WCDMA无线网络规划的研究

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　　摘要　首先给出WCDMA无线网络规划的一般流程，然后重点分析无线网络结构与室内覆盖的关系，最后基于室内外平衡设计要求的理论分析和实践经验，得出一个可用于市区和密集市区的较为合理的WCDMA无线网络结构。
0、前言
　　作为3G三大标准之一的WCDMA，其技术比较成熟，是目前3G标准中应用最广的，因此WCDMA无线网络规划成为一个重要的研究课题。区别于通常意义上的网络拓扑结构，本文中的无线网络结构特指接入网部分宏蜂窝基站在三维空间的分布，网络结构的分析研究是网络规划设计的理论基础。一个好的网络结构不仅能够使网络的性能得到有效的发挥，而且为日后的网络优化、运营维护、容量的平滑演进奠定一个很好的基础。否则，按照一个不合理的结构部署的网络，在今后的优化、运营维护、扩容等过程中将会非常麻烦并且代价昂贵。因为网络一旦建成，是不能推倒重来的，网络性能的问题往往无法通过优化来解决，网络结构的调整，如站址迁移及大规模增加站点等是非常困难的。
　　WCDMA宏蜂窝的网络结构应该是站点分区域均匀分布的结构，关键问题在于网络结构中的站间距。对于郊区和农村等较简单的无线环境，问题确实不复杂，基于90%区域可靠度规划的宏蜂窝的基本覆盖在大多数情况下能够满足要求，个别特殊场景的覆盖可以进行特殊处理，网络结构不会因为这些特殊场景而作大的改变。然而市区和密集市区的地貌特征及用户分布就非常不同了，必须考虑室内覆盖，而且室内覆盖的目标往往会更高，这都使问题的复杂性大大增加。因此，WCDMA无线网络结构的研究成为无线网络规划的一个重要问题。
1、WCDMA无线网络规划的一般流程
　　1.1　WCDMA无线网络初步规划
　　WCDMA无线网络规划分为初步规划和详细规划，在网络规划之初，应当对网络规模有一个量的认识。这时的设计并不要求十分准确，其目的主要是对基站的数目有一个宏观的概念。初步规划为后期的详细规划提供两个重要的数据，即基站数和初始站间距。WCDMA无线网络初步规划的流程如图1所示。

图1　WCDMA无线网络初步规划流程

　　1.2　WCDMA无线网络详细规划
　　无线网络详细规划要从根据初步规划中得到的站间距要求按照蜂窝组网的结构部署到设计覆盖的各个环境中，然后进行无线仿真设计，同时确立设计的终端类型与站参数，确定天线类型。根据仿真结果，反复调整，直到网络设置的各项系统性能得到满足，最终输出整个设计结果。WCDMA无线网络详细规划的流程如图2所示。

图2　WCDMA无线网络详细规划流程

2、WCDMA无线网络结构与室内覆盖的关系
　　2.1　宏蜂窝与室内覆盖可靠度
　　许多第二代现网市区环境下的统计数字显示：50%甚至更高比例的移动话务来自室内，而覆盖的难点往往也是室内。室内覆盖的场景变化很大，上到高入云天的摩天大楼，下到入地10 m多深的地下商城、地铁，中间是层次多样的各类建筑。考虑到这些条件和要求，宏蜂窝网络结构应该是综合考虑室内室外覆盖平衡的网络结构。从宏蜂窝角度看，决定室内覆盖可靠度的是建筑物穿透损耗（BPL）和相关的标准偏差两个主要因素。
　　BPL虽然可以通过测量决定，但测量结果只能给出一个统计分布。一个城市环境中，各种建筑物成千上万，建筑材料多样，对无线电波的吸收、反射、折射等特性各不相同，显然不可能对每个建筑物都进行测量，只能做抽样测量。另外，电波从不同的位置以不同的角度入射，穿透的结果也有很大的差别。一般情况下，在规划中选取一个固定的BPL，其目的是使覆盖区内多数建筑物可以获得基本室内覆盖。图3示出的是根据在密集市区环境下对1 900 MHz频率大量测量结果的总结归纳。

图3　建筑物被室外宏基站覆盖的比例与BPL的关系

　　基于1 900 MHz频段的测量结果，对工作在2 000 MHz频段的WCDMA具有非常高的参考价值，因为两个频段很接近，它们的穿透特性没有明显的差别。从链路预算中可以知道，增加BPL意味着缩小站距，增加站点。表1列出BPL每增加1 dB，覆盖每百平方公里的站点数随之增加的比例，即覆盖每百平方公里的站点数随着BPL的增加而快速增加。
　　从表1中可以看出，当BPL净增10 dB时，站点数增加为参考点的376%，基站数目随BPL的增加而快速增加。在市区环境下，为了保证一定的室内覆盖，BPL一般取18-20 dB。
　　相关的标准差是决定室内覆盖可靠度的另一个重要因素。室外的平均信号具有慢衰落特性，服从对数正态分布，当电波从室外进入到室内要经历一个BPL。而BPL也符合对数正态分布的统计结果。无线电波进入室内后在室内环境传播，其信号强度仍然服从对数正态分布。因为每一个随机变量的分布都是统计独立的，因此，室内任意一点的信号强度都取决于这3个随机分布的叠加。
　　室内信号的平均值为
　　Sn=Sy+Lb
　　式中：
　　Sn——室内信号的平均值
　　Sy——室外信号的平均值
　　Lb--建筑物穿透损耗
　　组合标准差为
　　
　　式中：
　　бout——室外信号的标准偏差
　　бp——BPL的标准偏差
　　бind——室内环境下信号强度服从的标准偏差
　　根据实践经验，在市区和密集市区环境下，标准偏差一般取10 dB左右。
　　2.2　室内外系统的干扰分析
　　90%的区域可靠度和室内外平衡的规划设计原理，其根本目的是降低WCDMA的干扰水平，室内特殊覆盖系统的设计部署必须考虑干扰的问题。
　　对照图4，对室内外系统的干扰作一个简单的分析。

图4　室内外系统的干扰

　　小区1和小区2是两个相邻小区，小区3是一室内覆盖系统。以小区1和小区3为参考，它们的导频信号分别为
　　
　　式中：
　　Ec1、Ec1、Ec1——各自对应小区的导频接收信号码域功率（RSCP）
　　I1、I2、I3——-收到的来自小区1，小区2和小区3的发射功率
　　上面两个等式表达着室内外系统间的相互干扰关系，室内系统小区3要在室内区域形成主小区，其信号必须强于室外信号。具体的关系可表示为
　　
　　式中：
　　D——激活集删除门限（系统设置参数）
　　类似的分析同样适用于室外。对室外主小区，相应的关系为
　　
　　通过分析可以看出，室内覆盖的设计需要考虑室外的场景，对已有很强信号的建筑物，不能不加考虑地做一个同频的室内覆盖系统，而对那些离基站较远，室内信号很弱的建筑物则很合适部署室内覆盖系统。
　　2.3　室内外平衡的设计
　　一般来说，对室内覆盖的规划存在两种不同的思路。第一种方案是尽量通过室外宏蜂窝穿透提供室内覆盖，根据具体情况再配合少量的室内特殊覆盖手段来解决室内深度覆盖；第二种方案是尽量以室内特殊覆盖手段来解决室内覆盖，从而减少对室外宏蜂窝的依赖，室外宏蜂窝的规划独立于室内设计，两者同时建设。
　　第一种方案的好处在于只要部署少量室内覆盖系统就足以补充室内覆盖的盲点，减少部署室内覆盖系统的工程量。这种思路存在的问题是小的站间距意味着网络需要大量的站点，比例可参见表1，而且城区理想站点的选择和获取难度比较大。按照这个思路，要满足设计目标的要求，站距往往要做到200-300 m，在这种情况下的干扰控制难度极高，对于自干扰的WCDMA网络，由于室外信号很强，小区重叠严重，难以有效控制无线信号辐射，会带来导频污染和干扰水平升高的问题。
　　第二种方案要大规模地部署室内系统，这样虽然能取得非常高的室内覆盖可靠度，网络投资却非常巨大。室内室外分别设计，可能导致室内外覆盖重叠过大，系统干扰水平高，软切换比例恶化，影响系统整体的容量和质量。
　　结合WCDMA自干扰特性及WCDMA网络运营的经验，更合理的方案是在基于90%的区域可靠度，按照室内室外平衡的原理选取BPL和链路余量规划宏蜂窝网路结构，使80%左右的建筑物的基本室内覆盖通过宏蜂窝穿透解决，这些建筑物的室内深度覆盖，加上其余20%左右的建筑物的室内覆盖，再加上需要容量解决方案的建筑物，它们可以根据具体场景考虑实施室内特殊覆盖。由于室内覆盖的成本要远高于室外宏蜂窝覆盖，合适的比例体现了室内外平衡的设计思路。
3、结束语
　　通过以上分析可以看出，WCDMA系统室内外是相互作用、相互干扰的整体，不能像GSM一样靠频点来隔离，因而必须综合考虑，合理利用建筑物的遮挡，才能达到好的效果。然而，室内外复杂的相互关系几乎没有办法通过现有的规划工具进行仿真分析以找出它们的最佳平衡点，实际的做法很大程度上是通过实测和经验。