链路预算

ygyugang

链路预算概论摘要：随着移动通信的不断发展，对移动通信的各方面的要求也越来越高尤其是对链路预算的要求更为突出，因此，为了夯实我们移动通信专业的专业基础知识掌握更多的通信技术查找了一些链路预算的概念供我们大家一起学习进步。关键词：连路预算，损耗，增益，衰落 第二代移动通信系统中，链路预算主要用于分析网络的覆盖，并可以通过调整上下 链路预算是移动通信无线网络覆盖分析最重要的手段之一，不仅应用于网络规划设计阶段，也应用于网络的优化和运营维护阶段。在采用FDMA技术的第一代移动通信系统和采用TDMA行链路预算中的各种参数来达到上下行的链路平衡，扩大网络的覆盖范围和提高网络的覆盖质量。在采用CDMA技术的中，由于引入了小区负载、Eb/No、业务速率等参数，链路预算不仅和网络的覆盖相关，而且与网络的容量及质量也息息相关。        链路预算能够指导规划区内小区半径的设置、所需基站的数量和站址的分布。具体而言，链路预算要做的工作就是在保证通话质量的前提下，确定基站和终端之间的无线链路所能允许的最大路径损耗。由于链路距离和最大允许路径损耗直接相关，因此，只要确定传播模型，从最大允许路径损耗就可以计算出小区的有效覆盖半径。许多经典的传播模型描述了传播损耗与距离的关系，如HATA模型、Lee模型、Walfisch-Ikegami（WIM）模型等。上行链路是指终端发、基站收的通信链路。     无线链路模型显示了哪些因素会影响无线链路预算的结果。        （1）发射端有效全向辐射功率（EIRP，Effective Isotropic Radiated Power）：最大发射功率、发射天线增益、馈线损耗。        （2）接收端最小接收电平：热噪声密度、噪声系数、码片速率、Eb/No、接收天线增益。        （3）无线传播环境类型：密集市区、一般市区、郊区或农村，无线环境决定阴影衰落、路径损耗和智能天线赋形增益。        （4）用户行为：用户发起的是话音业务还是数据业务；处在运动还是静止状态；是在室内、车内还是室外，需不需要考虑人体损耗。        由于受到体积、重量和电池容量等的制约，终端的发射功率不可能做得很大，通常基站覆盖半径是由上行链路决定的。下行链路是指基站发、终端收方向的通信链路。下行链路预算不同于上行链路预算，小区内所有的用户同时分享基站功率，基站的功率分配是让小区内所有在线用户服务都能满足相关业务的QoS指标。在CDMA系统中，一般覆盖受限于上行，容量受限于下行，但当小区负荷加大时，也有可能出现下行链路受限的情况。对于TD-SCDMA来说，智能天线的使用会减少下行的干扰，因此下行链路容量受限的机会比WCDMA少很多。  1 上行链路预算        上行链路预算是指在满足业务质量需求的前提下所计算出的最大允许路径损耗，其计算方法如下：        终端发射机EIRP = 终端最大发射功率 + 终端天线增益 终端馈缆损耗        接收机灵敏度 = 接收机背景噪声+基站接收所需的Eb/No + 接收机噪声系数 处理增益        最大路径损耗(上行) = 终端发射机EIRP 接收机灵敏度 + 各种增益 各种损耗 余量        其中：各种增益 = 基站天线增益 + 赋形增益 + 切换增益        各种损耗 = 人体损耗 + 基站馈缆损耗 + 穿透损耗        余量 = 干扰余量 + 功控余量 + 阴影衰落余量        接收机背景噪声 = KTB        根据以上参数，计算上行链路的最大允许损耗，由最大允许损耗和传播模型推导出单基站覆盖范围，表3-26是密集市区不同业务上行链路的预算表。      在不同的无线环境下，链路预算的方法是完全一致的，只是部分链路预算参数会有一定的差异。不同环境下链路预算参数差异项参见表3-27。2 下行链路预算        下行最大允许路径损耗计算方法如下：        基站发射机EIRP = 基站单码道发射功率 基站馈缆损耗 + 基站发射天线增益 + 阵列增益 + 赋形增益        接收机灵敏度 = 接收机背景噪声 + 终端接收所需的Eb/No 处理增益 + 接收机噪声系数        最大路径损耗(下行) = 基站发射机EIRP 接收机灵敏度 + 各种增益 各种损耗 余量        其中：各种增益 = 终端天线增益 + 切换增益        各种损耗 = 人体损耗 + 终端馈缆损耗 + 穿透损耗        余量 = 干扰余量 + 功控余量 + 阴影衰落余量        接收机背景噪声 = KTB        根据以上参数，计算下行链路的最大允许损耗，由最大允许损耗和传播模型推导出单基站覆盖范围，表3-28是密集市区不同业务下行链路的预算表。        点击此处，下载全图 3 链路平衡        在CDMA系统中，覆盖分析需要考虑多方面的因素，包括业务间覆盖是否平衡、上下行覆盖是否平衡、公共信道与业务信道的覆盖是否平衡、链路预算参数的组合优化等。在做覆盖分析的时候，必须注意到这些因素在不同环境中的影响程度。此外，链路预算还与厂家设备有关，需要结合设备提供商的具体产品来确定主要参数，从而提高链路估算的精确程度。上行与下行        对于任何一种无线移动通信系统来说，覆盖平衡都是一个非常重要的问题，任何一种覆盖失衡现象都会给系统的覆盖性能带来一定的负面影响。当下行链路太强而上行链路太弱时，对于处于切换状态的终端而言，导频信道的强度指示终端进行越区切换，但是终端的上行发射功率不足以维持上行链路的功率要求，很容易导致掉话。另一方面，若下行链路太弱而上行链路太强，在小区交界处，虽然终端有足够的发射功率与两个基站同时通信，但是下行链路的信号太弱，终端很容易失去与任一基站的联系，因此要求上下行链路达到均衡。均衡的系统可以使切换平滑并且降低干扰。4．链路预算参数的组合优化        在链路预算表中，各项参数看起来是等价、线性、可以相互替换的。其实不然，链路预算没有精确反映各项参数对网络覆盖的影响，弱化了每个参数的个性，强调了每个参数的共性，从而可以进行数学运算，完成链路损耗估计。因此在总体链路预算的基础上，要认真分析链路预算中每个参数的性质和作用，对各项参数进行优化组合。首先，各项参数所发挥作用的对象是不同的，例如快衰落余量主要针对静止或慢速移动的终端，对快速移动的终端不起作用，因此在高速公路覆盖中，可以不考虑此项参数；其次，各项参数所发挥作用的性质是不同的，一些参数是对抗慢衰落的，另一些参数是对抗快衰落的。例如通过增加发射功率来对抗快衰落是无效的，只能通过分集手段来对抗快衰落；再次，调整各项参数的实施成本是不同的。例如，同样的3dB上行增益，即可以通过增加发射功率来获取，也可以通过减小馈线损耗来获取，但其付出的成本是不一样的。最后，各项参数调整所获得的收益也是不同的，例如在一些场合下发射机增加3dB的效果远好于天线增益增加3dB。        链路预算中的各项参数的应用场景、作用性质、实施成本和获得收益是不同的。链路预算参数组合优化是选择合适的技术手段组合来调整链路预算参数，在满足覆盖要求的同时降低网络建设成本。链路预算参数组合优化是一种有创造性的活动，要求规划人员在工作中勇于打破旧框框，站在新的高度上进行分析和创新，从而不断地提高网络的质量，降低网络的投资。 .4 基站覆盖能力分析        链路预算可以获得基站最大允许路径损耗。基站覆盖能力除了与设备相关（最大允许路径损耗）之外，还跟基站工程参数、无线传播环境等相关。电波在传播过程中的衰减是根据电波传播模型计算得到的。传播模型有很多种，并且不同的传播模型适用于不同的传播环境。在实际工程中，还需要根据不同地区的电测结果对传播模型进行修正。        针对不同的无线传播模型，根据不同的基站高度和周围具体的建筑物情况，得       对系统容量的评估需要针对具体的网络应用业务进行，因为不同业务各自具有的特性会给系统带来不同的业务负荷，从而影响整个系统性能的评估。因此，有必要对第三代移动通信中可能提供的数据业务建立相应的模型，以满足系统评估和规划的需要。          容量估算应考虑非理想功率控制、话音激活、其他小区对本小区的干扰等因素，计算出上行或下行每小区、每载频业务的理论容量上限，根据此值估计出小区可以支持的用户数。 3.9.1 业务模型分析          业务模型是对用 户使用业务行为的统计性表征，所表征的是用户使用业务的强度的统计量，是宏观特性的体现。业务模型分析目的是为了进行网络容量的规划，了解用户的业务行为 对系统资源占用的需求。业务模型的变化日新月异，而业务模型的准确性将直接影响到网络规模和设备需求的估算，因此需要对业务模型进行专门的研究和分析。          业务模型主要包括：业务类型、业务特性参数、业务承载和业务质量目标四个方面。业务模型分析方法有等效爱尔兰法（Equivalent Erlang）、后爱尔兰法（Post Erlang-B）、坎贝尔（Campbell）法和随机背包（Stochastic Knapsack）算法等四种。（1）．等效爱尔兰法          等效爱尔兰法将一种业务等效成另一种业务，从而计算总的业务量（Erl）。其计算原理示意图如图3-17和图3-18所示。          这两种等效爱尔兰法的计算方法是一样的，前者以话音为中间计算量，后者以某种数据业务为中间计算量。          其中：BHCAd = BHSAd × Npc；          BHCAd表示平均每个会话包含的分组呼叫个数；         BHSAd表示数据业务忙时会话次数；          CHTd表示持续时间；          Npc表示每用户平均忙时分组试呼次数。          等效爱尔兰法用一个统一的业务信道表示对网络资源的需求，简化了多种业务情况下的业务模型。等效爱尔兰法存在的主要缺陷是，用不同的业务作为标准，得到的资源需求会不一致，满足同样QoS条件下的网络容量需求也不一致。QoS需求不一致的业务，没有办法用等效爱尔兰法进行折算。                                                                                     等效爱尔兰法的举例如下: 业务A：1个信道资源/每个连接，共12Erl。 业务B：3个信道资源/每个连接，共6Erl。若1Erl业务B = 3Erl业务A，则等效共有12 + 6 × 3 = 30Erl业务A，按照2%的阻塞率，共需要39个业务A信道.若3Erl业务A = 1Erl业务B，则等效共有10Erl业务B，按照2%的阻塞率，共需要17个业务B信道（相当于17 × 3 = 51个业务A信道）（2）．后爱尔兰法（Post Erlang-B）          后爱尔兰法分别计算每种业务所需的容量，再进行相加。其计算原理示意图如图3-20所示。          后爱尔兰法不用统一的信道来表示多种业务信道需求，而是分别计算满足各种业务QoS的 信道需求，再对其进行简单的累加。后爱尔兰法把各个业务信道需求人为地割裂开来，忽略了各种业务信道之间的相关性。在现有的网络设备中，所有的信道资源被 各种业务所共享，后爱尔兰法经过多次爱尔兰信道转换，过高地估计了业务需要的信道数。业务类型越多，用后爱尔兰法估算的信道冗余也会越多。                后爱尔兰法的举例如下。          业务A：1个信道资源/每个连接，共12Erl。          业务B：3个信道资源/每个连接，共6Erl。          按照2%的阻塞率，业务A需要19个业务A信道。          按照2%的阻塞率，业务B需要12个业务B信道（相当于12 × 3 = 36个业务A信道）。两种业务共需要19 + 36 = 55个信道。 （3）．坎贝尔（Campbell）方法       通信网络多业务并存，不同业务的承载速率和所需Eb/No不同，对系统负荷产生的影响也不同。坎贝尔方法在综合考虑所有的业务基础上，构造了一个等效的业务（也被称作“中间业务”或“虚拟业务”），计算系统提供该业务的信道数和总的等效业务话务量，然后得到混合业务的容量估算。其计算原理示意图如图3-22所示。          计算容量的步骤：          （1）考虑所有的业务，构造一个虚拟业务；          （2）计算系统提供该虚拟业务的信道数和总的等效业务话务；          （3）计算得到混合业务的容量。          坎贝尔方法计算公式如下：          混合业务系统中，容量估算较为困难，坎贝尔公式给出了一种思路。坎贝尔方法综合考虑了各种业务量的大小以及该业务占用信道资源的大小，计算精确程度比较高。但当PS业务占优时，该方法估算的结果会有一定的不确定性。          坎贝尔方法的举例如下。          业务A：1个信道资源/每个连接，共12Erl；          业务B：3个信道资源/每个连接，共6Erl。          （1）考虑所有的业务，构造一个虚拟业务。  （2）计算系统提供该虚拟业务的信道数和总的等效业务话务。 （3）计算得到混合业务的容量。          照2%的阻塞率，13.64Erl需要21个中间业务信道。          按照1个中间业务需要信道数为2.2，两种业务共需要21 × 2.2 = 46个信道。 （4）．随机背包（SK，Stochastic Knapsack）算法          随机背包算法源于ATM算法，更能从原理上体现业务统计复用的排队原理，目前有很多运营商和设备商都在使用该方法。          （1）随机背包算法假设          网络中共有k种不同大小的包，SK的容量为C，即为系统支持的最大信道数。对于第k类的包，它的大小为bk（单业务占用信道数量），话务量为λk/μk = ρk。在占用时间结束后，容量为bk的空间就会被释放。占用持续时间是互相独立的，与到达过程无关。          （2）随机背包算法原理          如果用nk表示背包（knapsack）中第k类包的个数，那么背包中被占用的空间为bn，这里b = (b1, b2, b3, …, bk），n = (n1, n2, n3, …, nk）。当有足够的空间时，背包总是允许新到达的包进入。更具体地讲，对于第k类包，只要满足下列条件，就会允许其进入，否则就阻塞掉这个包。 （3）SK方程       PB,k是背包阻塞第k类包的概率；          Sk是背包可以容纳下一个新的第k类包的所有状态的集合；          S是背包可能出现的所有不同的状态的集合；          ρj是来自第j类包的网络负载（话务量强度）；          nj是背包中第j类包的数量。          对于第k类包，其阻塞概率等于1减去背包接纳成功率。对于SK性能的关键度量指标是阻塞率。因为大包比小包需要更多的空间，因此它们有更大的阻塞率。   随机背包算法可以分析不同业务的服务等级（GoS，Grade of Service），业务的复用以科学的排队过程为依据，能提高信道效率，可是该算法计算量巨大，对PS业务的非实时性的特点体现不够，主要体现在业务时延和误码率方面。  5容量估算          预测话务量表现为每个区域内的话务需求。话务量通常可以通过运营商的话务量预测模型得到。话务量预测可能是对某省、市业务区内全部话务量的简单估算，也可能是对某个中央商务区、某个市场、某栋大楼等特定区域话务量的精细估算。我国蜂窝移动业务的话务分布特点是话务量主要集中在大中城市，在城市的市中心又形成一个较为集中的话务密集区，在这个区域内，一般还存在局部的更高的话务热点，而乡镇农村的话务量较低。建网时如果不考虑这些因素，均匀分布站点，不仅会造成低话务密度区设备资源的浪费，还会导致高话务密度区容量的不足，影响网络的投资效益和服务质量。各城市在网络规划时应考虑到话务分布的不均匀性，结合预测容量，设置基站密度。容量估算          为了便于容量估算，对容量计算做简化处理。          （1）系统无线资源按理想方式调配，不浪费任何时隙和码道的无线资源。          （2）用坎贝尔方法估算网络容量。          （3）为了确保系统容量和网络安全，网络按一定的数据业务比例为其预留容量，其QoS要求与语音一致。（数据业务分为实时与非实时两种，其中实时业务数据为了确保其数据质量，在容量计算中需要为其预留信道；非实时数据业务是以“尽力而为”的方式完成传送的，在容量计算中可以不为非实时业务预留信道。）          （4）多载波基站中，同一扇区不同载频之间的干扰可以忽略。          （5）网络满码道工作。          （6）上下行时隙分配方式为3:3。          在混合业务模型中，上下行业务是非对称性的，在3:3时隙分配情况下，系统下行资源首先受限，基站容量按照下行码道受限进行计算。