ＩＳ－９５ ＣＤＭＡ无线网规划方法[转帖]

猪蹄

IS-95 CDMA（以下简称CDMA）具有系统容量大、频率利用率高、话音质量好等一系列优点，自95年以来，在世界上许多国家进行了商用，同时，以IS95 CDMA为基础的一系列增强技术也相继出台，使得其应用前景被广泛看好。由于各种客观原因，目前我国尚未大力建设CDMA网，只是在北京、上海、西安等城市建设了商用试验网，用户规模较小。从当前的形势来看，国内唯一的CDMA运营商联通公司很有可能在明年大规模启动CDMA商用网的建设。
    与传统的时分和频分系统相比，CDMA系统的无线网规划具有显著的不同，例如CDMA系统不存在频率规划，但存在更为复杂的功率配置等问题。本文从CDMA无线网的特点入手，分析了其无线网规划的重要性、复杂性，并论述了无线网规划的流程及主要技术，最后简单介绍我院编制的CDMA无线网规划软件的主要功能。

一、ＣＤＭＡ系统无线网规划特点
    合理高效地配置无线网络的信道资源，同时保证网络的运行质量是无线网规划的根本目标，但实际的无线网规划中这两个指标又是相互矛盾的。CDMA系统中，由于其技术的特殊性，使得容量和质量的联系更为紧密，因此CDMA系统无线网规划的原理及方法较为复杂，较为特殊。
    １．复杂性
    CDMA系统的覆盖、容量、质量不是孤立的，而是彼此关联的，从而导致了规划方法及过程的复杂性。与传统的移动通信系统不同，CDMA无线网覆盖不是简单取决于发射功率、天线高度、天线增益等参数，而是与网上实际的话务分布等因素相关，这也就导致了所谓的CDMA软覆盖特性，具体表现为在话务密度较高的地区，基站覆盖范围较小；话务密度较低的地区，基站覆盖范围较大。除此之外，CDMA系统还具有软容量、软切换等特征，这些特征都增加了无线网规划方法的复杂性。在规划方法的研究中，我们必须把握住这些特点，充分理解这种复杂性。
    ２．重要性
    由于CDMA系统采用了码分多址技术，全网可以采用同样的频点进行组网，正是由于这一点，CDMA无线网规划中不存在极为繁琐的频率分配问题，同时也地提高了CDMA系统的容量；但也正是因为这一特点，往往给人造成一种错觉，CDMA系统无需规划或规划技术简单。从实际情况分析，CDMA系统在避免了频率规划的时候，带来了更为复杂的功率分配，同时也使得CDMA系统成为一个牵一发而动全身的系统。正因为此，CDMA无线网规划的重要性远远超过时分系统，没有良好的规划，CDMA不仅无法获得预期的容量增益，而且可能降低系统性能，甚至导致系统瘫痪。因此，为了更好发挥CDMA系统的技术优势，我们必须从一开始就十分重视CDMA无线网规划技术的研究、网络规划工具的开发/应用等工作。

二、ＣＤＭＡ无线网规划步骤及相关技术
    无线网规划中需要逐个逐点计算规划区域内各基站在其周围产生的信号强度及干扰情况，计算量非常庞大，单纯通过手工计算是不可能的；另外由于无线信号在空中的传播与地形高度、地表覆盖等多种因素相关，路径损耗的计算需要数字地图的支持，因此我们必须在数字地图的基础上，开发相应的计算机模拟分析软件，采用计算机辅助与人工干预相结合的方法进行CDMA无线网的规划。本文从软件设计的流程出发，论述了CDMA无线网规划中的主要步骤及相关技术。
    １．规划步骤
    计算机辅助CDMA无线网的规划步骤如图1：
    规划所需的基础数据
    规划的总思路是采用计算机辅助结合人工干预的形式完成CDMA无线网规划，其所需的基础数据主要包括数字地图、话务密度图及基站初始布局，这些数据必须通过人工或者其它的相关技术、软件来获得，这里对其进行简要介绍。
    数字地图就是以数字信息表示的地图，无线网规划软件中使用的数字地图应包括高度、地表覆盖、地面矢量等数据，对于复杂的大城市最好还包括房屋建筑的信息。数字地图主要用来计算无线电波的路径损耗，具体而言，我们可采用奥村、Lee等经验模型，利用数字地图提供的地理信息测算点与点之间的无线路径损耗。数字地图的制作比较复杂，成本较高，可通过扫描、卫星、航拍或直接购买等多种方式获得，这里不再赘述。
    移动用户的话务密度图体现了移动用户的分布状况，由于移动用户具有很强的移动性，不论从时间上，还是空间上来看，移动用户的话务密度图都是不断变化的，这使得移动用户话务密度图的计算具有相当的难度。通常，我们可以采用当前无线网上的实际话务统计数据，结合规划区域的用地特性（如商业区、居民区等），采用无线网模拟仿真软件进行测算。由于目前CDMA系统尚未规模建网，我们可采用已建网络（如GSM网）的话务数据进行话务密度分布的测算。
    基站初始布局是规划人员通过初步的计算和规划经验，人工设置的基站布局方案，初始布局主要包括以下内容：基站（小区）的数量、位置及各基站（小区）的发射功率、天线高度、下倾角、天线方向性、主瓣方向等。初始布局的设置是非常关键的，合理的初始布局可以减少调整的次数，从而大幅度提高工作效率。
        
规划软件的基本思路
    CDMA无线网规划的目标是在初始布局的基础上，根据软件仿真计算的结果，采用人机交互的方式不断优化各项无线参数，如发射功率、天线高度、天线下倾角等，从而得到一个既满足话务需求，又具有良好质量的最终基站布局。
    在图1的流程图中我们可以看到，在初始布局的基础上，第一步进行小区功率优化设置，这个模块是CDMA无线网规划中的特征模块，也被人称为功率规划；第二步是依据优化的功率进行导频信号强度的预测，并在每个预测点记录最强的3～6个导频信号；第三步是在导频信号强度计算的基础上，可进行Ec/I0的预测；第四步是进行软切换区域的预测；第五步是容量核实及前反向平衡；在以上各步中，如果出现无法满足预定要求的情况，需人工调整相关参数，改变基站布局，返回第一步重新计算，直至满足各项需求，得到最终的基站布局。
    ２．主要技术及功能模块
    本节分成以下几个部分来讲述CDMA无线网规划的主要技术及功能模块:
    小区功率优化
    小区功率优化的目标是使该小区在前向覆盖范围内产生的话务量与该小区能承载的话务量基本匹配。例如单频点的CDMA系统中，最大可同时承担20个用户的通话，假设呼损为2%，则该小区可承载的话务量为13.2Erl，在小区功率优化中，通过调整各项发射参数（如发射功率、下倾角），使得小区前向覆盖区域内的话务量略低于13.2Erl。
    首先我们假设一个最大的小区发射功率，通过不断调整发射功率和下倾角，使小区覆盖范围区内产生的话务量与小区能承受的话务量基本一致，具体示意图如图2：
    注：合成路损是在基本路径基础上，考虑天线增益、天线下倾的修正。
    在流程图中可以看到，我们将路损分为基本路损和合成路损，基本路损只受天线高度和地理环境的影响，与发射功率、天线方向性、下倾角无关；合成路损在基本路损的基础上进一步考虑了下倾角、天线增益的修正，但与发射功率无关。当前向覆盖区域内的话务量过大时，我们可调整发射功率或下倾角，调整发射功率时，并不影响合成路损，可直接利用合成路损计算前向覆盖；而调整下倾角时，应重新计算合成路损，然后再计算前向覆盖。通过多次重复，最终可以得到合适的小区前向发射参数。
    ＥＣ／Ｉ０的预测
    由于导频信号的特殊地位，其发射功率一般占总功率的20%左右，并且不进行功率控制，因此规划中我们应考虑将导频信号的预测作为规划的切入点。CDMA无线系统中，无线覆盖的质量一方面与导频信号的强度有关，另一方面更直接与Ec/I0关联，Ec/I0即导频信号单位切片的能量与干扰之比，这个参数的作用类同于GSM系统中的载干比C/I 。根据相关的链路层仿真结果以及实际网络运行的经验，Ec/I0大于-14 ～ -15db即可满足话音质量的需求。同时，Ec/I0还是判别软切换的重要参数，因此在小区功率优化后，我们将进行导频信号强度和Ec/I0的预测。
    根据小区优化得到的小区发射参数、导频信号占总功率的比例，我们可以计算出各小区的导频发射功率，考虑到相应的合成路损，就可得到各小区导频信号覆盖状况，我们在每点上都记录最强的3～6个导频信号，利用这些数据就可以计算各点3～6个最强的Ec/I0值。
    通过Ec/I0的预测，我们可以更准确获得每个小区的服务范围，即Best Sever的情况，同时为下一步软切换的计算奠定基础。
    软切换区域计算
    软切换区域的计算，一方面是为了控制软切换比例的大小，另一方面是为更准确地进行小区容量配置。软切换比例是指软切换区域内的话务量占系统总话务量的比例，该比例的大小将会影响网络的效率和质量，比例过小会造成频繁的掉话现象，比例过高会造成信道设备的浪费。软切换的比例应在实践中逐步摸索，一般考虑在30%-40%之间，软切换区域计算将给出软切换区域分布图。软切换区域分布图为容量配置中考虑处于软切换状态用户所需的信道提供了数据基础。
    里我们主要依据Ec/I0的预测结果、各小区的T_ADD值，分析计算得到系统覆盖区内各种软切换区域的分布状况，并由此分析软切换区域内话务量的比例。为控制软切换的比例，我们可以采用步进的方式调整T_ADD等参数。
    容量核实
    在小区功率优化中，我们已大致考虑了容量配置的问题，通过调整发射参数，使每个小区前向覆盖范围内的话务量基本等于该小区可承受的话务量。但是由于实际决定前向覆盖应以Ec/I0为标准，同时容量核实中还应考虑软切换的影响，因此在计算完Ec/I0和软切换区域后，有必要重新进行容量核实，以保证规划区内各小区都能满足话务密度的需求。
    根据Best Sever图、软切换覆盖图，结合移动用户话务密度图可计算各小区实际承载的话务量，软切换区域的话务量由参与软切换的小区分担；然后根据各小区的频点数，利用爱尔兰公式可计算出一定呼损下各小区可承载的话务量；比较两个话务量，便可计算出各小区的负荷状况，对于负荷较大甚至超过1的小区，应调整相关参数，重新计算直至满足。
    前反向平衡
    前面的计算主要依据导频信号的覆盖及干扰情况进行，为保证前反向话务信道的覆盖，最后还应进行前反向话务信道覆盖的计算。
    话务信道的覆盖以Eb/N0为标准，前向Eb/N0一般要求大于5～5.5dB，反向Eb/N0一般要求大于7dB。前向话务信道覆盖的计算比较简单，选择几个最强的干扰源即可；反向话务信道的覆盖与小区的话务负荷密切相关，计算相对复杂，在容量核实模块中，我们已得到各个小区的实际话务负荷状况，以此参数为基础，我们可以计算反向话务信道的覆盖状况。
    如前反向的覆盖不能满足要求和差异太大，应分析原因，并修改初始布局，重新计算。通过前反向话务信道的覆盖计算，保证了规划区的覆盖状况，并且前反向覆盖的范围是基本一致的。
    通过以上几个步骤，我们可以得到一个功率合理、软切换区域合理、容量配置合理、前反向覆盖平衡的CDMA无线网络，对于保证无线网络的运行质量具有非常重要的意义。
    我院在原有GSM网规划软件的基础上，已成功开发了CDMA无线规划软件，该软件可运行在普通的PC机上，运行环境为Win95/98操作系统，软件采用全中文菜单，操作简单快捷，功能强大，可实现小区功率优化、Ec/I0的预测，软切换区域的优化、容量核实、前反向平衡等一系列功能，是一套真正实用的CDMA无线网规划软件。
    CDMA无线网规划软件可以帮助技术人员确定基站位置，优化基站参数，并保证网络的运行质量，是CDMA无线网络规划的得力助手。