WCDMA无线网络覆盖/容量设计模型

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摘要　WCDMA无线网络规划中覆盖和容量设计是一个重要环节，以某市城区密集区域为数据模型，进行WCDMA无线网络覆盖和容量设计。
1、无线网络设计分析
与2G移动通信网相比，3G移动通信网络必须具有提供更完备的网络覆盖的能力、支持更高速率要求的数据服务、以及综合了话音、数据及其他各种实时/非实时的多媒体业务。
无线覆盖规划中，需要基于系统负荷初始规划值Qplan，通过小区覆盖半径的预测来求取小区的覆盖范围，以进一步计算目标区域的基站建设规模。
对于上行无线链路，可通过链路预算分析最大允许路径损耗，以进一步预测小区的覆盖范围。在确定的阻塞概率和覆盖概率需求下，不同业务的最大允许路径损耗取决于用户间的干扰水平、移动台最大发送功率、基站接收机灵敏度，穿透损耗等因素。其中干扰水平随着接入用户数量也就是负载水平的变化而变化，在网络规划时针对不同应用场景和业务类型，需采用不同的干扰余量来调整链路预算；其他因素相对稳定，链路预算中的取值可依据各种业务最苛刻的要求来决定。
对于下行无线链路，小区内所有用户共享同一Node B的功率资源，Node B将依据系统负荷和用户地理位置分布动态地分配发送给每一用户的下行功率；此外，由于多径传播的原因，下行信道不可能通过正交码完全区分，而且，相邻基站的干扰也随机地变化，这就意味着在不同传播环境下，不同部分的信号功率将被处理为干扰，系统的总体干扰水平难以评估。工程建设中，由于基站发送功率和系统的总体干扰随机地变化，很难与上行链路一样分析下行链路不同业务的链路预算，其覆盖范围也无法给出准确的表达式。另一方面，工程测试和系统仿真结果表明无线覆盖主要为上行链路受限。因此，无线规划小区覆盖范围可由上行链路的覆盖半径确定，下行链路的覆盖效果主要通过无线规划软件的仿真来分析。
WCDMA无线网络设计将按以下流程分析不同业务区的小区覆盖半径，规划目标区域基站建设规模。具体流程如下：
第一步：不同目标业务区域无线覆盖需求分析。本文选取某市密集城区。
第二步：确定不同业务链路预算参数，通过链路预算求取最大允许路径损耗。
第三步：通过电磁环境测试结果，获得校正的无线传播模型。
第四步：依据无线传播模型和最大允许路径损耗计算小区覆盖半径和小区覆盖面积。
第五步：计算基站建设规模和载扇数。
2、密集市区WCDMA覆盖实现
2.1　无线链路预算
因为WCDMA系统是上行覆盖受限的系统，通过上行链路预算即可估算出小区的覆盖半径与覆盖面积，满足初步规划的需要。
在上行链路信号传输和处理过程中，信号的损耗包括发送端人体损耗、移动台天线接头损耗和墙体穿透损耗，无线传播环境中的路径损耗以及接收端基站馈线损耗、接头损耗等；信号的处理增益包括移动台天线发射增益、基站天线接收增益、软切换增益和扩频处理增益等。为了在接收端成功解调业务信道的用户信号，链路预算中还需考虑快速功控、信号衰落变化、系统自干扰和接收机噪声的影响，并相应预留功率余量，以满足业务信道解调的Eb/No门限要求。

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对于不同业务的Eb/No解调门限要求，上行链路最大允许路径损耗可由下式表示：



基于以上分析，依据以上链路预算表达式和前期环境测试及工程经验分析，在本次设计中小区负荷取50％，基站天线增益取17.2 dB，基站馈线长度取35.0 m，得出基站馈线损耗为1.4，快速衰落储备取4.0 dB，该环境对数正态衰落储备取为6.7 dB，穿透损耗取15 dB。密集市区域的上行链路预算结果如表1所示。

表1　密集市区上行链路预算结果

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2.2　该密集市区建设规模计算
在小区最大允许路径损耗已知的情况下，利用无线传播模型就可以计算小区的覆盖范围。为合理有效的对该城市进行无线网络规划，考虑到该城市具体的地形地貌特征，本设计采用标准宏小区模型。在1500～2000MHz频段，基站天线高度范围：15～200 m，接收机高度范围：1～10 m，通用宏小区模型是一个典型的传播中值路径损耗预测模型，它受到移动台与基站间的距离、基站和移动台天线高度、载波频率等因素的约束，工程表达式为：

式中：
LP——路径损耗；
Hms——移动台高度（m）；
Hb——基站天线高度（m）；
Ldiffn——衍射损耗；
d——基站与移动台间直线距离（km)。
参数K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7和Kclutter（地物损耗因子)是待定参数。
为了使得模型能更好地拟合该密集城区不同地区的无线传播环境，需通过对该市的典型场景的电测来校正待定参数值。根据2006年在该地区所做的电测分析，这里取密集市区模型校正结果如表2所示。

表2　密集市区模型校正结果

在WCDMA网络设计的链路预算中，通常采用COST231-Hata模型来计算小区覆盖半径。COST231-Hata模型是在Hata模型基础上发展起来的，目的是将Hata模型的距离适用范围扩大到100 km以上，频率适用范围扩展到2G频段，经过分析得到如下的近似公式：
当满足：
f=150～2 000MHz；
基站天线有效高度hb=30～200m；
移动台天线高度在1～10 m；
基站的覆盖范围大于1 km。
可以导出基站最大覆盖距离的表达式：

将上行链路预算结果和模型校正参数代入上式，求取密集市区基站的最大覆盖距离，如表3所示。

表3　各业务需求基站最大覆盖距离

比较各区域不同业务的最大覆盖距离，取其中最小值为相应地区的基站覆盖半径，从而进一步求得小区覆盖半径为0.66*0.9=0.594 km.

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无线网络覆盖中，图1所示以链路预算得出的半径为圆的面积π R2。其六边形的面积为3个。

图1　基站覆盖面积示意图

边长为R/2的正六边形组成，面积为.
即三扇区基站的覆盖面积可由下式表示：，得基站覆盖面积为0.70。
依据目标区域覆盖需求53.2 km2和基站覆盖面积，得出密集城区基站数规划数为76个。
3、密集市区WCDMA容量实现
3.1　上行链路容量规划
依据密集市区业务需求和无线覆盖规划站点数，单载扇上行链路平均业务承载需求如表4所示。

表4　单载扇上行链路平均业务承载需求

注：
①PS业务的BHT，在表2中为12Kbyte/h=12K*8/3600=26.67 bit/s；
②总业务量=用户数量×用户比率×BHT；
③平均每载扇业务量=总业务量/(规划站点数×3)。
由爱尔兰B表查得满足V12.2 kbit/s和CS64 kbit/s业务承载需求的信道数MCS12.2K和MCS64k分别为24和1。
分组域PS64 K业务信道需求数MDATA可由下式求取：

由C和BE的表达式计算电路域业务负荷C和分组域业务负荷BE分别为：

低于上行链路系统最大允许负载50％，因此无线覆盖规划站点数满足上行链路容量承载需求。
3.2　下行链路容量规划
依据密集市区业务需求和无线覆盖规划站点数，单载扇下行链路平均业务承载需求如表5所示。

表5　单载扇下行链路平均业务承载需求

由爱尔兰B表查得满足V12.2 kbit/s和CS64 kbit/s业务承载需求的信道数MCS12.2K和MCS64k分别为24和1。

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分组域PS64 K业务信道需求数MDATA可由下式求取：

由C和计算电路域业务负荷C和分组域业务负荷BE分别为：
则系统负载需求load为：

低于下行链路系统最大允许负载65％，因此无线覆盖规划站点数满足下行链路容量承载需求。
3.3　密集市区规划结果分析
将单载扇上行链路和下行链路业务负载核算结果与系统最大允许负载对比分析如表6所示。

表6　密集市区规划结果分析

结论：经上述验证表明，上行链路和下行链路的业务负载均低于最大允许业务负载，因此说明系统最大允许负载下进行无线覆盖规划的载扇数满足上行链路和下行链路业务承载需求，密集市区最终规划载扇数为228，设计结论满足该市区密集区域的覆盖目标。
4、结束语
无线覆盖和系统容量设计，是WCDMA无线网络规划的一部分设计内容，接下来还需要完成宏蜂窝组网、站址选择、扰码分析等设计环节，就覆盖而言还要综合考虑特殊场景覆盖、交通干线覆盖、室内覆盖等。在建设投入前系统还要进行完全的系统仿真和严格的模拟测试，组网后还需经过一段较长期的优化调整。