窄带CDMA无线网络的规划和设计

1、引言
 

 

　　近10年来，移动通信用户以每年递增80％～200％的速度扩大规模。据此分析，到2000年，中国的移动用户将达到3 000万户，占世界移动用户总数的10％左右。迅速增长的网络容量，与有限的频率资源之间的矛盾，越来越突出地显现出来。

 

 

　　而CDMA技术具有用户容量大、覆盖范围广、话音质量好等特点，从而赢得了广大消费者及运营商的青睐，在世界各地也得到了越来越广泛的应用。截至1999年6月，全球CDMA网络移动用户已超过3 000万户。1996年，我国首先在北京、上海、广州和西安四城市进行了CDMA网的商用试验。根据试验效果以及市场需求，目前有可能建设大规模的商用网。

 

 

2、无线网络规划

 

 

　　移动通信网的工程建设大致可分为6个步骤：拟定网络需达到的覆盖指标和话务要求；初步网络规划；基站站址现场勘察；修正网络规划，完成工程设计；系统调测和网络优化；根据优化结果或网络扩容要求，返回第一步。CDMA网络的设计同样遵循这个步骤，但在很多方面又区别于GSM和TACS网。

 

 

2．1　无线覆盖

 

 

　　CDMA网络的无线覆盖主要取决于设备噪声系数、干扰影响、衰落储备、Eb/No等因数，其具体分析见表1。

 

 

表1　无线覆盖参数的设定

 

序号	项目内容	典型值	备注
1	带宽(HZ)	1228800	CDMA单载频带宽
2	Blotzman常数(w/(Hz*k))	1.38E-23	有单位常量
3	温室(k)	290
4	基站噪声系数(dB)	5	典型值
5	接收机干扰影响(dB)	4~6
6	软切换增益(dB)	3~4
7	基站天线曾益(dBi)	9~17
8	馈线损耗(dB)	1~3
9	正态衰落储备(dB)	9~11
10	建筑物穿透损耗(dB)	10~25	根据地形地物取值
11	Eb/N。(dB)	6~7
12	所需C/I(dB)	-14

　　其中带宽和Boltzman常数为固定值，基站噪声系数根据设备而定，干扰影响由网络设计负载百分比取定，衰落储备由无线信号边缘覆盖率给出，Eb/No根据话音质量与FER的相应关系综合取定。

　　由于CDMA为宽带系统，有较高的扩频增益，故当C/I为负值时仍能得到好的服务质量，这一点大大优于传统的GSM和模拟系统。在同等条件下，CDMA比GSM传播距离要大1．3～2．1倍左右。对于大城市高话务密度区CDMA基站半径最小可设置在300 m左右；对于郊区开阔地，应充分发挥其覆盖范围大的特点，半径可达50 km以上。表2给出了几种不同地区的基站覆盖半径。

 

 

表2　各类地区的基站覆盖半径

 

区域	城市密集区	城区	郊区	乡村	车辆
建筑物穿透损耗	18~25	15~20	10~15	10	6
CDMA基站半径(km)	0.9	1.5	4.3	21.0	33.0

2．2　基站话务配置

 

 

　　（1） 基站容量的确定

 

 

　　确定CDMA基站容量的主要参数有：处理增益、Eb/No、话音激活因子、频率复用系数，以及基站天线扇区数等。

 

 

　　对于单扇区单载频的基站最大配置可为61个信道，目前工程上一般取值为全向23个，定向20个，见表3。

 

 

表3　典型站型容量配置表

 

	GOS=2%				GOS=5%
站型	信道数     (个)	话务量     (个)	用户数     (个)	信道数     (个)		话务量     (Erl)	用户数     (个)
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基站扇区间的物理信道资源可以共享，所以在网络实际运行中，它所能处理的话务量，还要大于设计理论值，这是其它制式不具备的独特优点。

 

 

　　（2） 话务配置

 

 

　　与GSM网相比，CDMA网基站的话务配置具有更大的灵活性，因此，它也是工程建设中的重点。首先，需对实地进行详细查勘，了解当地移动话务分布状况；其次要利用先进的网络规划软件预测；最后根据预测结果，分配基站话务量。最终设计值与网络开通后的实际话务量差值应不超过30％。

 

 

2．3　干扰分析与协调

 

 

　　IS-95指定CDMA网所用频段为：上行824～849 MHz、下行869～894 MHz。我国目前已建成的ETACS网使用的频率正好为880～890 MHz，故未来建设的CDMA网必然会对现有网络产生很大的影响。这类干扰的存在是我国独有的现象，在世界其他国家和地区，或因为没有采用ETACS制式，或因为没有使用CDMA技术，因而不存在此类现象。它的解决也是影响到CDMA网络建设的关键问题之一。

 

 

　　CDMA发端信号对ETACS收端的影响可用下式表示：

 

 

Pr＝Pt－LoA－Lb－10 lg（30 /25）

 

 

　　其中，Pt：CDMA单扇区输出的最大功率；Pr：ETACS接收的信号强度；LoA：CDMA带外损耗；Lb：CDMA、ETACS天线隔离度。

 

 

　　为保证不产生干扰，要求Pr 值小于ETACS接收机灵敏度，即调整天线隔离度，理论计算需达到86 dB以上。天线隔离度有水平、垂直和倾斜之分：

 

 

　　水平隔离度Lh＝22＋20lg10（d/λ）－（Gtx＋Grx）

 

 

　　垂直隔离度Lv＝28．0＋40lg10（d/λ）

 

 

　　倾斜隔离度Ls＝（Lv－Lh ）（θ/90）＋Lh

 

 

　　其中，d：天线水平间距（米）；Gtx、Grx：天线增益；θ：两天线在垂直面内的夹角。

 

 

　　要满足隔离要求，CDMA与ETACS天线垂直间距应大于6 m或水平间距保持在1 km以上。但实际传播环境并非自由空间，由地形、地物和建筑物等引起的绕射损耗是理论无法计算的。要分析这些情况，还需要到现场对无线信号场强进行测试。

 

 

　　在空间去耦的同时，还可以调整天线相对位置、使用干扰抵消器、采用波瓣较窄的天线等方法，来加大隔离度。但这些都不能保证从根本上解决干扰问题，最好的办法是实行频率协调，重新划分这段频率，并给予一定的保护带宽。

 

 

2．4　PN-Offset的规划

 

 

　　由于CDMA系统频率复用系数约为1，所以它不需要进行频率规划。但是在实际情况中会有一个潜在的问题，那就是：尽管所有的基站都使用不同的PN-Offset，然而在移动台端看来，由于传播时延（邻PN-Phase干扰）和PN-Offset复用距离不够（同PN-Phase干扰），就会使一些非相关的导频信号看起来一样。邻PN-Offset干扰是影响大覆盖区基站的主要因素，同PN-Offset干扰是影响小覆盖区基站的主要因素。因此PN-Offset的规划是CDMA系统特有的问题。

 

 

　　所有具有相同频率但不同PN码相位的导频集有四种：有效导频集、相邻导频集、侯选导频集和剩余导频集，PN-Offset干扰只会发生在前两种导频集中。

 

 

　　（1） 如果两个相位上非相关的信道都落在同一有效导频搜索窗口中，两者都会成为三个最强信号中的一个，有效导频集PN-Offset干扰就会发生。移动台就会解扩并合并非相关的前向业务信道信号。

 

 

　　（2） 如果一个远端业务信道落入相邻导频集，且它的Ec/Io＞T－add，相邻导频集PN-Offset干扰就会发生。移动台就会切换到错误的导频上，并解扩错误的信号。

 

 

　　它们的共同结果是强干扰和掉话。

 

 

　　避免邻PN-Offset干扰的方法是：

 

 

　　．使邻PN-Offset间的间隔比传播时延造成的不同要大得多。

 

 

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

 

 

　　其中，R为小区半径，单位为chip（1 chip＝244 m）；W为有效导频窗口尺寸，单位为chip； a为路径损耗指数。

 

 

　　．大的小区需要大的间隔，即增大相邻小区PN码的相位偏差。

 

 

　　避免同PN-Offset干扰的方法是：

 

 

　　．使传播时延造成的不同大于导频搜索窗尺寸W的一半；

 

 

　　．PN复用距离的最小值D应满足：D＞W/2＋2R。

 

 

2．5　软切换区的设置

 

 

　　CDMA系统有硬切换、软切换和更软切换三种切换方式。硬切换只存在于不同载频之间。所谓软切换是指移动台在切换过程中，在与新的基站建立联系时，并不立即中断与原有基站之间的通信，即“先接再断”。目前，工作在同一载频时，CDMA可实现BTS之间、BSC之间和MSC之间的软切换。同一基站不同扇区之间的切换称之为更软切换。

 

 

　　在软切换过程中，移动台与不同基站建立联系，始终保持不变的是最初建立呼叫所选用的声码器。因此，若声码器置于BSC内，则在不同BSC之间需设置中继直达电路，把声码器连接起来；若置于MSC内，也需同样处理。但由于MSC控制范围大，内部声码器数目多，故设置直连电路耗费较大。一般采用ATM方式连接不同MSC，来实现它们之间的软切换。从这点上讲，BSC和MSC综合设置可节省传输投资。

 

 

　　另一个重要方面就是软切换区的设置。软切换技术的引入确实降低了切换掉话率，提高了通信质量。但为了实现软切换，在基站配置时需专门拿出一些信道卡，来作为软切换信道。因此，软切换信道配置过多，势必造成资源浪费；过少则降低软切换成功率。应结合各地的实际特点，以及CDMA网络的建设和发展规模，合理地设置软切换区比例。工程上一般使之保持在30％～40％之间。

 

 

2．6　多载波的应用

 

 

　　近年来由于移动用户成倍增长，在一些大城市高话务地区，话务密度由原来的每平方公里几个、十几个尔朗，发展到几十个、上百个。未来二三年内将会更高。CDMA多载波技术的应用是解决这么高的话务密度的重要方法。

 

 

　　因为CDMA系统中多载波之间为硬切换，所以在多载波的设计中首先要考虑的因素就是如何减少硬切换。应注意以下问题：

 

 

　　（1） 要优化硬切换以减少发生掉话的危险；

 

 

　　（2） 避免多载波基站孤立，应在一群小区中实施多载波以减少硬切换；

 

 

　　（3） 避免使高话务小区成为硬切换发生的边界小区。

 

 

　　网络规划时，应尽量使多载波基站连片存在。在切换上，可采用伪导频方法，即在多载波覆盖区域边缘，设置一些对多载波只发射导频信号的基站。当移动台移至此处时，利用此导频触发软切换，但采用其它载频的业务信道，然后再将导频信号切换到该载频上，实际完成硬切换。处理多载波之间的硬切换还有环路触发和判别FER等方法，可根据工程具体特点，灵活运用。

 

 

2．7　直放站的应用

 

 

　　移动通信直放站作为一种实现无线覆盖的辅助技术手段，常用来解决基站难以覆盖的盲区或将基站信号进行延伸。在网络建设初期，它可以利用较少的投资，较短的周期，来迅速扩大无线覆盖范围。它的设置应充分考虑以下几个环节：主要解决诸如郊县主要交通公路、铁路等狭长地形的覆盖；对于基站载频利用率不高的区域，可以通过直放站将富余的通信能力转给需要的地方，提高设备利用率；尽量设在相对隔离区域，以免产生无线干扰；选择合适的基站作为信号源。

 

 

　　在使用CDMA直放站时的注意事项有：

 

 

　　（1） 时延问题：直放站与信号源基站之间存在着4 ms时延，因此在设计其覆盖范围时，要同时考虑多径引起的时延和固有时延，使之不超过一个码片时间长度，才不会引起码间串扰。

 

 

　　（2） 天线设置：直放站的引入会引起基站的背景噪声增加，噪声的增加量与直放站的噪声系数、系统增益、天线增益和传播损耗等参数有关。我们在考虑其覆盖环境，使之具有一定的传播损耗的同时，也需慎重选择天线增益，从而使直放站的引入不会导致基站的通信质量下降。

 

 

　　（3） 分集技术：对于多径信号较多、移动用户移动速度较快的地区，若采用直放站技术，则必须考虑使用分集天线系统，才能保证通话质量，如高速公路地区；对于多径信号较少、移动用户移动速度较慢的地区，可以不必采用分集系统，如室内分布系统。

 

 

2．8　其他问题

 

 

　　在移动通信网络设计中，高话务热点地区是设计的难点和重点。CDMA网在进一步缩小宏蜂窝基站半径（已达到300 m）和采用多载波技术的同时，也可以使用微蜂窝、更多扇区和智能天线技术。由于CDMA系统共享同一载频，所以对于微蜂窝的应用，干扰控制是首要问题，可以利用建筑物来解决干扰，CDMA微蜂窝基站宜设在室内、地下、隧道或地铁等场所。

 

 

　　当三扇区不能满足容量要求时，若采用六扇区技术，可提高基站容量1．8倍。智能天线的引入，也可扩大网络容量1．3倍左右，同时也减少了无线信号干扰。

 

 

3、结束语

 

　　CDMA技术在我国的大规模商用，还处于初级阶段，许多问题的研究与解决，还需要我们在实践中不断地学习和检验。对于工程技术人员，进一步地了解和掌握其工程特点，是提高CDMA技术和扩大其市场的重要前提。