WCDMA链路预算的研究

【摘要】文章在实际规划工作的基础上,根据WCDMA无线网络规划的核心要求和技术特点对WCDMA链路预算中的特有问题进行了深入的分析和研究,并将其引入实际链路预算中,进一步验证了这些要素对链路预算合理性的影响,为WCDMA无线网络规划技术人员提供了参考。

【关键词】WCDMA 网络规划 链路预算 迭代计算 阴影衰落余量

1 前言

WCDMA无线网络规划的核心是:在控制干扰的前提下对覆盖、容量、网络质量进行平衡。无线网络估算是整个WCDMA无线网络规划的重要环节,通过链路预算结合覆盖容量的迭代运算,获得对未来网络的一个定性分析,得出网络的建设规模(基站大致数目和配置情况)。链路预算的输出结果是最大允许的传播路径损耗,据此可得到小区半径,进而可获得所需的站点数量。与基于TDMA的无线接入系统如GSM相比,在WCDMA链路预算中存在特有的问题:包括干扰余量、快衰落余量、发射功率上升和软切换增益,本文将对此进行深入的分析、研究。

2 WCDMA无线链路预算

2.1 上行链路预算

在上行链路预算中,干扰余量是小区负载的函数。系统中的小区负载越高,需要的上行干扰余量也越大,并且覆盖区域将收缩。为了简化上行负载的推导过程,假设:业务激活因子v=1;基站n从连接到其他小区的移动台接收到的功率Ioth与它从所有接入移动台接收到的功率Iown成比例(比例常数为i)关系;移动台k的业务速率为Rk,其Eb/N0要求为ρk、WCDMA码片速率为W,则移动台所接入的基站从第k个移动台接收到的信号功率至少满足:

其中,Kn是连接到基站n的移动台个数,N是一个空闲小区的噪声功率:

N=N0・W=Nf・k・T0・W (2)

其中,Nf是接收机的噪声系数,k是波兹曼常数(1.381×10-23J/K),T0 是绝对温度。

2.2 下行链路预算

下行估算遵循上行估算的方法。在一个选定的小区范围内,估算总的基站发射功率。在这个估算过程中,软切换连接必须考虑在内。如果功率超支了,就必须缩小小区覆盖范围或者减少小区内的用户数。

2.3 小区覆盖范围和小区覆盖区域估算

在一个小区的最大允许路径损耗已知的情况下,很容易利用已知的传播模型计算小区覆盖范围。由于会受到基站的距离、基站天线挂高、移动台天线高度和载波频率等因素的约束,因此传播模型的选择必须能够很好地描述覆盖区域的传播环境。在宏蜂窝环境下,Okusmura-Hata是一个具有代表意义的传播模型,计算公式如下:

Lp=138.5+35.7lgr (3)

其中Lp路径损耗,r是小区半径。

得到小区半径以后就可以计算得到小区的覆盖面积。六边形蜂窝布局的单小区覆盖面积可以根据下式计算:

S=Kr2 (4)

其中,S是覆盖面积,r是小区半径,K是常数。

3 实例分析

3.1 链路预算输入条件

本文实例分析是根据昆明地区WCDMA初期网络建设的要求,以商业运营为目标而进行的无线网络规划工作,用于指导1期WCDMA网络建设。无线网络规划的主要区域是昆明市市区,根据用户分布和无线环境的不同,将规划区域划分为普通城区和密集城区,其中普通城区71.28km2,密集城区13.50km2,共84.78km2。本次无线网络规划的目标要求如下:

(1)负荷因子(表1)

表1 负荷因子

区域类型 描述 上行负载因子 下行负载因子

密集城区 用户高度密集、话务量热点地区、数据服务要求高的地区,例如大城市密集城区、特殊地点(机场、车站)等 50% 75%

普通城区 用户密集、话务量较高、数据服务要求普通的地区 50% 75%

(2)不同业务及其承载速率(表2)

(3)GoS要求(表3)

(5)覆盖要求(表5)

在CS12.2K、CS64业务拥塞率

3.2 上行链路的迭代计算

由于2.1节的假设不存在信号的自干扰,并不完全适用于实际的多径传输环境,因此式(1)并不完全正确。就是说链路仿真得到的Eb/N0中(N0仅包括热噪声),可能考虑了多径干扰的影响。为了对式(1)进行修正,以等式的方式来解这个不等式,从而求解最小的接收功率要求(灵敏度)Pk:

如果式(5)根据连接到基站n的移动台数目进行累加,则可得:

其中,。

定义上行负载为:

修改式(7),使其包含扇区化影响(扇区化增益ζ、扇区数Ns)和业务激活因子vk:

上行链路迭代的目的是分配移动台的发射功率以及(干扰+噪声)的电平,使基站接收机灵敏度收敛,通过估计移动台的平均发射功率使得移动台能够满足基站的Eb/N0要求。移动台的平均发射功率根据基站的灵敏度、业务类型(数据速率)、移动台的速度以及移动台到基站的链路损耗,通过激活因子、软切换增益以及由于快速发射功率控制导致的平均功率提升等进行修正。上行链路负载对基站灵敏度(噪声提升)的影响通过(1-η)调整,负载η如式(8)中定义。将估计后的移动台平均发射功率与所允许的最大值进行比较,如果超过最大值,将进行频率间切换或者发生掉话。然后再重新进行干扰分析,获得新的负载和基站灵敏度,直到它们小于规定的门限。另外,如果小区的上行链路负载超过规定的门限,移动台将切换到另一载波或者发生掉话。

3.3 下行链路的迭代计算

与上行链路相似,下行链路迭代的目的是为移动台使用的每一条链路(包括软切换的连接)分配基站发射功率,直到所有的移动台都以需要的载噪比(C/I)接收信号。目标C/I定义如下:

其中Eb/N0 MS是MS在接收端需要的Eb/N0,取决于终端的速度和业务。MS m实际接收到的C/I为(C/I)m。采用最大比例合并进行计算,将MS m采用的所有链路k(=1,…,K)的C/I值求和,如下:

(10)

其中,Pk是基站建立链路k所需的总发射功率,Lpkm是小区k到移动台m的链路损耗,αk是特定小区的正交化因子,pkm是分配给从基站k到移动台m的链路的功率,Ioth,k是其它小区的干扰,Nm是背景噪声和移动台m的接收机噪声。初始发射功率根据得到的C/I与目标C/I值之间的差值进行反复调整,直到收敛。

3.4 干扰余量、快衰落余量估算

在上行的链路预算计算中,限制因素是移动台的发射功率,而下行链路预算的限制因素是所有基站的总发射功率。当服务区内上下行平衡时,必须同时考虑两条链路。在链路预算中考虑特定的负载η(上行或者下行)的干扰恶化余量如下:

L=10lg(1-η) (11)

快衰落余量或者功控余量是在WCDMA链路预算中的另一个特有问题。考虑处于不理想传播环境(如小区边缘)下的闭环快速功控,需要在移动台发射功率中预留足够的余量。这特别适用于步行用户,Eb/N0将为闭环快速功控保持更高的灵敏度。快速功控另一个大的影响是需要更高的平均发射功率。在移动台慢速移动时,功控可以跟踪信道衰落并提升平均发射功率。对本小区而言,这可以提供满意的接入质量,并且是无害的,因为额外提升的发射功率被信道衰落抵消了。但对邻区而言,这意味着干扰增强,因为信道的快衰落是不相关的。发射功率提升(TxPowerInc)通常会降低重用效率。在移动台发射功率显著提升的情况下,式(7)中的i将用(i・TxPowerInc)来替代[1]。