要害詞：寬帶碼分多址；網絡規劃；容量；覆蓋

Abstract:Characteristics of the WCDMA system and its radio network planning, and the planning PRocess are introdUCed. Some key problems in WCDMA network planning are analyzed, including traffic analysis, system capacity, load factors, interference margin and cell coverage. Finally, essentiality of research in WCDMA network planning is pointed out.

Key Words:WCDMA; network planning; capacity; coverage

    WCDMA支持FDD和TDD兩種基本的雙工模式，采用直接序列擴頻( DSSS)，基站同步采用異步或同步方式。其中WCDMA-FDD方式的優勢在于碼片速率高，有效地利用了頻率選擇性分集與空間的接收和發射分集，可以解決多徑和衰落問題，同時這種方式采用Turbo信道編碼，可以提供較高的傳輸速率，下行基站區分采用獨有的小區搜索方法，無需基站間嚴格同步，而連續導頻技術能夠支持高速移動終端。WCDMA不僅提供了良好的性能，而且能夠從GSM系統平滑過渡，為3G運營提供了良好的技術基礎[1—3]。

1 WCDMA無線網絡規劃的一般步驟

1.1 WCDMA無線規劃的特點
    第2代移動通信網的規劃策略是基于兩個分離的過程。這兩個過程，一般稱之為覆蓋范圍規劃和頻率規劃，是由不同的方法完成，分別遵循覆蓋范圍準則和容量準則。規劃的策略是從早期移動通信系統所處的典型環境得出的，覆蓋范圍是一個限制因素。然而，向第3代移動通信系統的進化，標準是容量需要和頻譜效率的改善，在后續利用各種可用資源的優化階段仍然要考慮簡單性。因此，WCDMA無線規劃的最初蜂窩設計(包括密度、大小和蜂窩類型)不能用純覆蓋范圍準則。在其初始規劃階段就要考慮容量需求，由是否需要冗余保護蜂窩或使用提高容量技術(如自適應天線)來確定某一區域配置的蜂窩結構類型。

1.2 WCDMA移動通信系統無線網絡規劃的一般步驟
    無線工程設計通常包括確定設計目標及信息收集、初步設計、站址勘察和最終設計等幾個階段。
    在進行網絡規劃前，先要確定設計目標。主要包括所要覆蓋的區域、每個區域所支持的業務類型、每個區域內每種業務所要達到的覆蓋率等。此外，還要收集各種業務量的密度分布圖、地形地貌數據資料、客戶初選的站址信息和網絡增長規劃等信息。設計目標應綜合考慮市場需求和成本因素，例如考慮是否需要在鄉村實現各種高速數據業務的無縫覆蓋，這些因素將極大地影響所需要的基站數目和配置。然后，根據所收集的信息進行初步設計。包括建立傳播模型和制定鏈路預算表，評估客戶站點并建議新站點，以及計算機輔助的網絡覆蓋及干擾分析等(如圖1所示)。初步設計要根據各區域的具體情況制定出相應的業務量規劃和鏈路預算，分別從容量和覆蓋的角度估算基站數量，將兩者平衡，并結合客戶提供的初選站址信息，得出基站的初始布局。

2 業務量
    對于以往提供單一話音業務的移動通信網來說，業務指標包括用戶密度、每用戶愛爾蘭數、阻塞率和通話質量要求(誤碼率和對應的信噪比)，描述及處理這種電路型業務的數學統計模型就是Erlang B模型及其公式。除了話音外，3G提供的業務還包括各種速率的實時和非實時數據業務。如何描述這些新的業務、業務需求量以及在多業務環境下的業務處理模型成為3G的一個難點。
    業務模型是通信系統性能評估的要害所在，假如想要獲得對實際的系統設計有意義的結果，用于仿真的業務源就必須能夠正確反映實際業務的統計特性。業務模型的建立是基于以下幾個要素的折衷：擬合性、描述模型的參數數目、參數估計復雜度以及仿真執行時間。

2.1 語音業務的建模
    移動通信系統中最典型的業務是語音業務，而傳統的分析模型都是采用泊松(Poisson)過程的兩狀態Markov ON/OFF模型。
    在兩種狀態的ON/OFF模型中，當模型處于通話狀態(ON)時，產生話音數據；當處于停頓狀態(OFF)時，不產生數據。兩種狀態的時間均服從指數分布。但實際通話中，既有長時間傾聽對方的停頓，也有說話時字節間的短暫停頓，故停頓狀態并不只是一種，而應根據時間尺度有所不同。另外，WCDMA系統采用AMR聲碼器和話音激活技術，不僅利用了話音活動的不同周期，而且考慮了不同的背景噪聲。顯然，在WCDMA系統中僅使用ON/OFF兩種狀態并不能準確描述話音業務。
    文獻[4]中提出了一個時間離散、基于Markov鏈的隨機過程SBBP(Switched Batch Bernoulli Process)模型，此模型可以采用不同狀態數的SBBP模型模擬可變速率碼激勵線性猜測(VR－CELP)聲碼器。
    SBBP模型的狀態數目越多，與實際的聲碼器輸出越接近，但代價是計算的復雜度越高。

2.2 數據業務的建模
    將來WCDMA最重要的應用是由無線上網帶來的大量的數據業務，但傳統的網絡業務模型假設(如Poisson過程)并不適用于互聯網業務?；ヂ摼W業務表現為極強的突發性，這種統計特性稱為自相似特性。
    WWW業務的到達過程不僅由用戶的行為決定，而且與WWW業務本身的特點有關。根據統計分析，WWW業務到達過程大致可以分為3個狀態：用戶對網頁的點擊(即ON狀態)將自動發出多個請求來下載該網頁鏈接，這些請求以間隔很小的突發(burst)形式到達；用戶進行簡短的網頁瀏覽尋找感愛好的信息，此間隔持續時間較短，可以稱為OFF Short狀態；用戶對感愛好的信息進行仔細閱讀，此間隔持續時間較長，可以稱為OFF Long狀態。此外，還需考慮上述過程中每個請求的文件大小分布組成。其中ON、Burst和OFF Short周期概率分布服從Weibull分布，OFF Long周期概率分布服從Pareto分布，文件大小分布近似服從Pareto分布。WWW業務模型的用戶持續時間的概率分布大致服從指數分布，因為WWW業務的持續時間完全由用戶的自然行為決定，與其他因素無關。
    此外，具體的數據業務還包括FTP、WAP、視頻業務等。它們各有各的特點，需要分別建模，又考慮到在前向鏈路和反向鏈路中各種業務的不同特點，要分別建立上下行鏈路模型。因此業務建模是很復雜的，只有在實踐中不斷摸索完善。

2.3 混合業務的建模
    WWW數據業務具有自相似性，進而表現出長期相關性，與傳統可用Poisson模型或其變形模型描述的話音業務所表現出的短期相關性有很大差異，故這兩種業務源相互獨立。而對于基于流的數據業務，其特性與話音業務非常接近。為簡化分析可以假設：系統中典型業務源是話音和WWW數據業務；兩種業務的請求發起彼此相互獨立；一個用戶在一次通話過程中只進行一種業務。那么，混合業務模型就可直接采用前面所述的模型直接疊加后建模。
    預期數據業務的模型將涉及服務內容及不同業務的特點、地區類型、用戶數、用戶增長、忙時每用戶話務量、所在地區最小承載速率、所在地區最大承載速率及運營策略等因素，因此建立能準確猜測不同業務的模型是比較困難的。中國移動GPRS業務在全國的開展，將為今后升級到WCDMA網絡時建立數據業務分析模型打下一定基礎。

3 小區容量與覆蓋半徑

3.1 系統容量
    假設在單一小區、同一載頻上有K個用戶(業務類型相同，信號功率相同)，可得理論用戶數為：

3.2 負載因子
    考慮到其他小區的干擾，上行鏈路總負載因子可以定義為：

    其中：N為本小區用戶數, Vj為第j個用戶話音激活因子, Rj為第j個用戶比特速率, α為其他小區干擾與本小區干擾的比。
下行鏈路負載因子平均值為：

3.3 干擾電平容限
    假設小區有N個用戶，用戶發射功率相同, 則： 
    系統干擾電平容限＝10lg[1/(1-η)]=-10lg(1-η)，
    由上式可見，干擾電平容限與負載因子成正比，干擾電平容限值越高，負載因子越大，實際網絡容量越接近飽和態；干擾電平容限值越低，負載因子越小，實際網絡容量越接近空載狀態，系統容量儲備越足。
    鏈路預算樣本表中干擾電平容限值直接影響整個鏈路的最大路徑衰耗值計算，影響小區覆蓋。干擾電平容限值越高，最大路徑衰耗值越小，小區覆蓋范圍越窄；反之，干擾電平容限值越低，最大路徑衰耗值越大，小區覆蓋范圍越廣；干擾電平容限與覆蓋成反比關系，二者緊密相聯。
    可見干擾電平容限是架起系統容量和覆蓋的橋梁。容量、覆蓋是相互制約的，實際網絡容量越接近飽和態，干擾電平容限值越大，覆蓋范圍越窄；實際網絡容量越接近空載，干擾電平容限值越小，覆蓋范圍越廣。上、下行干擾電平容限值的不同，是決定上、下行覆蓋范圍非平衡性的原因之一。容量的充分利用，覆蓋范圍的最大化，上、下行容量和覆蓋的平衡是網絡設計目的。

3.4 小區覆蓋半徑與鏈路預算
    WCDMA系統的鏈路預算不是一個單純的線性過程，它和小區的負荷估算是結合進行的。首先，必須根據在不同移動臺速度下每種業務的質量要求，獲得相應的上、下行的Eb/N0指標值(一般由設備廠家給出)，由此計算出各種業務的參考接收靈敏度。參考接收靈敏度與系統熱噪聲、業務速率和Eb/N0有關。然后，在設定或者已知小區負荷的情況下，上行最大答應路徑損耗的計算就變成一個簡單的與GSM系統上行鏈路預算相似的計算過程。而下行鏈路的預算問題要復雜些，面對的是如何把有限的總發射功率分配給各個活動終端的問題。鑒于終端位置分布、終端軟切換狀態等不確定性，必須建立一個模型，作一些簡化性的假設，然后才能計算出一個統計性的結果。

    小區最大半徑是針對具體實施情況來計算的，由最大路徑損耗給出。如基站天線高度30 m，移動臺天線高度1.5 m，載波頻率1 950 MHz的大城市宏小區采用Okumura-Hata模型時的小區最大半徑為：
dmax=10(Lmax-137.4)/35.2。
    結合上面提到的業務處理模型、小區容量估算和鏈路預算方法，就可以對無線網絡的載波數、基站數等進行預估。上、下行小區的覆蓋范圍需要通過迭代算法來求得。對于上行鏈路首先要設定上行小區負荷的上限值，然后根據用戶密度求出與之對應的小區覆蓋半徑。對于下行鏈路，可以用下行功率預算法或下行小區負荷門限法求出下行的覆蓋半徑。最后，還要對上、下行鏈路進行平燴，然后根據算出的小區覆蓋半徑，就可以算出需要的基站數。
    舉一個典型的WCDMA業務為例說明鏈路預算的方法。在城市宏小區環境中的144 Kb/s的實時數據業務(室外基站覆蓋室內用戶，可軟切換)的上行鏈路預算如表1所示。

4 結束語
    WCDMA數字蜂窩移動通信網的網絡規劃涉及無線通信、交換、信令、同步、計費、網管等多種通信技術，是一個系統工程。一個好的網絡規劃，可以為運營者的投資建設提供很好的決策依據，為建設優質、高效的移動通信網提供科學的先期指導，從而為經營者在市場竟爭中占領先機提供有力的技術支撐。不論今后移動通信將如何發展，網絡規劃都是一個永恒的研究課題。

5 參考文獻
    [1] 胡捍英，楊峰義. 第三代移動通信系統[M]. 北京：人民郵電出版社，2001.
    [2] Ojanpera T, Prasad R.寬帶CDMA：第三代移動通信系統技術[M]. 朱旭紅,盧學軍 譯. 北京：人民郵電出版社,2000. 
    [3] Harri Holma，Antti Toskala.  WCDMA for UMTS[M].  New York：John Wiley Sons, 2001.
    [4] Zhou Sheng, Wan Peng, Liu Xiao-yu, et al. Traffic Modeling in WCDMA System Level Simulations[J].  CHUPT, 2002, 9 (1).

羅文茂，南京郵電學院通信工程系在讀碩士研究生。主要研究方向為無線通信和微波技術。
梅輝，南京郵電學院通信工程系在讀碩士研究生。主要研究方向為移動通信。