450 MHz cdma 2000 1x系统容量探讨

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1、引言
　　450 MHz cdma2000 1x技术除具有频率低、覆盖广、室内穿透覆盖好、容量大、支持无线高速分组数据业务等特点外，另一个重要的优势是在覆盖范围广、用户密度很低的情况下投资成本仍可以保持较低。因此，运营商引入了450 MHz cdma2000 1x无线接入系统建设农村无线接入网络。
　　通常在提及450 MHz cdma2000 1x的容量时，谈论最多的是它的高频率利用率、软容量、语音激活技术等优点。但是，从无线资源角度考虑，在为用户建立通信信道的过程中，影响系统容量的主要因素是信道单元（CE）、中继（CIC）、选择器/声码器单元（SVE/SDE）、RF信道、Walsh码和帧偏置等，这些资源任何一个短缺都会造成系统拥塞。相对于信道单元、声码器等硬件设备而言，空中资源是有限的，无法通过增加硬件设备来扩容。因此，下面重点从Walsh码容量和RF容量两个方面，对450 MHz cdma2000 1x系统的容量进行分析。
2、Walsh码容量
　　设备制造商提供的设备容量指数是单载频承载的话务量，通常为55 Erl。但在网络性能统计中发现，很多基站话务量为20 Erl时就出现过载现象，有的甚至在15 Erl时就出现过载。那么，所谓55 Erl的容量是怎么回事?原来55 Erl的容量是仅仅从Walsh码容量来分析的，并没有考虑其他资源的利用情况。
　　我们知道，450 MHz cdma2000 1x系统采用的是64阶Walsh码，除开销信道占用3个Walsh码外，剩下的61个Walsh码用于前向业务信道，这61个Walsh码可以同时分配给61个用户。在理论上，一个单载频全向站可以承载61 Erl，但需要考虑呼损因素，因而实际上达不到61 Erl。
　　Walsh容量可以用如图1所示的Erlang_B计算器计算。从图1可知：信道数为Walsh码，取61；阻塞率（GOS）取0.05；每用户Erl值（Erl/subs）取0.03。按照该话务模型，以单载频全向站来计算，得出单载频全向站承载的话务量约为55.57 Erl，无线容量为1 852。事实证明，55.57 Erl是在假设其他资源都充裕的情况下的容量，对村通系统来说根本达不到。

图1　Erlang_B计算器

3、RF信道容量
　　在实际应用中发现，容量的瓶颈大多是在RF信道，而不是Walsh码。RF信道容量分为前向信道容量和反向信道容量。前向信道容量是一种“功率容量”，取决于各信道对基站总发射功率的占用情况。要想提高前向信道容量，必须降低平均每话务信道占用的功率（PTC）及平均每用户占用的扇区数（SPU）。反向信道容量是一种“噪声容量”，即用户间的相互干扰。干扰是限制反向信道容量的关键因素。
　　对于450 MHz cdma2000 1x系统来说，在容量方面应重点考虑前向功率过载，即基站已经没有功率资源分配给用户或用于提升前向业务信道的功率。下面结合信道增益与信道功率公式来说明村通系统过载问题。
　　　　（1）
　　其中，P为信道对应的功率；cellpower为小区设计功率，用作前向功率的自动定标；gain为信道增益；10（gain-255）/40为该信道占小区设计功率的百分比；信道功率为（gain-255）/40 dB。那么，只要知道该载频的小区设计功率和信道增益，就可算出该信道对应的功率。
　　对于前向链路，由于各个码信道之间相互正交，因此干扰很小。前向链路的总发射功率为各个码信道发射功率之和：
　　　　（2）
　　由于村通系统没有数据业务和快速寻呼信道，因此（2）式可以简化为：
　　　　（3）
　　在实际应用中，为了保证基站能够正常工作，往往规定了基站的最大发射功率，也就是规定了Ptotal的最大值。由公式（3）可知，前向发射功率Ptotal为各前向码道功率之和，其中导频信道、同步信道和寻呼信道都是开销信道，设定增益以后就固定了，只有前向业务信道的功率是可变的。因此，前向链路的容量就是除去开销信道占用的功率，剩余的功率全部分配给前向业务信道时能承载的话务量。也就是说，前向链路的容量是一种功率容量。前向业务信道的平均发射功率越小，能够容纳的用户就越多。前向业务信道的平均发射功率与语音激活因子和前向功率控制有关，语音激活因子是不受基站控制的，因此前向链路的容量主要受前向功率控制的影响。
　　假如导频信道、同步信道和寻呼信道的增益分别是232、192和225，根据公式（1）和（3），把控制信道的增益代入，可得控制信道占总功率的47.05%，如果是30 W的功放（即Ptotal为30 W），则留给前向业务信道的功率为15.88 W；如果语音业务标称功率设置为169，语音业务变化范围设为80，则在前向功率控制中分配给用户的前向业务信道的功率变化范围是129～209，即fpcMingain为129，fpcMaxgain为209，则前向业务信道功率的变化范围为-31.5～-11.5 dB。
　　假如系统都以最小的功率分配给每个前向业务信道，且所有功率均用来呼叫，没有切换，则前向业务信道的增益取129，根据公式（1）可得到分配给前向业务信道的最小功率为0.021 w，则最多可容纳756（15.88÷0.021）个用户同时通话（假设其他资源足够，但实际情况当然不可能）。
　　假如系统都以最大的功率分配给每个前向业务信道，且所有功率均用来呼叫，没有切换，则前向业务信道增益取209。根据公式（1）可得到分配给前向业务信道的最大功率为2.1 W，则系统最多可容纳7（15.88÷2.1）个用户，即系统此时能承载的话务量只有7 Erl。
　　村通系统中的用户大多离基站比较远，再加上复杂的地形，电磁波可能经过多次折射和反射，为了克服路径的损耗，基站要以更大的发射功率发送才能保证正常的通话。这样看来，系统在15 Erl时过载就不足为怪了。
4、总结
　　450 MHz cdma2000 1x系统容量的瓶颈是前向功率。如果在做网络规划时没有考虑到这个因素，那么由于前向功率资源的限制，在其他资源都充裕的情况下，系统就已经功率过载了。因此，在做村通系统规划时，要特别关注前向容量，尽量在容量和覆盖间找到最佳的切合点，以减少因前向功率过载而引起用户投诉的情况，提高用户感知度。