WO101C1 WCDMA规模估算.docx
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WO101C1WCDMA规模估算
WO_101_C1WCDMA规模估算
课程目标：
●理解规模估算的目的和作用
●掌握基于覆盖的规模估算——链路预算
●理解链路预算中各参数对网络的影响
●掌握容量估算的方法和思路
参考资料：
●《CDMA系统设计与优化》KyongIIKim编著
●《无线通信原理与应用》TheodoreS.Rappaport著
第一章覆盖规划
知识点
本章的主要内容是链路预算的过程及各参数对网络的影响。
WCDMA无线网络规模估算是根据规划网络的覆盖目标、容量目标和质量目标估算满足需求所需的配置和网络设备数量的过程。
通过规模估算，规划人员可以快速了解实现规划目标大致需要的网络配置，为进一步的决策、规划仿真和详细设计提供参考。
由于WCDMA系统是一个自干扰和软容量系统，其覆盖和容量并非一成不变，而是和网络的干扰水平有关，且覆盖和容量的关系密切相关，相互影响。
当网络负载较轻时，覆盖距离较远；当网络负载加重时，由于用户干扰功率的上升，小区覆盖会自动收缩，因此，WCDMA网络的规模估算需要从覆盖和容量两方面着手，计算满足运营商对网络覆盖、容量和质量要求（如覆盖率、阻塞率等）所需的基站规模。
一.1链路预算
链路预算是覆盖规划的前提，通过计算业务的最大允许损耗，可以求得一定传播模型下小区的覆盖半径，从而确定满足连续覆盖条件下基站的规模。
通常情况下，应该分别从上行（移动台到基站）和下行（基站到移动台）两个方向进行链路预算，并实现上下行链路的平衡。
通常覆盖规划都是以手机能够达到的最大半径为基础进行计算（即上行链路预算），因为影响前向覆盖半径的不确定因素很多，如同时连接的用户数、用户分布、用户速率等，计算起来较为复杂。
通常情况下，基站的功率都是满足覆盖需求的，即覆盖是上行受限。
影响链路预算的因素很多，除了手机的发射功率，基站的接收灵敏度外，还有阴影衰落余量，建筑物的穿透损耗，业务的速率和品质因素（Eb/No）等，所以，链路预算也应该区分地理环境和业务种类进行。
一.1.1链路预算基本参数
终端最大发射功率
数据业务：
+24dBm
话音业务：
＋21dBm
人体损耗
一般取值为：
语音业务：
3dB
数据业务：
0dB。
UE天线增益
一般取0dBi。
基站天线增益
链路预算中假定基站定向天线增益为17dBi，全向接收天线增益为11dBi。
实际工程中，可根据不同区域类型和覆盖要求选取不同的天线。
馈线损耗
包括从机顶到天线接头之间所有馈线、连接器的损耗。
对于30-40m的馈线，链路预算中假定馈线总损耗为4dB（含接头等损耗）；对于40-50m的馈线，链路预算中假定馈线总损耗为5dB（含接头等损耗）。
基站噪声系数
噪声系数定义为输入信噪比与输出信噪比的比值，一般取值为3dB。
基站解调门限
Eb/No值与移动设备的收发分集、多径信道条件、业务类型等因素有关。
3GPPTS25.104V6.1.0规定了高斯白噪声信道基站以及多径信道模型1、2、3条件下基站所需的Eb/No下限值。
基站接收灵敏度
灵敏度＝NFBS+10log（KT）+10log（Eb/N0）+10log（Rb）
其中：
NFBS为基站噪声系数
K为Boltzmann常数，为1.38*10-23J/K
T为开氏温度，取290K
Rb为业务速率
干扰余量
干扰余量=-10×log（1-η），η为小区负载。
在网络初期阶段，业务量较低，因此干扰余量值较低。
随着话务负载的增加，干扰余量增大，基站覆盖区域就会缩小。
因此进行链路预算时，应根据预计的业务量增长趋势选择上行最大负载，确保良好覆盖。
链路预算中上行负载取值为50%，因此干扰余量为3dB。
软切换增益
此处，软切换增益指克服慢衰落的增益。
当移动设备位于软切换区域内，软切换多条无线链路同时接收，降低了对阴影衰落余量的要求。
通常情况下链路预算中软切换增益取定为3dB。
功控余量（快衰落余量）
慢速移动终端主要通过快速闭环功控来保证解调性能，必须为快速闭环功控预留一定发射功率动态调整范围，通常情况下功控余量取定为3dB。
对于中高速移动的终端（一般当终端移动速度≥50km/hour时），主要由信道编码中的交织对抗快衰落，快速闭环功控作用很小，一般不需考虑预留功控余量。
穿透损耗
建筑物和车辆的穿透损耗是影响无线覆盖的重要因素。
穿透损耗与具体的建筑物和车辆类型、电波入射角度等因素有关，在链路预算中假设穿透损耗服从对数正态分布，用穿透损耗均值及标准差描述。
如果建筑物外部的无线覆盖有效，那么设定10~15dB的穿透损耗应该足够用了。
但如果要在建筑物的核心部分接收和发起呼叫，大概需要30dB的损耗。
与此类似，对车辆内部的覆盖，穿透损耗同样重要。
一般的小汽车大约会有3~6dB的穿透损耗，但是有蓬货车和公共汽车可能会有较大的变化量。
在有蓬货车前部的穿透损耗应该不会超过小汽车的穿透损耗，但是有蓬货车尾部的穿透损耗可能会高达10~12dB，具体值要根据车窗的数量而定。
因此，在链路预算时应根据规划区域内的实际情况设定一个合理的穿透损耗值，以保证良好的业务质量。
阴影衰落余量
阴影衰落符合对数正态分布，其取值与扇区边缘通信概率、阴影衰落标准差相关，阴影衰落标准差与电磁波传播环境相关。
其中衰落裕量是为了克服衰落的变化，保证小区中通讯的可靠性而预留出来的余量，它是与一定的小区边缘通信概率要求相对应的。
在无线空间传播中，对于任何一个给定的距离，路径损耗的变化很快，路径损耗量可以看作是符合对数正态分布的随机变量。
如果按照平均路径损耗来设计网络，则小区边界上点的损耗值在50％的时间内会大于路径损耗中值，而另50%的时间内会小于该中值，即小区的边缘覆盖率只有50％，这样处于小区边缘的用户有一半的机会是难以得到希望的服务质量的。
为了提高小区的覆盖率，链路预算时需要预先留出衰落裕量，一般按照75%边缘覆盖率进行链路预算。
下面以满足75％的边缘覆盖率为例加以解释：
假定传播损耗随机变量为
，则
是dB上的高斯分布，设其均值为
，标准差为
，对应的概率分布函数为
函数。
设定一个损耗门限
，当传播损耗大于该门限，则信号达不到满足预期服务质量的解调要求，则在小区边缘，满足75％边缘覆盖率可以翻译为：
（2）
对于户外环境，传播损耗随机变量的标准差常取8dB。
则可得到对应75％的边缘概率（通信率）的裕量值：
（3）
具体可用图2.21和图2.22表示：
图2.21衰落裕量示意图――概率分布函数
图2.22衰落裕量示意图――概率密度函数
上述图形表明，在进行网络规划设计时，需要留出5.4dB的裕量才能保证75％的边缘覆盖率。
如果要求90％的边缘覆盖率，可以查表推出需要留出10.3dB的衰落裕量。
一.1.2上行链路预算
上行链路预算计算公式如下：
最大允许空间路径损耗＝移动台发射功率（dBm）＋移动台天线增益（dB）－人体损耗（dB）－基站馈线损耗（dB）＋基站接收天线增益（dBi）＋软切换增益（dB）－建筑物或车体穿透损耗（dB）－慢衰落余量（dB）－功控余量（dB）－干扰余量（dB）－基站接收灵敏度（dBm）
按照上一节的参数取定，可以计算不同环境和覆盖要求情况下的上行链路预算。
其计算过程如表2.21所示：
表2.21链路预算表
参数
符号运算
UE最大发射功率
A
UE天线发射增益
B
UE机体发射损耗（人体损耗）
C
UE实际每信道最大发射功率
D=A+B–C
环境热噪声功率谱密度
E
上行noisefigure
F
上行接收噪声功率谱密度
G=E+F
上行noiserise
H
基站上行接收的总的干扰功率谱密度
I=G+H
上行信号品质要求Eb/No
J
上行业务速率
K
上行接收灵敏度
L=I+10lg（3.84×106）+（J–10lg（3.84×106/k））
基站天线增益
M
基站综合损耗
N
阴影衰落裕量
P
软切换增益
Q
功控余量
R
穿透损耗
S
最大损耗
T=D-L+M-N-P+Q-R-S
一.2覆盖规模估算
一.2.1基站覆盖半径计算
通过链路预算求得了移动台和基站之间最大允许的路径损耗后，结合当地的无线传播模型，预测基站覆盖半径变成一件简单的事。
事实上，无线传播模型描述的正是路径传播损耗和覆盖距离之间的关系。
通过已知的最大允许路径损耗和无线传播模型，可以反推出基站最大的覆盖半径。
一.2.2基站面积计算
基站覆盖面积的计算和站型有关。
NodeB的常见站型有以下几种：
图2.23全向站型&三扇区定向站（90度水平波瓣）型
图2.24三扇区定向站（65度水平波瓣）型&六扇区站型
一.2.3规模计算
根据规划区域面积和单站覆盖面积就可以得到覆盖该区域大致需要的站点数。
第二章容量规划
知识点
本章的主要内容是极限容量的推导和容量估算的方法。
容量估算是规模估算的另一个重要组成部分。
容量估算的目的是根据规划网络的业务模型和业务量需求，估算出满足容量大致所需的基站数目。
和链路预算一样，容量估算也应从上行和下行两个方向进行。
WCDMA系统容量在上行方向主要是干扰受限，在下行方向主要是基站功率受限。
在2GCDMA网络中，语音业务为主要应用业务，其上下行的业务流量较为对称，容量主要是上行受限，因此容量估算主要关注上行方向的容量计算。
但WCDMA网络中，数据业务的比重显著增加，且网络上下行的业务流量普遍呈现出不对称的特性，甚至有可能出现下行容量受限的情况。
因此，WCDMA容量估算需从上下行两个方向分别进行。
二.1上行容量
WCDMA系统中，所有的用户都使用相同的载波，而且在经过编码以后，每个信号对于其他信号而言就成为噪声（干扰）。
因此，每个信号都包含在由其他用户产生的宽带干扰背景中。
为了接入一个呼叫，移动台的功率必须大到足以克服带宽内其他移动台，也就是说，基站的接收信号必须达到业务解调要求的Eb/No（每个用户比特能量除以噪声谱密度）。
上式可以写成：
其中，W是码片速率，3.84Mchip/s；
vj是用户j的激活因子；
Rj是用户j的比特速率；
Pj是来自用户j的信号接收功率；
Itotal是基站处包括热噪声功率在内的总的宽带接收功率。
从上式可知，用户信号要达到解调要求，其在基站接收端的接收功率应满足：
定义一个连接的负荷因子Lj：
Lj表示用户信号功率占基站总接收功率的比例，则单个用户信号功率Pj可表示为：
来自于同一小区内所有N个用户的总接收功率为：
通常，基站接收端的总接收功率由三部分组成：
小区内用户干扰功率，小区外用户干扰功率和基站热噪声。
即：
其中，Pin为小区内用户总干扰功率；
Pother为小区外用户总干扰功率；
PN为基站热噪声功率
由于小区外移动台的干扰不通过本小区基站进行功率控制，其干扰大小难以确定。
通常，将来自其他小区的干扰与本小区干扰的比值定义为邻区干扰因子i：
i反映了本小区基站接收端其他小区对本小区的干扰比。
通常，采用全向天线的宏小区邻区干扰因子为0.55，采用三扇区天线的宏小区邻区干扰因子为0.65。
因此，基站总用户接收功率为
定义噪声抬升为基站总的宽带接收功率与噪声功率之比，即
定义上行链路负荷因子
为
式
（1）
表示基站接收端用户信号功率占宽带总接收功率的比值
于是，噪声抬升可表示为：
或
该等式反映了基站接收端由用户干扰引起的热噪声之上的噪声抬升。
3dB的噪声抬升对应50%的负荷因子，6dB的噪声抬升对应75%的负荷因子。
通常，网络规划假设上行负荷因子为50%，在单一业务的情况下，根据式
（1）可以求出每个小区所能提供的信道数，进而求出满足上行容量需求所需的总基站数。
二.2下行容量
下行链路上，基站功率被小区内的所有用户共享。
当基站总功率中没有多余部分可以分配给一个新增加的用户时，空中接口就达到了容量限制，也就是说，当一个基站为使其全部用户正常的运行而发送的总功率超过了基站的额定功率时，下行链路就达到了受功率限制的容量。
所以说，下行容量是受限于基站总的发射功率。
和上行链路容量分析方法类似，下行链路容量分析的出发点仍是解调信号要求的Eb/No值。
对于下行链路而言，移动台要能正确解调有用信号必须克服来自三部分的干扰：
小区内由于信道的非正交性引入的干扰，小区外信号干扰和移动台热噪声。
即
其中：
P为基站总发射功率；
Pother为小区外信号总干扰功率；
PN为移动台热噪声功率；
α为下行链路正交因子。
在下行链路中，正交因子α是一个非常重要的参数。
WCDMA的下行链路采用正交码区分用户，在没有多径传播条件下，当移动台接收基站信号时正交性保持不变。
然而，实际信号传播过程中，多径延迟是不可避免的，信道之间的正交性被破坏，从而引入干扰。
正交因子1对应完全正交的用户。
一般情况下，多径信道中正交因子在0.4~0.9之间。
参考上行负荷因子的推导方式，下行链路负荷因子
可表示为：
其中：
W是码片速率，3.84Mchip/s；
vj是用户j的激活因子；
Rj是用户j的比特速率；
αj是来自用户j的信道正交因子；
ij是用户j接收到的其他小区与本小区的基站功率之比
由于移动台在小区内是随机分布的，αj和ij与用户所处的位置有关，为了了解小区负荷因子的平均值，可以用负荷因子在整个小区内的平均值近似，即：
其中，
为小区中的平均正交因子，通常多径信道下取值为60%，非多径信道下取值为90%。
为用户接收到的其他小区与本小区基站功率的平均比值，通常全向天线宏小区取值为55%，三扇区天线宏小区取值为65%。
下行链路容量分析中，最重要的是对基站发射功率的估算。
估算出的基站发射功率是平均功率而不是小区边缘峰值发射功率，因为基站为每个用户分配的发射功率是由基站到移动台的平均损耗及移动台灵敏度决定的，实际网路中，用户随机分布在小区内，而不是全部位于小区边缘，所以在计算基站发射功率时，应采用平均路径损耗值，而不是链路预算中的最大路径损耗值。
在宏小区中，最大路径损耗和平均路径损耗间的差值通常是6dB。
总的基站发射功率可用下式表达：
式
（2）
其中：
是移动台接收机前端的噪声功率谱密度，可由下式计算得到：
，NF是移动台接收机的噪声系数，典型值为5~9dB；
是平均路径损耗
vj是用户j的激活因子；
Rj是用户j的比特速率；
在单一业务的情况下，根据式
（2）可以求出最大允许发射功率下每个小区所能提供的信道数，进而求出满足下行容量需求所需的总基站数。
事实上下行链路的性能分析是一个比较困难的过程。
因为下行链路的性能强烈依赖于许多基本因素，这使下行链路的性能分析难以像上行链路的分析那样简化。
下行链路要满足的Eb/No的取值范围是随移动速度和多径条件变化很强的函数，而且移动台接收机不使用天线分集。
后者意味着除非明确知道移动台正处于软切换或者更软切换状态下，否则不能保证最少有两条路径，因此，所需要的Eb/No值随移动台的不同而不同。
这种变化，加上移动台位置固有的随机性以及周围小区的干扰电平，这些都增加了下行链路性能分析的复杂性。
在设计中考虑最坏的情况会得出一个过度保守的结论。
通常容量估算是在分析了满足上行容量所需的信道数后，考察下行链路是否可以在指定覆盖区内支持移动台工作并且达到上行链路产生的信道数量。
二.3混合业务容量估算方法比较
在传统的纯语音网络中，上述容量估算方法是简单适用的。
根据上行和下行容量公式不难求出每个小区所支持的最大信道数，并根据erl-B模型求出每个小区所能容纳的话务量，进而求出满足容量所需的基站数。
但WCDMA网络是多业务并存的网络，对小区容量的估算不能再简单沿用纯语音网络中对小区容量的估算方法，这是因为不同业务的业务速率和所需的Eb/No不同，因此对系统负荷产生的影响和消耗的基站资源也不同。
混合业务容量估算的一个思路就是在不同业务之间进行等效。
下面将分别介绍混合业务估算中的EquivalentErlang方法、PostErlang-B方法和Campbell方法。
二.3.1EquivalentErlang方法
EquivalentErlang方法的基本原理是将一种业务等效成另一种业务，并计算等效后业务的总话务量（erl），然后计算满足此话务量所需的信道数。
下面举例说明。
假设业务A和业务B是网络提供的两种业务，其中,
业务A：
每个连接占用1个信道资源，共12erl；
业务B：
每个连接占用3个信道资源，共6erl。
若将1erl业务B等效为3erl业务A，则网络中总业务量为12+6×3=30erl（业务A）。
查询erl-B表，可知在2%的阻塞率下，共需要39个信道资源。
若将3erl业务A等效为1erl业务B，则网络中总业务量为12/3+6=10erl（业务B）。
查询erl-B表，可知在2%的阻塞率下，共需要17个业务B信道（相当于17×3=51个业务A信道）。
从上述分析可以看出，EquivalentErlang方法的计算结果与计算采用的等效方式有关，前种等效方式计算出的结果偏小（39个信道），过于乐观；后种等效方式计算出的结果偏大（51个信道），过于悲观。
如图2.31所示：
图2.31不同等效方式的比较
二.3.2PostErlang-B方法
PostErlang-B方法的基本原理是先分别计算出每种业务满足容量所需的信道数，再将信道进行等效相加，得出满足混合业务容量所需的信道数。
下面举例说明。
假设业务A和业务B是网络提供的两种业务，其中：
业务A：
每个连接占用1个信道资源，共12erl；
业务B：
每个连接占用3个信道资源，共6erl。
查询erl-B表，可知在2%的阻塞率下，满足业务A的业务量（12erl）共需要19个信道。
查询erl-B表，可知在2%的阻塞率下，满足业务B的业务量（6erl）共需要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个信道资源。
根据PostErlang-B方法，下面计算一种特殊情况下的网络容量：
假设业务A和业务B是同一种业务，其中,
业务A：
每个连接占用1个信道资源，共12erl；
业务B：
每个连接占用1个信道资源，共6erl。
查询erl-B表，可知在2%的阻塞率下，满足业务A的业务量（12erl）共需要19个信道。
查询erl-B表，可知在2%的阻塞率下，满足业务B的业务量（6erl）共需要12个信道。
业务A和业务B共需要19+12=31个信道资源。
因为业务A和业务B实际上是同一种业务，该业务的总业务量为12+6=18erl。
按照目前已知的单业务情况下的容量计算方法，查询erl-B表，可知在2%的阻塞率下，满足业务量需求共需要26个信道。
这个结果显然是正确的。
从上述分析可以看出，PostErlang方法的计算结果过于悲观（31>26）。
其原因是基站信道资源实际是在业务之间共享的，但PostErlang方法人为地割离了业务使用的信道资源，其实是降低了基站信道资源的利用率。
如图2.32所示：
图2.32人为的隔离信道资源的结果
二.3.3Campbell方法
Campbell方法的基本原理是将所有业务按一定原则等效成一种虚拟业务，并计算此虚拟业务的总话务量（erl），然后计算满足此话务量所需的虚拟信道数，进而折算出满足网络容量的实际信道数。
Campbell模型的等效原理如下：
式中：
c是容量因子；
v是混合业务方差；
是混合业务均值；
是业务i的等效强度；
是业务i需要的信道数；
OfferedTraffic是虚拟业务的业务量；
Capacity是满足虚拟业务量需要的虚拟信道数。
下面举例说明。
假设业务A和业务B是网络提供的两种业务，其中：
业务A：
每个连接占用1个信道资源，共12erl；
业务B：
每个连接占用3个信道资源，共6erl。
业务A的等效强度a1=1，业务B的等效强度a2=3。
混合业务均值为
混合业务方差为
容量因子
虚拟业务量
在2%的阻塞率下，查询erl-B表可知，满足虚拟业务量共需要21个虚拟信道资源。
根据式（），在2%的阻塞率下，各业务需要的信道数为
业务A：
业务B：
从上述分析可以看出，Campbell方法的计算结果相比于EquivalentErlang方法和PostErlang-B方法更为可信，因此目前来说是一种更为合理的混合业务容量估算方法。
根据Campbell方法，在相同的业务等级GOS要求下，不同业务需要的信道资源略有不同，或者说，在相同的信道资源下，不同业务得到的服务等级不同。
从这一点来说，Campbell方法也是较为合理的。
但是，Campbell方法将所有业务统一作为电路域业务进行等效，并运用Erlang-B模型进行分析计算，而实际上，分组域数据业务的特性和电路域业务截然不同，而且也不符合Erlang-B模型成立的条件，因此这种等效方法本身就存在缺陷。
更好的混合业务建模及容量分析方法需要进一步的研究。
在Campbell方法中，业务等效强度a的计算既可以是基于每种业务消耗的信道资源数，也可以是基于每种业务在空中接口引入的干扰。
如下所示：
若参考业务为语音业务，并考虑语音业务在物理层的激活性，可将上式修改为：
二.4基于Campbell模型的容量估算方法举例
下面以某密集城区的容量估算为例，看看Campbell模型是怎样应用于混合业务的容量规模估算的。
假设该地区业务模型数据如下：
系统设计负载：
50%
语音业务阻塞率：
2%
邻区干扰因子：
0.65
正交因子：
0.6
城区面积：
40.8平方公里
规划区域内业务情况如下：
表2.31上行方向
Voice
lowdata
Highdata
video
Datarate（kbps）
12.2
32
64
64
Activityfactor
0.67
1
1
1
Eb/No（dB）
5
2.7
2.4
3.7
Forecasttraffic（err）
3000
400
100
5
表2.32下行方向
Voice
lowdata
Highdata
video
Datarate（kbps）
12.2
64
128
64
Activityfactor
0.58
1
1
1
Eb/No（dB）
7
6.3
6
6.5
WCDMA系统容量受到多方面的限制。
在上行方向主要是干扰受限，下行方向主要是功率受限。
通常情况下，系统容量是上行受限的，只有当网络中数据业务吞吐量超过一定比例，系统容量才会转成下行受限。
所以，在进行容量规模估算时，一般先从上行分析估算基站规模，再计算此规模下下行功率是否会受限。
若不受限，则此规模满足要求；若受限，则说明此时系统容量是下行受限，需增加基站个数直到下行功率足够分配为止（这是一个迭代运算过程）。
二.4.1上行容量规模估算
计算各种业务的amplitude
voice：
1
lowdata：
32*1*100.27/12.2*0.67*100.5=2.3
highdata：
6
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