窄带CDMA系统无线规划的分析

恋々风

摘　要　本文对窄带CDMA系统无线规划的一些关键问题如：系统容量、链路预算、PN偏置、干扰隔离等做了比较详细的讨论。

    关键词　IS－95   CDMA   网络规划

1．引言
    众所周知，频谱是无线系统中最为宝贵的资源，如何尽量提高频谱效率，充分利用无线网络设施，向尽量多的用户提供高性能的接入服务，是运营商最为关心的一个问题。无线网络规划是网络建设中非常重要的一环，它将直接影响到网络性能和建设成本。
    由于其独特的多址方式，与其他无线系统相比较，CDMA网络的质量、覆盖及容量之间有非常复杂的动态关系，要精确模拟网络表现，优良的规划及优化工具非常必要。由于CDMA系统无线规划的复杂性，可以说是一项复杂的系统工程，在此不可能对所有问题作出详细的论述，只能对其中几个关键的问题作一些讨论。

2．CDMA无线网络规划
   移动通信网的工程建设大致可分为6个步骤：拟定网络需达到的覆盖指标和话务要求；初步网络规划；基站站址现场勘察；修正网络规划，完成工程设计；系统调测和网络优化；根据优化结果或网络扩容要求，返回第一步。CDMA网络的设计同样遵循着这些步骤，但在很多方面又区别于GSM和TACS网。
    2.1 窄带CDMA频率分配
    中国联通IS－95 CDMA网的工作频段为835MHz～839 MHz (上行)、880 MHz～884 MHz (下行)，即4 MHz可用频率，上、下行频率间隔为45 MHz。CDMA基本频道为AMPS的384号频道(836.52 MHz)，第二CDMA频道为425号(837.75 MHz)。
    长城网的工作频段为825 MHz～835 MHz (上行)、870 MHz～880 MHz (下行)，即10 MHz可用频率，上、下行频率间隔为45 MHz。CDMA基本频道为AMPS的283号频道(833.49 MHz),第二CDMA频道为242号(832.26 MHz)。扩展CDMA频道依次为201号(831.03 MHz)、160号(829.80 MHz)、119号(828.57 MHz)、78号(827.34 MHz)和37号(826.11 MHz)。长城网共有7个可用CDMA频道。
    2.2基站容量的确定
    2.2.1 系统容量
    由于CDMA系统本身是干扰受限系统，在前向链路上当总功率中没有多余部分可以分配给新增加的用户时，空中接口就达到了容量；在反向链路上当一个移动台的功率不足以克服来自其他移动台的干扰时，系统达到容量极限。考虑到CDMA系统反向和前向链路容量的不同限制因素，反向和前向链路容量是不一样的。一般来说，CDMA系统的容量取决于反向链路的容量。尽管软切换可以提高反向链路的容量，但前向链路的容量也会因为软切换的类型和数量而降低。以下分别对反向和正向链路进行讨论。
    1) 对于反向链路要接入一个呼叫，移动台的功率必须大到足以克服带宽内其他移动台产生的干扰，即是说接受信号必须达到要求的SIR。下式表达了移动台的最大呼叫数：
     式中： 是信号比特能量； 是总干扰； 是处理增益； 是功控精度系数； 是话音激活因子； 是相临小区的干扰因子；
    例如：IS－95 CDMA系统要求的 是7.0dB， ＝0.55， ＝0.5， ＝0.8，求系统极限容量和三扇区小区制中每扇区能支持多少移动台（扇区化增益是2.55）？
    对于IS－95 CDMA系统来说，1.2288Mcps的码片速率用于传输9.6kbps数据速率，那么 ； ＝7dB＝5.0；
    平均用户/扇区= ；
    因为容量极限与 要求成反比，所以CDMA中反向链路的容量极限是软的而不是硬的降低 则系统可以增加容量，只是略为降低通话质量，这个特性可以临时处理一些不常发生的重话务量或避免掉话。
    2）前向链路容量的上限基本是由扇区辐射功率的限制和移动台接受机的 要求决定的。前向链路信号包括移动台的业务，一个扇区导频用于扇区识别和跟踪，以及其他信号（如同步、寻呼），基站总功率分配给这几项功能，当所需的各项功率的和达到系统所能发射的最大功率时，容量达到极限值。与反向链路不同的是前项链路所要满足的 的取值范围是随移动速度和多径变化很强的函数，而且移动台没有分集天线，这意味着除非确知移动台正处在软切换或更软切换的状态下，否则不能保证最少有两条路径，因此，所需的 值随移动台的不同而不同。此外加上移动台固有的位置随机性及周围小区的干扰，这些都增加了前向链路容量分析的复杂性。
    前向链路的性能依赖于许多基本因素，这使前向链路的性能分析难以像反向链路的分析那样简化。通常前向链路的分析需通过软件仿真，小区基站的位置、衰落、移动台速度、话音激活、移动台的多径状态是随机的，对于某些情况下，选择过程由系统性能约束，如软切换状态下的移动台要有两径。在这些计算中，每个扇区中设置的移动台数目是可变的，由扇区的话务量负载产生的爱尔兰B模型决定。只要移动台接收机的 要求被限制在一个合适的取值集合内，前向链路在分析链路的覆盖区内一般是可用的。
    2.2.2 链路预算
    简单地讲，链路预算就是对一条通信链路中的各种损耗和增益的核算。链路预算分析通过说明通信链路路径上的不同增益和损耗，而表明了一个通信系统所容许的最大空中路径损耗。
    对于反向链路，一个典型的模型是：链路所能容许的最大空中损耗 （dB）为：
    式中：  为移动台发射的有效全向辐射功率； 为基站接收机输入端的功率电平； 为基站天线增益； 为基站到天线的传输损耗； 为阴影衰落余量； 为软切换增益。
    对于前向链路的干扰情况比反向链路复杂，难以简单分析，原因是前向链路所需的 值变化范围很大，主要与移动台的速度及Rake接收机的接收径数有关，另外在前向链路情况下，为每个业务信道分配的特定功率就无效了，此时所有的用户共享全部有效业务信道功率。
    2.3 PN Offset的规划
    IS-95 CDMA系统中，各个蜂窝都工作在同一频带，理论上的频率复用系数是1。但在实际情况中则是：尽管所有的基站都使用不同的PN Offset，然而由于传播时延(邻PN Phase干扰)和PN Offset复用距离不够(同PN Phase干扰)，就会使一些非相关的导频信号看起来一样。邻PN Phase干扰是影响大区基站的主要因素，同PN Phase干扰是影响小区基站的主要因素。因此PN Offset的规划是CDMA系统的重要问题。
    在基站中，用不同的码形成64个逻辑子信道（包括导频信道、寻呼信道、同步信道及业务信道）。导频信道用于移动台跟踪基站，并起同步作用。导频信号在空间的传输延时正比于传输距离，如果两个基站导频信号之间的传输延时刚好补偿其PN码时间偏置，那么在跟踪导频信号时就会产生错误。如果错误发生在移动台识别系统的呼叫过程中，就会导致切换到错误的小区，严重时甚至会掉话。因此，在基站设计中，应保证PN序列有一定的相位间隔，又不能使PN序列复用距离过大。在IS-95 CDMA系统中，15bit的导频PN序列周期是32768chip，跟据IS-95标准，任何两个导频偏置间至少要有64chip的延时，因此只有512个（0～511）偏置可用。对于给定的基站而言，各前向信道均采用与导频信道一致的时间偏置。
    在实际的CDMA系统中，可用的导频PN偏置受系统参数PILOT_INC的限制，可表示为：可用的偏置数＝ ；假设给定时间t内的零偏置导频序列是 ，那么导频偏置序号为PILOT_PN的导频序列是 。
    导频信号传输一段距离 后，有一个相位延时。对于此延时可以用以下的公式，将其表达为相应的chip数目：  ；因此，一个PN码的偏置序号相当于空间距离15.6km。如果移动台和两个基站的传输时延刚好抵消了导频信号的PN码偏置，就会产生检测错误。
    在PN码偏置规划中，应主要考虑两个方面的问题：（l）使用同样PN偏置的基站间的再用距离；（2）相邻基站PN偏置的最小距离。相同导频PN偏置的最小再用距离由 （ 为码片能量）决定，关系为： ； 指期望的 值。在初始化阶段， 相当于接收灵敏度（最小的可用 值）；通话期间， 等于切换集的检测门限。
    PN偏置规划的步骤简要叙述为：根据系统参数的搜索窗口参数（见表1），由式：
    （式中： 、 小区半径； 为无线电波在空间传播的衰耗斜率，对于城市密集区可取 =4.3，郊区取 =3.84； 为SRCH_WIN_A对应的搜索窗的PN码片数； 为基站发射功率中导频信道所占的比，一般 ＝27dB）
    可得出PILOT_INC，可用的偏置数目为512／PILOT_INC，即相邻偏置之间的最小距离应保证大于参数PILOT_INC。

         

    再根据最小再用距离计算出最小的相同PN偏置再用距离。最小再用距离公式：
   （式中：R为蜂窝半径（chip）；S为激活搜索窗口的1/2（chip）；m为再用距离因子 ； 是路径损耗的环境因子； ， , 为移动台到基站I和J的距离， 为一个chip相当的距离244m）
    利用计算出的可用偏置数目和最小再用距离，给基站分配PN偏置号。
在确定系统参数PILOT_INC时，应综合考虑系统建设的规模、每个基站所要求覆盖的范围以及有效导频集搜索窗口的大小等因素。如果PILOT_INC值取得较大，使剩余导频集中的导频数目减少，有利于缩短导频搜索时间，但同时也使可利用的导频数减少，以致不能满足复用要求。一般SRCH_WIN_A取5、6、7（对应的PN码片数为20、28、40）较合适。例如，按照SRCH_WIN_A=9（对应 ＝80）， =10km，则PILOT_INC 7.65。确定PILOT_INC之后，能分配给各个扇区使用的PN偏置总数为512/PILOT_INC的最大取整值，然后采用等距配置法，把给定的可用偏置序号分配给各个扇区。如果扇区数大于(512/PILOT_INC)/m的最大取整值，则其余小区的PN偏置数必须满足复用距离后使用。
    2.4 天线系统与覆盖
    2.4.1天线高度、增益
    考虑一个简单的电波传播环境，一个直射径、一个地面反射径和一个衍射径，如图1所示。从基站到移动台的覆盖距离由下式表示：
    （式中： ， 分别为发射和接收功率；  ， 分别为基站和移动台天线高度； ， 分别为发射和接收天线增益； 为路径损失等的矫正因子）
      
                               图1.

    由上式可知，覆盖区大小与天线的高度和增益成比例。在蜂窝系统中，基站天线高度从20m～100m不等，其具体取值由环境确定，例如城市中天线高度约为30m，郊区高度取50m，乡村取80m。天线增益的取值同样依赖于环境，如在乡村高速公路的站点可能取高增益（如19dBi）以能沿着公路覆盖，而在市内应使用较低的增益（如15dBi）以减少干扰。
    2.4.2天线下倾
    天线下倾是将天线辐射主瓣倾斜一定的角度以减少同道干扰，可以通过电子或机械的方式实现。天线的下倾角与天线高度、服务半径、天线垂直波束宽度等因素有关。
    为使对临近小区基站（D=2R）的干扰减少3dB所需的天线下倾角由下式给出：   
    为确保小区边缘的覆盖所需的天线下倾角由下式给出：
   （式中：h为天线高度；R为小区半径； 为天线在垂直面的半功率波宽）
    当R/h值较小时第二个公式确定的下倾角较大，当R/h值较大时它确定的下倾角又较小。

3. 结束语
    窄带CDMA技术在我国的大规模商用，还处于初级阶段，同时3G技术的研究方兴未艾，许多问题的研究与解决，还需要我们在工程实践中不断地学习和检验。对于工程技术人员而言，深入了解和掌握其理论基础和工程特点，对CDMA技术的应用推广将产生积极影响。