移动通信网络工程体系和优化再思考

摘要: 本文概述了当前移动通信网络规划和优化的必要性、特点、主要内容和方法，同时对未来移动通信网络的评估体系和优化做了一些探讨。为了提高移动通信系统的性能，通常需要在发射端进行分集。而移动通信中的发射分集一般需要在发射端使用多根天线，但许多无线设备因受尺寸或硬件复杂度的限制，一般只有单根天线。为此，有关专家提出了一种新的解决方法-协作通信。该方法使用带有一根天线的移动台，在多用户环境中可以共享其他移动用户的天线，这样可产生多根虚拟发射天线，进而得到相应的分集增益，改善移动通信系统的性能。

关键词: 移动通信网协作通信信道编码发射分集

中图分类号：S972.7+6 文献标识码：A 文章编号：

由于网络及技术的复杂性，以及实验室测试环境的限制，很多参数设置很难不在现场环境下就能准确地做出，也必须在实际的网络优化过程中加以调整。因此，通过网络优化将能适时调整解决不适应业务开展和不符合市场需要的问题，促使网络性能和服务质量的提升。

一、移动通信网络规划与优化的必要性与特点

当前移动通信网络无论是在网络架构还是在技术更新，都有了很大的变化。数据业务发展迅速,给网络的规划和优化带来很大的挑战。从市场情况看，用户数的迅速增加，使得其使用率增加，使用时间延长；同时业务种类丰富，个性化要求高，市场需求变化非常快，这样对网络的要求也日趋复杂。从网络角度看，由于频率资源的限制，使得网络频率复用度很高，这些都需要通过网络优化的手段加以逐步解决。终端的快速发展显得更加明显，终端已经不仅仅只是一个通信工具，利用移动终端作为上网、娱乐、工作甚至新的生活方式已经成为了一个主流方向。这种变化不仅仅体现在终端上，对网络也产生了影响。

移动通信网络一切做法都是围绕着覆盖、容量和质量来进行的。网络的规划和优化也是围绕着这三个维度来进行的。一般而言，网络的规划和优化遵循的原则是：综合建网或优化成本最低，盈利业务覆盖情况最好，网络有效容量最大，核心业务服务质量最优，网络未来可升级性最好，竞争力最强等。

二、移动通信网络规划与优化的主要内容

网络规划优化的主要内容就是如何合理有效地利用各种资源满足用户对网络性能的最高需求。例如天线资源，包括天线高度、位置、下倾角、方位角等；无线资源，包括承载信息的频率、码字、功率、时隙等；传输资源，包括接口带宽、传输路由等；网络资源，包括路由交换资源等。通常，一个完整的无线网络规划是由规划目标定义及需求分析（确定网络覆盖、容量与业务质量的各项指标），传播模型校正，无线网络的预规划（不使用网络规划工具，仅根据链路预算和容量估算对基站数目做粗略计算），站址初选和查勘，无线网络的详细规划（通过站址查勘，取得站址详细资料，输入到网络规划工具进行仿真）等几个阶段构成。而规划目标则按照覆盖、容量和质量的要求，主要包含连续覆盖业务要求、接入成功率、呼损率、覆盖指标和质量指标等。

无线网络优化的主要目标就是无限趋近网络的最佳工作状态，尽可能通过网络性能提高满足不断变化和发展的业务需求和用户需求，这是一个长期的、不断循环的过程，包括无线网络评测、无线网络数据采集、数据分析、制定优化方案、评估等几个步骤。

优化过程首先是根据定期进行的网络评测结果对网络质量进行评估，对网络的覆盖、容量和质量进行综合评价，找出网络中存在的问题进行网络优化。然后就是要建立网优平台，开始进行相关数据的采集。在获得数据之后，下一步就需要对数据进行分析，需要从宏观和微观的角度进行考虑，既要考察某个具体基站的运行状况，更要从全网的角度考察系统的性能。网络的覆盖与容量及其变化范围、变化趋势、波动情况不仅仅与用户的直接感受有关也是后期网络优化的依据。最后，还需要根据不同的网络情况制定相应的网络优化解决方法，主要是网络中各个厂家参数的配置和调整、优化方法，这些方法将对覆盖、容量和质量进行增强，满足相应的需求。对优化方案进行评定后就可以根据优化方案进行实施。网络优化解决方法在实际工作中将体现为网络优化建议，根据这些建议进行网络调整，并再次通过数据收集以确认这次网优的有效性和准确性，从而就形成了网优的成果，完成了一次网优过程。

无线网络优化技术是一个不断发展的过程，特别是随着 3G网络的建设，新的优化方法、优化软件也不断出现，以满足新技术网络和多网并存及干扰协调等方面的需要。总体来看，常规的网络评估和分析方法包括：根据网管话务统计对网络性能指标进行分析，对不同层次的网络单元负荷及其构成进行分析，切换与位置更新分析，小区通话流程分析， DT（驱车测试）， CQT（呼叫质量测试或定点网络质量测试），网络资源利用和瓶颈分析，建立符合实际情况的话务模型，容量预测等。还可以根据用户的投诉情况进行分析。优化手段包括参数优化，频率优化，容量优化，配置优化等。随着优化技术的发展，优化软件也应运而生，成为优化工作不可缺少的辅助手段。目前的优化软件大致有：路测数据分析软件，频率规划与优化软件，信令分析软件，话务统计数据处理软件，地理信息系统等。

三、移动通信网络规划与优化的新发展

逐步建立先进的自动路测系统和网优平台，以实现面向端到端服务质量和用户体验质量的优化。与传统的路测系统相比，该系统具有很强的实时性、准确性和低成本的优势。网优平台集成了大量的网优工具和软件，同时还积累了很多经验和数据库。通过网优平台，可以完成 MR、信令等网优数据的管理，支撑无线网络日常优化和网络结构优化专题分析等工作。网络优化的方法也将会随着网络的发展而不断创新，最终会使网络质量得到不断的提高。

1.移动通信网络中的协作通信

多输入多输出（MIMO）系统可以提供发射分集增益（Alamouti空时码），因此该技术得到愈来愈广泛的关注，并被纳入一些无线通信标准中。在蜂窝移动通信系统基站中，使用该技术可以获得发射分集增益，但由于受系统设备尺寸、硬件复杂度和成本等限制，移动台一般仅有单根天线。为此，本文介绍一种称作协作通信的新方法，该方法可以使具有单根天线的移动台获得类似 MIMO系统的增益。其基本思想是在多用户环境中，具有单根天线的移动台可以按一定方式共享彼此天线，从而产生虚拟MIMO系统，获得发射分集增益。

在协作无线通信中，主要考虑移动蜂窝网或Adhoc网，将移动台统称为用户，通过协作可以明显改善比特差错率、块差错率甚至中断概率等用户业务质量问题。在协作通信系统中，每个用户既要发送自己的数据，同时也要作为其他用户的协作。很明显，协作机制将导致码速率和发射功率的折衷。就功率而言，一方面，在进行协作通信时，由于每个用户既要发射自身数据，又要中继其他用户数据，所以需要更高功率；另一方面，由于产生了分集增益，每个用户基本发射功率可以适当减小。速率也存在同样问题，在协作通信时，虽然每个用户既要发送自身数据，又要中继其他伙伴数据，但由于产生了协作分集，每个用户的频谱效率都得到改善，信道码速率由此提高。这也形成了一个折衷。有人把协作通信看作功率和带宽的联合博弈。协作前提是对用户功率和带宽采取某种分配策略改善系统性能。在资源协作分配中，每个用户都为其他多个用户发送数据。

2.协作通信在很多方面与中继信道存在差异

首先，目前的研究集中在如何产生克服衰落的分集，其次，中继信道的中继目的是为了帮助主信道，协作通信整个系统资源是固定的，用户既是信息源又是中继者。下面介绍几种协作信号处理方法。

（1）检测转发机制:该方法与传统中继方法很接近。这里考虑两个用户伙伴相互协作情况，用户首先尝试检测出用户伙伴的数据比特，然后将检测出的比特重新发送。用户伙伴可以通过基站或其他技术进行指定。这样在实际中，每个用户都有一个伙伴为它提供第二条路径，从而形成分集。在第一和第二时间间隔内，每个用户都发送自己的比特信息和检测其他用户的第二比特;在第三时间间隔内，两个用户均发送自己第二比特和伙伴第二比特的线性组合。对于第一、二、三时间间隔，其发送功率可变，根据上行和用户信道之间的条件，可以对相关发射功率进行优化，该方法对信道状态具有自适应能力。

当用户之间信道状态较好时，将分配更多协作功率；反之，当用户之间信道状态不好时，将减小用户协作功率。这种信号处理机制非常简单，但还存在以下问题：一是用户对伙伴信号的检测可能失败，这时协作对在基站进行的最后检测是有害的；二是为了获得最优译码，基站需要知道用户之间信道的差错特性。

（2）放大转发机制:在该机制中，每个用户接收并放大其伙伴发送的带有噪声的信号，再将已放大的带有噪声的信号重新发送。基站对用户及其伙伴发送的数据进行合并判决。尽管协作者在放大信号的同时也放大了噪声，但基站能接收到两个独立的衰落信号，并能作出较好的判决。在放大转发机制中，如果用户间信道系数已知，就可以进行最优译码，所以该机制必须进行必要的信道估计和信息交换。对该机制而言，另一个挑战是对模拟信号进行抽样、放大和重传，但这种技术并不简单。总之，该机制还是较简单的协作机制，方便分析，对进一步理解后面的协作通信系统非常有帮助。

（3）编码协作机制:编码协作机制是信道编码思想和协作的综合。编码协作机制通过两条独立的衰落信道发送每个用户码字的不同部分，其基本思想是每个用户都将增加的冗余信息发送给其伙伴。当他们之间的信道非常恶劣时，该机制自动恢复到非协作模式。该机制的突出特点是通过信道协作编码设计实现，无须用户之间的反馈。

用户发送的源数据包括有效信息和循环冗余校验（CRC）信息。在编码协作机制中，每个用户数据发送周期都分为两个阶段，每个阶段称为一帧。通常，各种信道编码方法都可以用于编码协作网络中。

系统仿真采用二进制移相键控（BPSK），接收机采用相干检测。编码协作机制采用信道编码，为了相对公平，需考虑码率为1/4的编码系统在无协作、放大转发机制、检测转发机制和编码协作机制等各种协作机制下的性能。

对于检测转发机制和放大转发机制，用户通过凿孔来发送码率为1/2的RCPC码字。该码字随后被中继重复，这样整个系统码率就为1/4。对于编码协作机制，其协作水平为

1/4。通过凿孔，两个用户在第一帧的发送码率为1/3；在第二帧，发送在第一帧被凿掉的比特，这样所有用户的码率都是 1/4。

通过协作在高SNR时可以明显改善系统性能，能提供分集，分集阶数为误块率对 SNR的斜率，它等价于两根发射天

线和单根接收天线所产生的分集。仿真还能说明协作通信的健壮性，即使用户间的信道非常恶劣，通过协作仍能明显改善系统性能。两个用户性能差别明显减小，表明协作能以更有效的方式分配资源。

通过对几种协作方式的比较，发现在低 SNR时，放大转发机制和编码协作机制效率都不高，这是由于此时系统相当于重复编码，编码协作机制的性能与未协作系统的性能相差不多；在中、高 SNR时，编码协作机制的性能远优于其他协作机制。

由上述分析可知，协作通信具有很多优点，但目前还有一些问题尚待研究。在多用户网络中，合作伙伴如何分配和管理是一个重要问题，即怎样确定哪些用户进行协作，多长时间对合作用户进行重新分配。对于蜂窝系统，用户都与一个中心基站通信，这样可以提供一种集中控制机制。假设基站已知用户间的所有信道信息，那么就可以根据性能优化标准分配合作伙伴。对于 Ad hoc类的非集中控制网络，需要一个分布式协作协议，用户可以在任意时间独立地决定与哪个用户协作，这种分布式协议的难点是在不增加额外系统资源前提下，如何保证所有用户的公平性。另一个重要问题是对于协作传输如何进行功率控制。目前的研究一般假设用户发射功率相同。 CDMA系统的功率控制对于克服远近效应和减小干扰非常关键，因此，对于协作网络，功率控制机制非常重要。

作者简介：蒋胜蓝（1977.7出生）、男、民族（汉族可省略），籍贯（浙江杭州）、现任杭州锋福网络技术有限公司执行总监职务、工程师职称、工学学士学位、研究方向（移动通信网络工程、无线移动网络及微波通信）。