CDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃覆蓋分析的仿真技術(shù)研究

摘要：CDMA網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、容量和質(zhì)量不是相互孤立而是互相制約的，從而導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的復(fù)雜性。針對(duì)CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋的復(fù)雜特點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的覆蓋分析做了詳細(xì)的研究，在仿真關(guān)鍵參數(shù)導(dǎo)頻強(qiáng)度設(shè)置上提出了一些新的方法，最后在U-NET仿真系統(tǒng)中對(duì)提出的方法進(jìn)行分析比較，實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加到設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，仍然不用對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量的調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)也不會(huì)出現(xiàn)覆蓋空洞，用戶(hù)依然能夠比較正常地進(jìn)行通話(huà)，保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；覆蓋分析；鏈路參數(shù)；仿真參數(shù)

0 引言
    網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的重要步驟，也是衡量一個(gè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣的關(guān)鍵。CDMA網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、容量和質(zhì)量不是相互孤立的，而是互相制約的，從而導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的復(fù)雜性。覆蓋分析首先要是要進(jìn)行鏈路預(yù)算，其次必須進(jìn)行規(guī)劃區(qū)域的劃分，根據(jù)不同的區(qū)域特點(diǎn)選擇正確的傳播模型，最后在得到的小區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行業(yè)務(wù)建模和業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)，可以判斷是覆蓋受限還是容量受限，最后確定小區(qū)的覆蓋范圍。
    本文研究了CDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能模擬CDMA網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)機(jī)制，通過(guò)前反向鏈路的功率控制自行調(diào)節(jié)將干擾最小化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的最大化和覆蓋的最優(yōu)化。對(duì)CDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的關(guān)鍵參數(shù)提出了新的方法，分析了仿真結(jié)果并做了分析比較。實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加到設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，仍然不用對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量的調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)也不會(huì)出現(xiàn)覆蓋空洞，用戶(hù)依然能夠比較正常地進(jìn)行通話(huà)，并保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

1 覆蓋分析基本方法
    覆蓋分析一般分三步進(jìn)行：調(diào)查并對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行區(qū)分；進(jìn)行鏈路預(yù)算；選擇傳播模型。結(jié)合覆蓋區(qū)域的容量需求仿真得出網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。
    規(guī)劃區(qū)域劃分：不同的覆蓋區(qū)域有不同的覆蓋策略和要求，所以首先對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境可分為密集市區(qū)、市區(qū)、郊區(qū)(鄉(xiāng)鎮(zhèn))和農(nóng)村四大類(lèi)。除了上述四大基本區(qū)域類(lèi)型外，還有山地、林區(qū)、湖泊、海面、島嶼等特殊地形，由于各種地形的無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境千差萬(wàn)別，可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
    鏈路預(yù)算：對(duì)通信鏈路中的增益與損耗進(jìn)行核算。即計(jì)算在一個(gè)呼叫連接中、保持一定呼叫質(zhì)量下，鏈路所允許的最大傳播損耗。通過(guò)鏈路預(yù)算考慮上行鏈路和下行鏈路之間的傳播損耗差異，很顯然實(shí)際的覆蓋范圍應(yīng)由覆蓋較差的一方?jīng)Q定。因此一個(gè)優(yōu)良的系統(tǒng)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)就要做好鏈路預(yù)算，使覆蓋區(qū)內(nèi)的反向信號(hào)與前向信號(hào)達(dá)到平衡。在CDMA無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)前向鏈路預(yù)算進(jìn)行估算意義不大，因?yàn)榍跋蜴溌奉A(yù)算不可預(yù)測(cè)因素較多，而在反向鏈路預(yù)算中各種因素或?yàn)橐阎蚩蓽?zhǔn)確估計(jì)，因此結(jié)果較為可靠。一般來(lái)講CDMA系統(tǒng)主要是反向受限，計(jì)算反向鏈路更有實(shí)際意義，則反向最大損耗為：
   
    式中：Mf為陰影衰落余量；MI干擾余量；Lp為地物損耗；Lb為人體損耗。在特定的環(huán)境和上述參數(shù)采用缺省設(shè)置時(shí)，可變的是干擾余量MI(與系統(tǒng)容量相關(guān))，反向鏈路最大損耗會(huì)隨著干擾余量的改變而變化。CDMA系統(tǒng)是一個(gè)白干擾系統(tǒng)，干擾余量表示CDMA系統(tǒng)自身的干擾使背景噪聲提高的程度，以dB表示為：
   
    下面給出對(duì)于幾個(gè)不同的負(fù)載因子的干擾余量取值：μ=50％，MI=3 dB；μ=60％，MI=4 dB；μ=75％，MI=6 dB。本文采用的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載因子為75％。
    傳播模型的選擇：傳播模型是移動(dòng)通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)，模型的準(zhǔn)確與否關(guān)系到小區(qū)規(guī)劃是否合理，運(yùn)營(yíng)商是否以比較經(jīng)濟(jì)合理的投資滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求。多數(shù)模型是預(yù)期無(wú)線(xiàn)電波傳播路徑上的路徑損耗的，所以傳播環(huán)境對(duì)無(wú)線(xiàn)傳播模型的建立起關(guān)鍵作用。
    Okumura-Hata模型最為常用，根據(jù)Okumura曲線(xiàn)圖所做的經(jīng)驗(yàn)公式，該模型由在日本測(cè)得的平均測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)成，其頻率范圍為150～1 500 MHz。市區(qū)的路徑損耗中值可以用下面的近似解析式表示：
   
    式中：f為載波頻率；hb為基站天線(xiàn)高度；hm為移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)高度；d為收發(fā)距離；a(hm)為增益校正因子。
    該模型采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法分為市區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村三種情況考慮，并對(duì)這三種不同地區(qū)修正模型增益校正因子。在使用該模型時(shí)要結(jié)合本地的地形地物特性做修正。

2 仿真關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置
    對(duì)CDMA這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，影響因素眾多且相互制約，理論上的覆蓋預(yù)測(cè)值往往誤差較大，而采用系統(tǒng)仿真則能夠通過(guò)模擬系統(tǒng)工作過(guò)程，得到滿(mǎn)足容量需求的覆蓋結(jié)果，合理估計(jì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和投資規(guī)模，指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)商在容量、覆蓋、質(zhì)量三者間尋求最佳點(diǎn)。華為的U-Net仿真系統(tǒng)能仿真這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)機(jī)制。本文采用仿真的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行覆蓋分析，在仿真關(guān)鍵參數(shù)導(dǎo)頻強(qiáng)度的設(shè)置上提出了一些方法。
    Ec／Io：這是一個(gè)反映手機(jī)端當(dāng)前接收的導(dǎo)頻信號(hào)(Pilot)的水平，反映了手機(jī)在這一點(diǎn)上多路導(dǎo)頻信號(hào)的整體覆蓋水平，Ec／Io越大，說(shuō)明有用信號(hào)的比例越大。
    網(wǎng)絡(luò)的覆蓋規(guī)劃通常是在建設(shè)前期預(yù)測(cè)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能否滿(mǎn)足容量需求。本文首先考慮網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃在空載時(shí)設(shè)置的導(dǎo)頻強(qiáng)度，通過(guò)工程容量設(shè)置，計(jì)算證明在后期的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段能滿(mǎn)足用戶(hù)需求。在系統(tǒng)空載時(shí)取不同導(dǎo)頻比例，地物損耗取值在0～25 dB之間變化的情況時(shí)，覆蓋規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)Ec／Io值變化如圖1所示。

    從圖1可以看出，在規(guī)劃中的網(wǎng)絡(luò)空載期，當(dāng)在覆蓋區(qū)域測(cè)試時(shí)只要地物損耗小于15 dB時(shí)，取的覆蓋標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該為-7 dB。當(dāng)基站與測(cè)試地點(diǎn)之間的地物損耗大于15 dB時(shí)，小區(qū)邊緣的導(dǎo)頻強(qiáng)度惡化的速度加快。規(guī)劃時(shí)用75％反向負(fù)荷，計(jì)算出小區(qū)邊緣，導(dǎo)頻如表1所示。

    以上的計(jì)算以及分析給出了一個(gè)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的一個(gè)依據(jù)，在規(guī)劃時(shí)期只要測(cè)試得到收發(fā)之間的地物損耗小于15 dB時(shí)，通過(guò)天饋調(diào)整只要保證小區(qū)邊緣Ec／Io接近-7 dB左右，就可保證當(dāng)網(wǎng)絡(luò)容量增加到設(shè)計(jì)容量時(shí)，既不用對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量的RF調(diào)整也能保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，從而可以減輕以后優(yōu)化工作的強(qiáng)度。

3 建立仿真
    對(duì)仿真參數(shù)分析后必須建立仿真，網(wǎng)絡(luò)仿真的意義在于對(duì)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的工程指導(dǎo)作用。作為必要的輸入條件，通常需要獲取被規(guī)劃區(qū)域的無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境、基站參數(shù)(信道配置、饋線(xiàn)／天線(xiàn)等)、傳播模型、話(huà)務(wù)模型等信息，其中以話(huà)務(wù)模型的建立尤為關(guān)鍵。輸入?yún)?shù)越精確，對(duì)提高規(guī)劃結(jié)果的可信度越有利。

3．1 建立話(huà)務(wù)模型
    CDMA網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)覆蓋范圍取決于前向和反向鏈路空中接口的話(huà)務(wù)，話(huà)務(wù)建模的邏輯圖如圖2所示。

    業(yè)務(wù)類(lèi)型：共有Voice，1X-Data EV-DO三種。移動(dòng)類(lèi)型：根據(jù)用戶(hù)不同的移動(dòng)速度設(shè)置三個(gè)門(mén)限值：T—add；T—Drop；上行最小EC／NT值。用戶(hù)行為：設(shè)置不同類(lèi)型用戶(hù)的ERL。話(huà)務(wù)環(huán)境：根據(jù)地域環(huán)境設(shè)置不同的話(huà)務(wù)環(huán)境Dense Urban，Urban，Suburban，Rural，根據(jù)不同的話(huà)務(wù)環(huán)境分配不同的用戶(hù)密度。
    本文根據(jù)實(shí)際工程從某地市網(wǎng)管得到的話(huà)務(wù)量數(shù)據(jù)設(shè)置話(huà)務(wù)模型參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)如表2所示。

3．2 仿真流程
    在仿真操作中，首先如上所述輸入必要的仿真條件，然后在電子地圖上用不同的多邊形劃分不同類(lèi)型的規(guī)劃區(qū)域，如密集城區(qū)、一般城區(qū)等，計(jì)算輸入規(guī)劃區(qū)各種業(yè)務(wù)的話(huà)務(wù)量，并將相應(yīng)數(shù)量的各種業(yè)務(wù)終端按一定的權(quán)重撒入規(guī)劃區(qū)的各種地物之上，即可開(kāi)始迭代仿真。最終輸出運(yùn)營(yíng)商所關(guān)注的各種網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，如覆蓋范圍和覆蓋概率、導(dǎo)頻污染等。由于有詳實(shí)的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)做參考，這樣使運(yùn)營(yíng)商能全面、透徹地了解未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，從而針對(duì)性地開(kāi)展建網(wǎng)工作。
    U-Net系統(tǒng)是根據(jù)Monte-Carlo算法進(jìn)行仿真的，根據(jù)話(huà)務(wù)地圖中的手機(jī)用戶(hù)數(shù)量和密度，隨機(jī)地在地圖上分配用戶(hù)的位置及用戶(hù)行為，然后進(jìn)行前反向鏈路平衡控制，判斷擁塞與無(wú)線(xiàn)資源控制是否收斂，如果收斂則完成一次仿真，否則重新分配用戶(hù)，直到收斂為止。

4 仿真結(jié)果分析
    下面從小區(qū)覆蓋導(dǎo)頻強(qiáng)度和小區(qū)邊緣覆蓋率兩個(gè)方面驗(yàn)證本文提出的仿真技術(shù)參數(shù)設(shè)置新方法。
4．1 小區(qū)覆蓋導(dǎo)頻強(qiáng)度分析
    某市的小區(qū)覆蓋導(dǎo)頻強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖3所示，接收導(dǎo)頻Ec／Io反應(yīng)出網(wǎng)絡(luò)在空載階段和達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷階段下的覆蓋質(zhì)量和干擾水平。本文采用的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載因子為75％。

    在工程仿真中，取空載時(shí)小區(qū)邊緣的導(dǎo)頻強(qiáng)度的覆蓋標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該為-7 dB，從表3中看出網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃空載期的導(dǎo)頻強(qiáng)度大于-7 dB達(dá)到97．6％以上，這時(shí)可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)調(diào)整好了。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求，在網(wǎng)絡(luò)達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷階段要求Ec／Io高于-12 dB的區(qū)域占總規(guī)劃區(qū)域的95％以上?？梢钥闯?，接收導(dǎo)頻的Ec／Io高于-12 dB的區(qū)域占總規(guī)劃區(qū)域的98．7％，沒(méi)有出現(xiàn)覆蓋空洞，滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)需求。

4．2 小區(qū)邊緣覆蓋分析
    某市的小區(qū)邊緣反向覆蓋仿真圖如圖4所示。

    決定覆蓋質(zhì)量一個(gè)重要指標(biāo)就是小區(qū)邊緣覆蓋率，定義為：在小區(qū)邊緣接收信號(hào)大于接收門(mén)限的百分比。本文中的小區(qū)邊緣的定義：小區(qū)負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)，由前反向受限方確定的覆蓋半徑處。
    在工程仿真設(shè)置中，空載時(shí)要求小區(qū)邊緣的最低Ec／Io為-7 dB，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)小區(qū)邊緣要求的最低Ec／Io為-12 dB，解調(diào)門(mén)限Eb／Nt根據(jù)不同的業(yè)務(wù)速率、移動(dòng)性設(shè)置，對(duì)于IS-95的9．6 Kb／s語(yǔ)音方案，7 dB是一個(gè)業(yè)界公認(rèn)的值。

    從表4中看出網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段空載期的小區(qū)邊緣覆蓋率大于70％的地區(qū)達(dá)到99．3％以上，這時(shí)可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)調(diào)整好了。在網(wǎng)絡(luò)達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷階段，小區(qū)邊緣覆蓋要確保話(huà)務(wù)繁忙時(shí)的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求，要求在網(wǎng)絡(luò)達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷階段小區(qū)邊緣覆蓋率高于70％的區(qū)域占總規(guī)劃區(qū)域的95％以上?？梢钥闯觯^(qū)邊緣覆蓋率高于70 9／6的區(qū)域占總規(guī)劃區(qū)域的98．1％，滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)需求。

5 結(jié)論
    由于CDMA技術(shù)自身所具備的諸多特性是互相關(guān)聯(lián)和影響的，從而決定了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的算法設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃各個(gè)階段都需要仿真技術(shù)做預(yù)測(cè)分析。本文針對(duì)CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋的復(fù)雜特點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃中的覆蓋分析做了詳細(xì)的研究，在仿真關(guān)鍵參數(shù)核心步驟上提出了一些新的方法，最后在U-Net仿真系統(tǒng)中對(duì)提出的方法進(jìn)行分析比較，實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加到設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，仍然不用對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量的RF調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)也不會(huì)出現(xiàn)覆蓋空洞，用戶(hù)依然能夠比較正常地進(jìn)行通話(huà)保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。通過(guò)分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證了本文提出的方法可以滿(mǎn)足預(yù)計(jì)網(wǎng)絡(luò)容量下的覆蓋需求。