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UMTS无线接口系统的规划和优化
 
慧聪网   2005年12月14日14时39分   信息来源:数字通信世界    

  【摘要】本文针对无线接口主要讨论了通用移动电信系统UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)规划和优化所面临的问题以及相应的解决方案。 介绍了WCDMA的空中接口,提出了系统规划的方案,包括覆盖、容量、频率和码子的规划。同时讨论了WCDMA网络性能中关键的优化和监测指标。

  一、引言

  UMTS的目的就是在移动范围内向用户提供多媒体业务。UMTS和多媒体业务不仅对RF网络有重要的影响,它们对核心网的结构也会产生重要的影响。所以当日前的GSM运营商将他们的网络升级以支持UMTS时,为了保护他们的基础投资,就必须采取谨慎的步骤。

  UMTS网络的结构如图1所示。核心网CN(Core Network)负责呼叫控制和移动性管理,而UMTS陆上无线接入网UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)则负责管理无线分组的传输和资源的管理。

  在核心网内分组的路由和传输由新网络逻辑节点SGSN(Serving GPRS Support Node, GPRS服务支持节点)和GGSN(Gateway GPRS Support Node,GPRS网关支持节点)支持。GGSN是具有移动性管理的分组路由器,它通过标准接口Gi与其他数据网络(比如因特网)相连接。SGSN在它的服务范围内负责移动终端数据分组的传递。GGSN和SGSN支持的终端数据速率可高达2Mb/s。

  

图1  UMTS网络结构

图1  UMTS网络结构

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  一个UTRAN可以包括一个或者多个RNS(Radio Network Subsystem,无线网络子系统),而一个RNS又包括基站NodeB和RNC(Radio Network Controller,无线网络控制器)。RNS负责无线资源和空中接口的管理。UMTS在UTRAN中的大部分网络结构都继承了GSM的网络结构。

  本文主要探讨UMTS无线系统规划和GSM无线系统规划的差别。UMTS使用WCDMA作为它的无线传输技术。由于干扰的影响,通常TDMA系统的RF规划要比CDMA系统的RF规划复杂。但是,由于UMTS服务的用户有着各种不同的需求,因UMTS的规划在某些方面要远比GSM规划复杂。

  UMTS无线系统规划过程的主要不同点在于它的容量规划和覆盖规划。在GSM中,覆盖规划是在网络的规模大小(基于市场的调研)确定后单独进行的,确定后才进行容量和频率的规划。然而在UMTS中,覆盖规划和容量规划是同时进行的。这是因为容量的需求和业务的分布会影响覆盖。频率和码子的规划可以单独的进行。另一方面,由WCDMA的宽带特性(5MHz),因此它的传播环境也异于GSM系统(带宽200kHz),这也是规划时必须考虑的问题。

  二、UMTS空中接口

  世界上多数UMTS网络都选择WCDMA作为其空中接口技术。该技术与TDMA中GSM中使用的技术有着很大的不同。其基本的无线系统规划思想跟GSM和TDMA系统没有根本的变化,但是对于多方面的细节规划(比如链路预算)则必须进行修改,以满足WCDMA技术的要求。另外,由于UMTS的业务可以是从8kb/s的电路交换的语音业务到2Mb/s的分组交换的数据业务,因此,无线系统的规划过程与传统的模型相比较,也必须时行稍微的修改。

  1.WCDMA空中接口规范

  理解UMTS的空中接口特性对于网络无线接口的规划是非常重要的。WCDMA空中接口的主要特征为:采用QPSK直扩调制;码片速率为3.84Mchip/s;扩频因子为4到512,在下行链路中,一个码信道可以支持1~936kb/s的净用户数据速率,如果单用户可以支持3个并行码信道,则其数据速率可以高达2.3Mb/s,在上行方向由于调制方式不同,速率减半,双工方式可以采用FDD或TDD;信道带宽5MHz;可以提供多速率的业务;帧长10ms包括15个时隙,每个时隙中都有导频比特、传输功率控制TPC(Transmission Power Control)比特和传输格式组合指示TFCI(Transport Format Combination Indication)比特。在上/下行链路中信号的格式和复用方式都各不相同。

  2.UMTS传播环境

  无线信道传播环境分为室内环境和室外环境。室外环境进一步可分为宏蜂窝传播环境和微蜂窝传播环境。每一种传播环境都具有特定的信道传播特征。当考虑GSM与UMTS无线接口性能的区别时,最主要的信道特性就是多径传播。通过计算可以得到多径传播的时延扩展。

  无线信道的多径特性也可以通过其频域特性来描述。在频域上,多径时延会产生频率选择性衰落,也就是说信号在不同的频率上有不同的衰落。该信道的一个频域行征就是相干带宽,它近似等于时延扩展的的倒数。相干带宽是保证两个信号具有不相关衰落的最小频率间隔。当信号的带宽远小于相干带宽时,称该信号为窄带信号,相反为宽带信号。因此,系统特性依赖于系统所处的传播环境,不同的传播环境会有不同的特性。

  相干带宽与传输带宽上的相关衰落有关,当系统是窄带时,衰落便是非频率选择性的,或称为平坦的,当系统为宽带时,衰落便是频率选择性的。在WCDMA系统中利RAKE接收机可以通过组合接收各个多径分量来得到最优的性能。

  三、UMTS无线系统规划

  由于UMTS是一个全新的系统,因此它的实现是要非常仔细的。UMTS工作频带为2100MHz,该频率远高于GSM和TDMA系统的900MHz和1900MHz。而且,由于UMTS要提供非常高的数据速率,这就需要它要有更高信号能量Eb/No。工作频率的不同加上要提供高速的数据速率,这意味着UMTS的传播环境与GSM系统是不相同的。这使原始的GSM基站覆盖区域对于UMTS来说不再有效了,旧基站的位置就不一定是最优的了。判定原始基站的可重用性主要取决于实现策略和业务和预测。

  1.UMTS无线系统的规划过程

  UMTS无线系统的规划过程类似于GSM的规划过程。其规划阶段可以为分为以下步骤:

  度量(Dimensioning)→配置规划→覆盖和容量规划→码子和频率规划→参数规划→优化并监视。

  任何无线网络的规划目的都是在满足关键性能指标KPI(Key Performance Indicator)和业务质量QoS(Quality of Service)的前提下使覆盖和容量最大。

  在每个基站的覆盖区域,语音和不同数据呼叫的业务水平的分布必须尽量准确地确定下来。虽然无法确切知道移动用户的位置,但是应该尽量准确地预测出不同移动用户的位置,预测的愈准确,那么规划出来的网络的性能就愈好。

  WCDMA无线覆盖规划和容量规划的另一个关键问题就是区域性的业务分布,也就是说在无线网络覆盖区域存在业务热点。此时基站的位置应该选择在热点业务地区的中央,这样才能为该基站服务的用户提供最优的链路预算。当这些用户离开该基站时,WCDMA的吞吐量将减少。如图2所示,将基站位置定在业务热点的中央,可以明显减小发射功率的水平,从而减少对其他用户的的干扰,最终增加系统的容量。

  

图2  业务热点地区的规划

图2  业务热点地区的规划

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  在最初的度量阶段,对于目标区域内的所有基站都假设其具有相同负荷。该负荷的值可以是小区最大可接受的负荷或者是忙时预测的负荷,如果使用最大的可接受负荷,那么该度量是针对最恶劣的情况下进行的。此时将导致设置过多数量的基站而造成浪费。较好的方式是利用预测负荷,因为它是一个比较实际的结果。

  在详细的规划阶段,利用业务分布可以将预测业务分配到规划的小区中。但是这样会使不同小区负荷的差别非常大,也就是说,一些小区的负荷可能接近最大可接受负荷,而另一些小区的负荷却很低。在这个规划阶段,覆盖目标同样也要进行检查。在度量阶段,在特定的区域内都假设业务是均匀分布的,然而在实际中,不同区域的业务密度是不同的。而在详细的规划阶段时,由于传播环境和业务分布的不同,那么其覆盖预测也将是完全不同的。通常,在规划区域中用移动基站的Monte-Carlo分布来预测瞬时的业务需求。

  2.WCDMA覆盖和容量规划

  在WCDMA中容量规划和覆盖规划是相关的。在低业务量区域时,WCDMA规划跟GSM规划非常类似,这是因为负荷不会严重的影响覆盖,尽管在一些细节上两系统的规划不尽相同,但是大的规划原理是相同的。在高业务量区域时,它的规划就跟GSM大相径庭了,WCDMA的容量规划与覆盖,干扰规划是密不可分的。

  (1)覆盖规划

  在WCDMA中传播预测过程与GSM是类似的。首先,必须定义基站配置和链路预算。另外还必须定义好覆盖门限,该门限既要超过需要的质量标准,同时又要避免不必要的附加投资。在这个阶段也必须清楚的知道容量目标和预测,因为它们对基站的覆盖区域有很大的影响。当基站天线的高度、覆盖门限、容量需求和基站配置已经定义后,此时实际的传播预测过程就可以开始了。我们可以使用传播测量来校准传播预测模型。当预测模型校准后,最终的基站参数便可以用于传播预测。

  当规划标准确定后,便可以对优化的基站参数进行评估。规划门限意味着在不同的传播环境中必须能够达到需求的QoS水平。

  (2)容量规划

  WCDMA的容量规划直接与链路预算相关,进而与基站覆盖区域相关。对于一种特定的业务基站的覆盖区域是固定的。实际中WCDMA的业务可以从低速的语音业务到高速的数据业务,这就意味着对于不同的用户来说,基站的覆盖区域是不同的。

  在上行方向,容量规划的主要目标是在可接受的水平内尽量的减少来自其他小区的干扰,从而增加上行方向的容量。规划时可以利用建筑物、小山和其他障碍物来阻挡其他小区的干扰。适当的增加天线的下倾角度也可以有效地减少干扰。在下行方向,主要考虑两个方面的情况;来自其他小区的干扰和基站的发射功率。下行链路的负荷等式跟上行链路的负荷等式是类似的。但是,在下行链路中有一个叫做正交性的新参数。正交性用于衡量在一个小区中有多少个用户不会相互干扰。与上行链路相比,下行链路的用户多数是正交的,这是因为基站可以按照非常精确的定时向用户发送扩频码。

  3.WCDMA码子和频率规划

  从网络规划的角度来看,在WCDMA中码子和频率的规划是比较简单的,系统会仔细的对大部分码子进行分配。网络规划的主要任务是为下行链路分配扰码。总共有512组有效的扰码码组,所以下行链路的码子重用系数为512。这就表明码子的分配是比较简单的任务。只有当用户需要更高的带宽时,此时才可能需求更多的码资源。

  此处我们建议码子的分配通过规划系统来实现,这样可以避免人工分配可能出现的错误。早期对码子的分配要进进行适当的限制,这样有助于后来的网络扩容。

  与GSM相比较,UMTS的频率规划不是很重要,因为对UMTS运营商而言,它们至多有两个或者三个载频,因此不需要太多的规划。但是运营商必须决定下面的问题:
  ◎哪一个载频用于实现宏小区?
  ◎哪一个载频用于实现微小区?
  ◎是否为室内环境预留载频?

  当对上面的问题进行决定时,须考虑到干扰问题。载频的选择会影响运营商之间或者运营商内部各个系统之间的干扰。例如,微小区会对宏小区或者其他运营商的宏小区、微小区产生较高的本地干扰。许多潜在的问题可通过网络规划得到解决,其中一个方法就是合理的选择载频。

  四、WCDMA的优化和监测

  与GSM系统一样,由于移动用户的位置和业务都会实时的变化,因此WCDMA系统也需要连续的优化和监测。尤其要强调监测,因为业务需求的变化是非常大的,变化的方向将直接影响无线网络的质量。业务量和位置预测越准确,网络规划和实现的效率就会提高。

  通常需要优化和监测的指标有:业务、业务的变化、混合业务、软切换率、平均发射功率、平均接收功率、掉话率、干扰、每个小区的切换、系统间切换、吞吐量、比特差错率和帧差错率。

  上面所列的指标需要按照小区和业务为单位来汇集,通过这些参数可以获知应如何进行优化,从而改善系统的性能。对于WCDMA的小区位置存在三个非常重要的优化问题:业务负荷均衡、切换开销管理、干扰控制。

  业务负荷的基本问题是在网络的不同地理区域业务分布的不均匀性。甚至一个小区的不同扇区内业务也是不均匀的。这种不平衡状态将使未充分使用的扇区的容量受锁,而造成繁忙小区发生阻塞。平衡小区中各扇区的负荷,可以阻塞并为业务的增长创造适当余量。实现负荷平衡的一种方法就是修改每个扇区内天线的方向和波束的角度,这可以通过智能天线来实现。

  影响小区容量的另一个WCDMA优化问题是切换开销的管理。CDMA空中接口的软切换可以有效改善CDMA呼叫的质量和可靠性,但是对于一个移动用户在某一时刻可能同时与两个或者多个扇区建立联系;这样会占用很多的系统容量。在该小区内测量完导频后,应当将切换的区域缩小。区域应当从高业务区域转移到低业务区域。

  干扰将直接影响CDMA小区的容量,在WCDMA网络中最大的干扰问题就是导频污染问题。导频污染通常是由高度较高的基站因其覆盖范围过大所引起的。其解决方法就是适当的减少其覆盖范围,可以通过降低它的天线高度、增加下倾角度或者减小发射功率来实现。

  五、结束语

  UMTS无线接口的规划在基本的思想上同GSM的规划是相同的,但是在细节上又有着明显的区别,这主要有以下两个方面的原因:无线传播信道的变化属于宽带类型,调制和传输机制的变化属于直扩CDMA类型。正是由于这些差别,所以要更加关注UMTS无线接口系统的优化,只有这样才能提高系统容量,改善服务质量,尽量节省运营成本。

 
作者:赵绍刚 
 
 
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