切换可以带来软切换增益，用于对抗慢衰落和快衰落的影响，因此阴影引起的衰落余量和软切换结合起来会对移动台和基站间允许的路径损耗产生影响，从而也就会影响基站的发射功率。在网络规划中，对基站的功率进行分配时可以考虑一个余量。

　　1.4　功率阻塞

　　在规划网络基站的功率时，要考虑基站允许发射的最大功率，如果小区移动台所需的功率超出基站允许的发射功率时，移动台可能就会产生中断、服务质量下降或者拒绝一些移动台接入网络等问题。

　　基站总功率一般都是确定的，而前向各个信道的功率配比决定了前向的覆盖范围，这里的前向覆盖是指导频信道、同步信道、寻呼信道和业务信道达到一致的覆盖半径，这也是前向功率配比规划的基本原则。由于CDMA具有自干扰性，因此随着小区用户的增加，导频、同步、寻呼和业务所需的功率也需要同步增加，直到基站允许发射的最大功率。需要注意的是，进行全网规划时，还要考虑小区间的平衡和协调。

　　在实际设计和工程运用中，对于前向功率配比，一般建议采用以下数据规划：

　　●导频信道功率：10%～20%总功率；

　　●同步信道功率：1%～3%总功率；

　　●寻呼信道功率：3.5%～8%总功率；

　　●业务信道功率：69%～85%总功率。

　　在规划基站的发射功率时，应考虑公共信道、业务信道所需功率和各种余量，具体比例如图1所示。

 

图1　WCDMA系统基站功率分配

　　如果个别地区的室内穿透损耗过大，则需要考虑加大前向的导频功率比例。

　　另外需要注意的是：对于一些非常特殊的地形（如隧道、海平面等），前向功率的配比也可以灵活考虑，不必拘泥于上述的建议。

2、功控规划

　　WCDMA功控的目的是：既维持高质量的通信，又不对占用同一信道的其他用户产生不应有的干扰，使每个移动台到达基站时都达到最小所需的信噪比。在WCDMA中，功控的好处是降低平均发射功率。在一般的通信链路情况下，发射功率较低；在无线衰落较大的链路情况下，功控会自动升高功率以抵抗衰落。

　　功控分为前向功控和反向功控，反向功控又分为开环和闭环两部分。在无线网络功控规划中，需要重点、仔细控制的参数有误帧率（FER）、解调门限（Eb/Nt）、功控初始发射功率和功控步长等；另外，规划中还需要注意各参数配合规划的收敛性。

　　功控规划中需注意的问题如下：

　　●在呼叫建立过程中就已经存在开环和闭环功控过程，因此功控参数要很好地与接入过程的参数进行配合；

　　●由于各个信道的解调门限是有区别的，因此针对信道功控参数的规划，还要注意将信道间增益差考虑进来。

　　为了定量考察功控性能的好坏，需要考虑功控误差（PCE）的均方差（STD_PCE）、误块率（BLER）和发射功率三个主要参数指标，其关系如下：

　　PCE=RSIR-TSIR

　　式中，RSIR代表SIR的估计值，TSIR代表外环功控所产生的SIR目标值。

　　PCE反映了实际SIR与目标SIR的一致性。在理想功控情况下，PCE的对数值呈正态分布，其均值为0，而STD_PCE则反映了功控性能的优劣。显然，STD_PCE、BLER和发射功率越低，说明功控性能越好。

3、容量规划

　　对于小区需要信道数的计算，可以通过可用频谱、用户数预测以及话务密度信息来衡量，其计算条件是给定拥塞率。若硬件引起拥塞，则查表可以得出结果；若最大容量是由干扰限制造成的，则其容量定义为软容量。对于软容量受限系统，不能通过爱尔兰表计算，因为总信道容量大于平均每小区信道数。由于相邻小区共享一部分干扰，在相同拥塞率条件下，系统将为更多的话务量提供服务。来自邻区干扰越少，在中间小区内可用信道就越多。

　　当小区具有为数较少的信道、高比特率实时用户出现时，平均负荷必须降低，以保证低拥塞率。由于平均负荷降低，因此有附加的容量提供给邻区利用。这部分容量是从相邻小区借用的，因此干扰的共享提供软容量。对于高比特率的实时数据用户，如图像连接等，给他们提供软容量是十分必要的。

　　如果相邻小区系统用户较少时，在WCDMA系统中被认为是增加了软容量。软容量定义为在软拥塞的条件下爱尔兰容量的增加。当平均每个小区具有相同的最大信道数时，软阻塞与硬阻塞相比的爱尔兰容量增加量为：

　　软容量=爱尔兰容量（软拥塞）/爱尔兰容量（硬拥塞）-1

　　在WCDMA系统中，所有用户共享在空间信道上的干扰源，分析不能分开进行，各用户互相影响而引起发射功率改变，这些改变再引起新的改变，如此往复，相互影响。因此预测处理是一个反复的过程，直到稳定为止。

　　软容量的大小还依赖于传播环境。如果相邻小区负载量较低，那么只有无线资源管理算法在一个小区能实现较高容量时才可获得软容量。如果这种算法是基于宽带干扰而不是吞吐量或连接数，系统就可以实现软容量。

　　在WCDMA系统中，所有小区可共用相同频谱，这一点对提高WCDMA系统容量非常有利。但也正是同频复用的原因，系统存在多用户间的干扰，这种多址干扰又限制了系统的容量。容量大小随用户分布、用户行为、系统解调门限等改变而变化。WCDMA的前/反向容量也是有差别的，在进行容量规划时，需要从前/反向链路两个方面来考虑。

　　在容量规划中，由于WCDMA系统反向覆盖容量比较易于量化，因此一般可根据反向初步估算整个系统，然后通过仿真最终得到整个系统的前/反向规划设计。反向容量规划可以按照阻塞公式或者极限容量公式来进行。

　　在实际网络规划中，提高WCDMA系统每个基站站点下行链路容量的方法有以下5种：

　　●运营商启用新的频率。即采用新的频点，依靠增加第二三载波来实现下行链路的容量。WCDMA支持有效的频率间切换，并且采用多个载波实现负载的平衡，可以增大每个站点的容量。

　　●采用功分器。即一个扇区的功率可分配到更多的扇区中使用，通过减少每个用户的发射功率来实现站点容量的提高。在最初网络规划阶段，为增加站点容量需要对上行链路扇区化，但扇区化的结果可能带来大于最初业务密度所要求的容量。因此，采用功分器是一个有效减少移动台发射干扰实现容量提高的可行方法，同时也是解决特定地形覆盖的有效方法。

　　●天馈部分采用发分集。所谓发分集，就是在下行链路中，信号可以通过两个基站天线分支发送。对移动台而言，体积小且便宜无疑是大众追求的方向，而采用两个天线和接收机威廉希尔官方网站 并不可行。如果系统根据来自移动台的反馈指令调整来自两个发送天线的相位，在移动台接收中利用下行链路发分集就可能获得相干增益。下行链路分集将下行链路容量提高到一定程度依赖于该环境多径分集的程度。可以利用的多径分集越少，采用发分集获得的下行链路容量增益越大。下行链路分集无须额外的天线来实现。

　　●扇区化。这种方法可以有效提高基站站点的容量。将一个全向站升级为3扇区定向基站，容量可以提高到原来的2.7倍；升级为6扇区，大约可以提高5.4倍的容量。通过增加扇区来增加容量，必须更换全向天线为定向天线，同时需重新进行网络的规划和优化。

　　●采用低比特率编码模式。这种方法也可提高WCDMA系统的语音容量。

4、软切换

　　目前商用的CDMA系统支持多种类型的切换，主要类型有硬切换、软切换和更软切换。WCDMA系统中沿用了大部分原IS-95和cdma2000中的软切换技术。

　　软切换是一种常态，WCDMA系统中UE几乎一直处在软切换状态下，这样可以保证用户通话的连续性和稳定性，而硬切换过程则不会经常发生，硬切换将影响用户通话的主观感受并容易造成掉话，在进行网络设计时应尽量避免硬切换的发生。

　　WCDMA系统对软切换状态下的事件进行了定义。

　　事件（Event）la：l个P-CPICH进入了测量范围（Reporting Range），切入新的测量小区。

　　事件lb：l个P-CPICH离开了测量范围，原测量小区切出。

　　事件lc：l个非激活集的P-CPICH好于激活集中的某个P-CPICH，原小区被新加入小区替换。

　　软切换是CDMA系统中有特色的、广泛的切换类型。与GSM系统的硬切换不同的是，软切换是一种状态，由多个基站同时支持一个呼叫，CDMA的移动台经常在相当长的呼叫时间里处于软切换状态。而GSM中的硬切换是时间离散的短暂事件，它在呼叫从一个小区交换到另外一个小区或者从一个载频交换到另一个载频时发生。WCDMA中的软切换机制更能够保证呼叫的完整性，降低同频干扰和掉话，均衡话务负荷。

　　在WCDMA的无线网络规划中，切换规划的关键点是：选取合理的切换带位置，尽量避免切换带在密集话务区；规划合理的切换带宽度，保证合理的软切换比例，一般软切换（不含更软切换）比例要控制在40%以内；确定合理的切换参数（T-ADD、T-DROP、TT-DROP等）；制定有效、合理的邻区关系和邻区优先级。

　　总体上说，WCDMA的无线网络和GSM无线网络的规划和优化都是构建在蜂窝移动通信网络的基础上的，在技术方法上具有一定的共通性和可比拟性，但是由于通信体制上有本质的区别，从而体现出WCDMA需要更多的信息论、通信原理和数理基础，与GSM系统相比，WCDMA系统稍复杂一些。对于网络规划和优化而言，它们都需要具有有效分析问题的思路和解决问题的策略方法，在合适的场景下采用适合的解决方案。