窄帶CDMA無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)

1、引言
 

 

　　近10年來，移動通信用戶以每年遞增80％～200％的速度擴(kuò)大規(guī)模。據(jù)此分析，到2000年，中國的移動用戶將達(dá)到3 000萬戶，占世界移動用戶總數(shù)的10％左右。迅速增長的網(wǎng)絡(luò)容量，與有限的頻率資源之間的矛盾，越來越突出地顯現(xiàn)出來。

 

 

　　而CDMA技術(shù)具有用戶容量大、覆蓋范圍廣、話音質(zhì)量好等特點(diǎn)，從而贏得了廣大消費(fèi)者及運(yùn)營商的青睞，在世界各地也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。截至1999年6月，全球CDMA網(wǎng)絡(luò)移動用戶已超過3 000萬戶。1996年，我國首先在北京、上海、廣州和西安四城市進(jìn)行了CDMA網(wǎng)的商用試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)效果以及市場需求，目前有可能建設(shè)大規(guī)模的商用網(wǎng)。

 

 

2、無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

 

 

　　移動通信網(wǎng)的工程建設(shè)大致可分為6個步驟：擬定網(wǎng)絡(luò)需達(dá)到的覆蓋指標(biāo)和話務(wù)要求；初步網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；基站站址現(xiàn)場勘察；修正網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，完成工程設(shè)計(jì)；系統(tǒng)調(diào)測和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；根據(jù)優(yōu)化結(jié)果或網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容要求，返回第一步。CDMA網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)同樣遵循這個步驟，但在很多方面又區(qū)別于GSM和TACS網(wǎng)。

 

 

2．1　無線覆蓋

 

 

　　CDMA網(wǎng)絡(luò)的無線覆蓋主要取決于設(shè)備噪聲系數(shù)、干擾影響、衰落儲備、Eb/No等因數(shù)，其具體分析見表1。

 

 

表1　無線覆蓋參數(shù)的設(shè)定

 

序號	項(xiàng)目內(nèi)容	典型值	備注
1	帶寬(HZ)	1228800	CDMA單載頻帶寬
2	Blotzman常數(shù)(w/(Hz*k))	1.38E-23	有單位常量
3	溫室(k)	290
4	基站噪聲系數(shù)(dB)	5	典型值
5	接收機(jī)干擾影響(dB)	4~6
6	軟切換增益(dB)	3~4
7	基站天線曾益(dBi)	9~17
8	饋線損耗(dB)	1~3
9	正態(tài)衰落儲備(dB)	9~11
10	建筑物穿透損耗(dB)	10~25	根據(jù)地形地物取值
11	Eb/N。(dB)	6~7
12	所需C/I(dB)	-14

　　其中帶寬和Boltzman常數(shù)為固定值，基站噪聲系數(shù)根據(jù)設(shè)備而定，干擾影響由網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)負(fù)載百分比取定，衰落儲備由無線信號邊緣覆蓋率給出，Eb/No根據(jù)話音質(zhì)量與FER的相應(yīng)關(guān)系綜合取定。

　　由于CDMA為寬帶系統(tǒng)，有較高的擴(kuò)頻增益，故當(dāng)C/I為負(fù)值時仍能得到好的服務(wù)質(zhì)量，這一點(diǎn)大大優(yōu)于傳統(tǒng)的GSM和模擬系統(tǒng)。在同等條件下，CDMA比GSM傳播距離要大1．3～2．1倍左右。對于大城市高話務(wù)密度區(qū)CDMA基站半徑最小可設(shè)置在300 m左右；對于郊區(qū)開闊地，應(yīng)充分發(fā)揮其覆蓋范圍大的特點(diǎn)，半徑可達(dá)50 km以上。表2給出了幾種不同地區(qū)的基站覆蓋半徑。

 

 

表2　各類地區(qū)的基站覆蓋半徑

 

區(qū)域	城市密集區(qū)	城區(qū)	郊區(qū)	鄉(xiāng)村	車輛
建筑物穿透損耗	18~25	15~20	10~15	10	6
CDMA基站半徑(km)	0.9	1.5	4.3	21.0	33.0

2．2　基站話務(wù)配置

 

 

　?。?） 基站容量的確定

 

 

　　確定CDMA基站容量的主要參數(shù)有：處理增益、Eb/No、話音激活因子、頻率復(fù)用系數(shù)，以及基站天線扇區(qū)數(shù)等。

 

 

　　對于單扇區(qū)單載頻的基站最大配置可為61個信道，目前工程上一般取值為全向23個，定向20個，見表3。

 

 

表3　典型站型容量配置表

 

	GOS=2%				GOS=5%
站型	信道數(shù)     (個)	話務(wù)量     (個)	用戶數(shù)     (個)	信道數(shù)     (個)		話務(wù)量     (Erl)	用戶數(shù)     (個)
O1	23	15.76	631	23		18.08	724
O2	46	36.53	1462	46		40.55	1622
1/1/1	20/20/20	39.54	1582	20/20/20		45.75	1830
2/2/2	40/40/40	93.00	3720	40/40/40		103.8	4152

　　由于CDMA基站扇區(qū)間的物理信道資源可以共享，所以在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行中，它所能處理的話務(wù)量，還要大于設(shè)計(jì)理論值，這是其它制式不具備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

 

 

　?。?） 話務(wù)配置

 

 

　　與GSM網(wǎng)相比，CDMA網(wǎng)基站的話務(wù)配置具有更大的靈活性，因此，它也是工程建設(shè)中的重點(diǎn)。首先，需對實(shí)地進(jìn)行詳細(xì)查勘，了解當(dāng)?shù)匾苿釉拕?wù)分布狀況；其次要利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件預(yù)測；最后根據(jù)預(yù)測結(jié)果，分配基站話務(wù)量。最終設(shè)計(jì)值與網(wǎng)絡(luò)開通后的實(shí)際話務(wù)量差值應(yīng)不超過30％。

 

 

2．3　干擾分析與協(xié)調(diào)

 

 

　　IS-95指定CDMA網(wǎng)所用頻段為：上行824～849 MHz、下行869～894 MHz。我國目前已建成的ETACS網(wǎng)使用的頻率正好為880～890 MHz，故未來建設(shè)的CDMA網(wǎng)必然會對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生很大的影響。這類干擾的存在是我國獨(dú)有的現(xiàn)象，在世界其他國家和地區(qū)，或因?yàn)闆]有采用ETACS制式，或因?yàn)闆]有使用CDMA技術(shù)，因而不存在此類現(xiàn)象。它的解決也是影響到CDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。

 

 

　　CDMA發(fā)端信號對ETACS收端的影響可用下式表示：

 

 

Pr＝Pt－LoA－Lb－10 lg（30 /25）

 

 

　　其中，Pt：CDMA單扇區(qū)輸出的最大功率；Pr：ETACS接收的信號強(qiáng)度；LoA：CDMA帶外損耗；Lb：CDMA、ETACS天線隔離度。

 

 

　　為保證不產(chǎn)生干擾，要求Pr 值小于ETACS接收機(jī)靈敏度，即調(diào)整天線隔離度，理論計(jì)算需達(dá)到86 dB以上。天線隔離度有水平、垂直和傾斜之分：

 

 

　　水平隔離度Lh＝22＋20lg10（d/λ）－（Gtx＋Grx）

 

 

　　垂直隔離度Lv＝28．0＋40lg10（d/λ）

 

 

　　傾斜隔離度Ls＝（Lv－Lh ）（θ/90）＋Lh

 

 

　　其中，d：天線水平間距（米）；Gtx、Grx：天線增益；θ：兩天線在垂直面內(nèi)的夾角。

 

 

　　要滿足隔離要求，CDMA與ETACS天線垂直間距應(yīng)大于6 m或水平間距保持在1 km以上。但實(shí)際傳播環(huán)境并非自由空間，由地形、地物和建筑物等引起的繞射損耗是理論無法計(jì)算的。要分析這些情況，還需要到現(xiàn)場對無線信號場強(qiáng)進(jìn)行測試。

 

 

　　在空間去耦的同時，還可以調(diào)整天線相對位置、使用干擾抵消器、采用波瓣較窄的天線等方法，來加大隔離度。但這些都不能保證從根本上解決干擾問題，最好的辦法是實(shí)行頻率協(xié)調(diào)，重新劃分這段頻率，并給予一定的保護(hù)帶寬。

 

 

2．4　PN-Offset的規(guī)劃

 

 

　　由于CDMA系統(tǒng)頻率復(fù)用系數(shù)約為1，所以它不需要進(jìn)行頻率規(guī)劃。但是在實(shí)際情況中會有一個潛在的問題，那就是：盡管所有的基站都使用不同的PN-Offset，然而在移動臺端看來，由于傳播時延（鄰PN-Phase干擾）和PN-Offset復(fù)用距離不夠（同PN-Phase干擾），就會使一些非相關(guān)的導(dǎo)頻信號看起來一樣。鄰PN-Offset干擾是影響大覆蓋區(qū)基站的主要因素，同PN-Offset干擾是影響小覆蓋區(qū)基站的主要因素。因此PN-Offset的規(guī)劃是CDMA系統(tǒng)特有的問題。

 

 

　　所有具有相同頻率但不同PN碼相位的導(dǎo)頻集有四種：有效導(dǎo)頻集、相鄰導(dǎo)頻集、侯選導(dǎo)頻集和剩余導(dǎo)頻集，PN-Offset干擾只會發(fā)生在前兩種導(dǎo)頻集中。

 

 

　?。?） 如果兩個相位上非相關(guān)的信道都落在同一有效導(dǎo)頻搜索窗口中，兩者都會成為三個最強(qiáng)信號中的一個，有效導(dǎo)頻集PN-Offset干擾就會發(fā)生。移動臺就會解擴(kuò)并合并非相關(guān)的前向業(yè)務(wù)信道信號。

 

 

　?。?） 如果一個遠(yuǎn)端業(yè)務(wù)信道落入相鄰導(dǎo)頻集，且它的Ec/Io＞T－add，相鄰導(dǎo)頻集PN-Offset干擾就會發(fā)生。移動臺就會切換到錯誤的導(dǎo)頻上，并解擴(kuò)錯誤的信號。

 

 

　　它們的共同結(jié)果是強(qiáng)干擾和掉話。

 

 

　　避免鄰PN-Offset干擾的方法是：

 

 

　?。灌廝N-Offset間的間隔比傳播時延造成的不同要大得多。

 

 

　　最小要求的間隔值 　　S［chip］≥R×［1021/10a －1］＋W/2

 

 

　　其中，R為小區(qū)半徑，單位為chip（1 chip＝244 m）；W為有效導(dǎo)頻窗口尺寸，單位為chip； a為路徑損耗指數(shù)。

 

 

　　．大的小區(qū)需要大的間隔，即增大相鄰小區(qū)PN碼的相位偏差。

 

 

　　避免同PN-Offset干擾的方法是：

 

 

　?。箓鞑r延造成的不同大于導(dǎo)頻搜索窗尺寸W的一半；

 

 

　?。甈N復(fù)用距離的最小值D應(yīng)滿足：D＞W(wǎng)/2＋2R。

 

 

2．5　軟切換區(qū)的設(shè)置

 

 

　　CDMA系統(tǒng)有硬切換、軟切換和更軟切換三種切換方式。硬切換只存在于不同載頻之間。所謂軟切換是指移動臺在切換過程中，在與新的基站建立聯(lián)系時，并不立即中斷與原有基站之間的通信，即“先接再斷”。目前，工作在同一載頻時，CDMA可實(shí)現(xiàn)BTS之間、BSC之間和MSC之間的軟切換。同一基站不同扇區(qū)之間的切換稱之為更軟切換。

 

 

　　在軟切換過程中，移動臺與不同基站建立聯(lián)系，始終保持不變的是最初建立呼叫所選用的聲碼器。因此，若聲碼器置于BSC內(nèi)，則在不同BSC之間需設(shè)置中繼直達(dá)電路，把聲碼器連接起來；若置于MSC內(nèi)，也需同樣處理。但由于MSC控制范圍大，內(nèi)部聲碼器數(shù)目多，故設(shè)置直連電路耗費(fèi)較大。一般采用ATM方式連接不同MSC，來實(shí)現(xiàn)它們之間的軟切換。從這點(diǎn)上講，BSC和MSC綜合設(shè)置可節(jié)省傳輸投資。

 

 

　　另一個重要方面就是軟切換區(qū)的設(shè)置。軟切換技術(shù)的引入確實(shí)降低了切換掉話率，提高了通信質(zhì)量。但為了實(shí)現(xiàn)軟切換，在基站配置時需專門拿出一些信道卡，來作為軟切換信道。因此，軟切換信道配置過多，勢必造成資源浪費(fèi)；過少則降低軟切換成功率。應(yīng)結(jié)合各地的實(shí)際特點(diǎn)，以及CDMA網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展規(guī)模，合理地設(shè)置軟切換區(qū)比例。工程上一般使之保持在30％～40％之間。

 

 

2．6　多載波的應(yīng)用

 

 

　　近年來由于移動用戶成倍增長，在一些大城市高話務(wù)地區(qū)，話務(wù)密度由原來的每平方公里幾個、十幾個爾朗，發(fā)展到幾十個、上百個。未來二三年內(nèi)將會更高。CDMA多載波技術(shù)的應(yīng)用是解決這么高的話務(wù)密度的重要方法。

 

 

　　因?yàn)镃DMA系統(tǒng)中多載波之間為硬切換，所以在多載波的設(shè)計(jì)中首先要考慮的因素就是如何減少硬切換。應(yīng)注意以下問題：

 

 

　?。?） 要優(yōu)化硬切換以減少發(fā)生掉話的危險；

 

 

　?。?） 避免多載波基站孤立，應(yīng)在一群小區(qū)中實(shí)施多載波以減少硬切換；

 

 

　　（3） 避免使高話務(wù)小區(qū)成為硬切換發(fā)生的邊界小區(qū)。

 

 

　　網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，應(yīng)盡量使多載波基站連片存在。在切換上，可采用偽導(dǎo)頻方法，即在多載波覆蓋區(qū)域邊緣，設(shè)置一些對多載波只發(fā)射導(dǎo)頻信號的基站。當(dāng)移動臺移至此處時，利用此導(dǎo)頻觸發(fā)軟切換，但采用其它載頻的業(yè)務(wù)信道，然后再將導(dǎo)頻信號切換到該載頻上，實(shí)際完成硬切換。處理多載波之間的硬切換還有環(huán)路觸發(fā)和判別FER等方法，可根據(jù)工程具體特點(diǎn)，靈活運(yùn)用。

 

 

2．7　直放站的應(yīng)用

 

 

　　移動通信直放站作為一種實(shí)現(xiàn)無線覆蓋的輔助技術(shù)手段，常用來解決基站難以覆蓋的盲區(qū)或?qū)⒒拘盘栠M(jìn)行延伸。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，它可以利用較少的投資，較短的周期，來迅速擴(kuò)大無線覆蓋范圍。它的設(shè)置應(yīng)充分考慮以下幾個環(huán)節(jié)：主要解決諸如郊縣主要交通公路、鐵路等狹長地形的覆蓋；對于基站載頻利用率不高的區(qū)域，可以通過直放站將富余的通信能力轉(zhuǎn)給需要的地方，提高設(shè)備利用率；盡量設(shè)在相對隔離區(qū)域，以免產(chǎn)生無線干擾；選擇合適的基站作為信號源。

 

 

　　在使用CDMA直放站時的注意事項(xiàng)有：

 

 

　?。?） 時延問題：直放站與信號源基站之間存在著4 ms時延，因此在設(shè)計(jì)其覆蓋范圍時，要同時考慮多徑引起的時延和固有時延，使之不超過一個碼片時間長度，才不會引起碼間串?dāng)_。

 

 

　　（2） 天線設(shè)置：直放站的引入會引起基站的背景噪聲增加，噪聲的增加量與直放站的噪聲系數(shù)、系統(tǒng)增益、天線增益和傳播損耗等參數(shù)有關(guān)。我們在考慮其覆蓋環(huán)境，使之具有一定的傳播損耗的同時，也需慎重選擇天線增益，從而使直放站的引入不會導(dǎo)致基站的通信質(zhì)量下降。

 

 

　?。?） 分集技術(shù)：對于多徑信號較多、移動用戶移動速度較快的地區(qū)，若采用直放站技術(shù)，則必須考慮使用分集天線系統(tǒng)，才能保證通話質(zhì)量，如高速公路地區(qū)；對于多徑信號較少、移動用戶移動速度較慢的地區(qū)，可以不必采用分集系統(tǒng)，如室內(nèi)分布系統(tǒng)。

 

 

2．8　其他問題

 

 

　　在移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，高話務(wù)熱點(diǎn)地區(qū)是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。CDMA網(wǎng)在進(jìn)一步縮小宏蜂窩基站半徑（已達(dá)到300 m）和采用多載波技術(shù)的同時，也可以使用微蜂窩、更多扇區(qū)和智能天線技術(shù)。由于CDMA系統(tǒng)共享同一載頻，所以對于微蜂窩的應(yīng)用，干擾控制是首要問題，可以利用建筑物來解決干擾，CDMA微蜂窩基站宜設(shè)在室內(nèi)、地下、隧道或地鐵等場所。

 

 

　　當(dāng)三扇區(qū)不能滿足容量要求時，若采用六扇區(qū)技術(shù)，可提高基站容量1．8倍。智能天線的引入，也可擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量1．3倍左右，同時也減少了無線信號干擾。

 

 

3、結(jié)束語

 

　　CDMA技術(shù)在我國的大規(guī)模商用，還處于初級階段，許多問題的研究與解決，還需要我們在實(shí)踐中不斷地學(xué)習(xí)和檢驗(yàn)。對于工程技術(shù)人員，進(jìn)一步地了解和掌握其工程特點(diǎn)，是提高CDMA技術(shù)和擴(kuò)大其市場的重要前提。