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宏蜂窝
宏蜂窝指的是天线高过其主要覆盖区域内的所有障碍物(建筑物)的平均高度。
这种小区可以提供优秀的室外覆盖和良好的室内覆盖。
迷你站
这类小区是一种低的宏蜂窝或者被称为屋顶微蜂窝。
天线安装在接近屋顶高度区域,建筑物减弱了直射的无线电波,使小区的覆盖范围更可控。
迷你站更适合于建筑物高度大致相等的区域;
微蜂窝
微蜂窝天线的挂高都很低(通常只有4-10米)。
天线安装在室外。
无线电波只在建筑物之间传播而不跨越屋顶。
小区的大小通常只有150-500米;
室内小区
室内小区(picocell),天线放置在建筑物内部。
室内小区覆盖整栋或者部分建筑物。
这是高话务区域实现良好覆盖的最佳解决途径;
2.
小区规划的流程
目标:
本节简要讲述小区规划的主要流程以及一些涉及的因素
一次小区规划的主要行为如下图2-1所示:
2.1.步骤1:
话务和覆盖分析
小区规划流程是从话务和覆盖分析起步的。
分析应该产生地理信息和预期话务量信息。
需要收集的数据包括:
a)设备价格
b)话务分布
c)覆盖
d)要求的服务等级
e)可用频率
f)通话质量等级
g)系统容量
话务需求是整个网络规划工程的基础。
话务的地理分布能根据人口的分布数据估算得出。
2.2.步骤2初步小区规划
初步小区规划是小区规划的第一步并为后续的规划打下基础。
规划使网络能在电子地图上展示出来,并使小区在地图上看上去像蜂窝簇。
这部分工作是基于一些可以测量数据和有意义的预测以及市场研究结果。
在这部分规划工作中,覆盖和干扰预测通常会使用一些规划工具。
2.3.步骤3:
基站勘查
针对所有可能的站点都要做基站勘查。
在勘查过程中,以下内容必须得到确认:
a)确切地址
b)设备摆放空间,包括天线放置空间
c)电源供应
d)与站点业主联系
基站勘查步骤至关重要,因为需要对真实环境作评估以决定在规划网络时,这个站点是否适合建站;
2.4.步骤4系统设计
一旦规划参数经过调整,符合实际测量的结果,BSC、TRC、MSC/VLR的需求就可以被计算出。
最终的小区规划方案就可以完成。
与之相对应,一份小区参数设计的文件将完成,所有的小区参数将被输入基站数据库。
2.5.步骤5系统安装和调试
系统安装完成,网络将被持续关注,以判定,网络是否满足需求。
这被称为系统调整。
包括:
a)确认小区规划目标是否成功实现;
b)评估客户投诉;
c)确认网络指标是否可接受;
d)如果必要,对某些参数进行调整并安排一系列测试;
系统需要持续性的调整,因为话务量和用户数目在持续性增长。
最终,系统由于不断增加的符合而达到一个临界点,使网络扩容成为必须。
在临界点上,话务量和覆盖分析重新开始,启动新一轮的网络规划循环。
2.6.系统增长和改变
网络规划是一个持续的过程。
如果网络需要扩容,比方说,话务量增加、环境发生了改变(出现新建筑物)运营者必须很快再次启动网络规划流程,并开始新一轮的网络覆盖和话务分析。
一些规划后需要进行工程调整包括:
a)天线下倾角、水平角和天线高度
b)小区分裂
c)频率调整
d)微蜂窝underlayer的实现
3.小区规划工具和传播模型
目标:
本章描述小区规划的步骤和一些相关要素。
本章还涉及到一些规划工具的介绍。
3.1.小区规划工具
通常小区规划中,覆盖和干扰预测是必须的。
在这个环节中,依托计算机的网络规划工具将被用于无线传播分析。
这些规划工具的主要应用在于:
a)覆盖、干扰、话务量的预测;
b)频率方案仿真
通过仿真和计算,这些工具可以使规划人员的工作有一个切入点,简化规划人员的任务。
商用的小区规划工具包括以下系列:
a)AssetPlanningTool
b)TEMSCellPlanner
c)PlanetfromMSI
d)OdysseyfromAethos
e)TOTEMfromNokia
f)NetplanfromMotorola
3.2.传播模型
评估出一个小区的覆盖范围,并以此判断出小区的大小和干扰情况是非常重要的。
覆盖的定义是:
一个区域如果95%的区域手机的信号强度达到或超过要求的值则可以成为覆盖。
因此为了实现这个目标,小区边界的信号强度预测值必须大于一些设计指标。
(例如:
SS-design=-85dBm而预测的最小接受电平值必须大于设计值)。
信号强度的要求和设计指标是手机接收灵敏度加上边界门限的结果。
这些门限包括快衰落、慢衰落门限,干扰门限、人体损耗门限以及其他诸如汽车损耗和室内损耗门限。
这些门限的是依据环境和运营者的要求来制定的。
能够规划和预测出路径损耗的是非常重要的。
可以考虑的改进包括以下内容:
无线电波在地球表面被反射,因此无线电波在地球表面的传播参数是非常重要的参数:
a)由于直视障碍物引起的传输损耗
b)由于地球曲率引起的小区覆盖半径有限
c)真实环境下的地形类型(森林、城市)引起的不同传播损耗特性
传播模型本质上就是一个曲线拟合的操作。
针对大量不同频率、位置、周期和天线高度进行测量,接收信号强度被拟合到一条特定的曲线。
接着,产生一个公式被用于描述这条曲线。
这就是模型。
为了对这些模型有一个深入的认识,下列概念需要充分的理解:
a)地球平面
b)尖刃衍射
c)菲涅尔域
3.3.地球平面导体
在图3-1,说明了地球表面无线电波反射的情况。
我们可以设想,在没有障碍物的一个自由空间内,同时我们把地球看成是一个非常优良的导体(很烂的假设,除了在海平面上),接收天线收集的信号是一个直射波信号和一个反射波信号之和。
接收天线上收到的干扰信号功率(以就是通过地面反射后,到达接收天线的功率)可以表示成:
Pr=[PtGrGt2sin2(2h1h2/d)]/(2d)2
其中,
设想h1h2<
<
d(在角度很小的情况下)正弦函数可以被角度所取代,于是:
Pr=[PtGrGt(h1h2)2]/d4
or
L=10log(Pt/Pr)=20log(d2/h1h2)–10log(Gr)–10log(Gt)
传播损耗与20log(d2/h1h2)相关。
3.4.尖刃衍射
在无线传播中
,由于直视路线上的障碍物阻挡而引起的额外损耗也可以通过计算接收机上的菲涅尔衍射图形而得出。
衰减的强度和障碍物的高度(相对高于或低于直视线)以及和障碍物到接收机和发射机之间的距离有关。
如上图3-2所示:
从形式上看,这个表达有点冗长。
于是我们更倾向于把这种被称为“尖刃”的额外损耗用图表的方式表达出来。
这种额外的损耗(也可以看成是一种衍射损耗)可以看成是参数V的一个方程。
(即菲涅耳衍射参数)如下图3-3所示
=h[(d1+d2)/d1d2]
下图通过一张图表显示由于衍射引起的增加和衰减是如何与衍射衰减参数相关的。
对于一个固定的参数-距离d1(指天线到衍射障碍物=5m,d2=495m,电磁波频率为900Mhz)我们得到图表3-1。
h
d2
d1
λ
ν
-10
495
5
0.3
-11.6052
-9
-10.4447
-8
-9.28414
-7
-8.12362
-6
-6.96311
-5
-5.80259
-4
-4.64207
-3
-3.48155
-2
-2.32104
-1
-1.16052
1
1.160518
2
2.321035
3
3.481553
4
4.642071
5.802589
6
6.963106
7
8.123624
8
9.284142
9
10.44466
10
11.60518
Table3.1
注意:
当障碍物的顶部没有突入无线电波的传播路径时,h的值为负。
当障碍物的顶部接触到传播路径时h等于0,当障碍物顶部突入无线传播途径时,障碍物取正值。
对照图表中的参数V以及曲线的变化,我们可以发现如果“尖刃”没有突入传播路径,将产生一定的衍射增益。
当h变成正值,并且突入电磁波传播的直视路径,衍射增益迅速转变成衍射损耗。
3.5.菲涅尔域
菲涅尔域的解释如下图所示:
Figure3-4
当电磁波在传播过程中遇到物体,将发生衍射。
设想一下,波以球面波的形式传播,在某个横截面,菲涅尔域是一系列具有相同强度的点的集合而组成的同心圆。
。
这些同心圆以二分之一波长为间隔。
第一菲涅尔域的半径取决于电磁波的频率和天线的高度。
天线高度给定的情况下,波的原始能量包含在第一菲涅尔域内。
换句话说,只有波在第一菲涅尔半径域内没有被阻挡,波将没有任何衍射衰减的将能量最大化的发射出去。
为了更清楚地说明,参见图3-5:
Figure3-5
图3-5表现的是一幅典型的在发射机和收信机之间有一个典型的建筑物阻挡的案例。
图表显示,为了将大部分能量通过视线路径由发信机传播到接收机,能量必须限制在第一菲涅尔半径内。
Rn,第n个菲涅尔域的半径可以由以下公式表达
ford1&
d2>
>
Rn
按上个例子所描述的参数,d1,天线到衍射障碍物的距离是5米,d2是495米,电磁波频率是900Mhz,我们可以计算出Rn=1.21米;
3.6.路测和半经验模型
前面谈论的模型,没有考虑真实环境中的不同地形、地物条件下(例如森林、市区)电磁波的衰减属性是不同的。
虽然在计算时尽可能的要考虑各种细节,但这样做在计算过程中会消耗大量的时间,所以规划人员在实际中不会这样做而更多的是采用经验数据。
下面是一些经典的经验模型:
a)Longley-Rice模型–用于不规则地形的模型
b)Okumura-Hata模型–用于市区和郊区900MHz频段
c)Cost231-HataModel–用于1500MHZ到2000MHz频段
d)Walfisch-IkegamiCost231–用于密集市区和微蜂窝
3.7.Okumura-HataModel
奥村哈塔模型是已经建立的最重要的模型。
1960年,日本工程师奥村针对不同频率的各种移动通信服务进行了一系列详细的传播测试。
这些频率包括200Mhz、453Mhz、922Mhz、1310Mhz、1430Mhz、1920Mhz。
测试结果经过统计和分析,被描述成信号强度随频率、距离变化的对应关系。
信号强度的测试均值与到基站的距离(用单位KM衡量)的关系在下图3-6中,用图形化的方式表达出来了。
我们可以注意到,自由空间的取值一直比实测值高,说明它的路径损耗要低于测量结果。
因为这只是一个图形化的结果,奥村模型不能被用于计算机分析,因此无法应用到蜂窝通信工程和网络规划。
但奥村的这个测试结果为用公式表达传输路径损耗提供了依据。
对这个模型的另外一个重要的有贡献人士是另外一名日本工程师-哈塔。
他利用了奥村的图形化结果,并建立等式来描述不同环境下的无线传播损耗。
正是他的工作,使计算机应用于小区规划成为了可能。
奥村哈塔模型的一般性描述如下所示:
Lp(urban)=69.55+26.16logf-13.82loghb+(44.9-6.55loghb)logd-a(hm)
Where
a(hm)=(1.1logf-0.7)hm-(1.56logf-0.8)
f=carrierfrequencyinMHz(150-1000MHz)
hb=thebasestationantennaheightinmeters(30-200m)
d=distanceinkmfromthebasestation(1-20km)
hm=mobileantennaheightinmetersaboveground(1-10m)
然而这个公式只能粗略的反应传播损耗,因为地形的差异和地物的变化不能在公式中体现。
经验数据能被用于改善更详细描述的模型。
3.8.Cost231-hata模型
Cost231-hata模型本质上奥村哈塔模型是相同的。
除了它的应用频段是1500Mhz到2000Mhz。
因此这个等式可以如下表示
Lp(urban)=46.3+33.9logf-13.82loghb+(44.9-6.55loghb)logd-a(hm)
Where
f=carrierfrequencyinMHz(1500-2000MHz)
hb=thebasestationantennaheightinmeters(30-200m)
3.9.传播损耗斜率
奥村和哈塔推导出的公式,可以被进一步的简化成传播损耗的一种线性变化。
这样传播损耗就变成了只随距离变化的函数。
简化后的公式如下所示:
Lp(urban)=L0+(44.9-6.55loghb)log(d)
WhereL0=69.55+26.16logf-13.82loghb-a(hm)for150-1500Mhz
(Okumura-Hata)and
L0=46.3+33.9logf–13.82loghb–a(hm)for1500-2000Mhz
(Cost231-Hata)
或者上述公式可以被进一步的简化成:
Lp=L0+10log(d)
这里是斜率,是表达式(44.9–6.55loghb)/10的简写。
在市区的典型值在3.5到4之间,在自由空间传播中,这个值是2,而在典型的直视传播中,典型值一般是2.6。
在一个密集的环境中,值越大,信号将衰减得更快。
3.10.奥村-哈塔模型校正
上面提到的公式基本只适合于从郊区到市区的地形。
因为奥村在完成那些经验主义的测试时,使用的就是这些地形。
为了使公式能推广到其他类型的地形,需要对城市的损耗公式进行修正。
修正如下所示:
Lsub=Lp–2log2(f/28)–5.4
Lopen=Lp–4.78{log(f)}2+18.33log(f)–40.94
Lsemiopen=Lp–4.78{log(f)}+18.33log(f)–35.94
这里的Lpsub指的是郊区地形,Lpopen是开阔地地形,Lpsemiopen是半开阔地模型;
3.11.Walfisch-IkegamiModel
这个模型主要用于直视传播损耗的计算。
通常用于微蜂窝覆盖的街道“峡谷”。
传播损耗公式如下所示:
Llos=42.6+20log(f)+26log(d)or
Llos=L0+10log(d)
whereL0=42.6+20log(f)and=2.6
3.12.
传播模型的选择
由上面的描述可以看出,要进行准确的小区规划,选择合适的传播模型时至关重要的。
下面图表标明了网络规划工程师选择传播模型的一般准则:
4.
频率规划的概念
4.1.频率复用
蜂窝通信系统需要复用频率,以满足容量的要求。
这意味着网络必然内存在同频干扰。
我们复用频率的方式有很多种,可以是严格遵守复用规则,也可以是完全灵活的分配。
严格遵守复用规则(自动配频)可以使频率规划工作变得简单。
当系统规划不容易实现时,将加入人工规划的成分。
网内干扰的程度取决于基站半径和基站的间距。
最小的频率复用距离可以由下面公式计算得出:
d=(3N)r
其中,N=复用系数,=i2+ij+j2(i&
j是整数)。
当i=1,J=1时,N=3,d=3r.
依次类推:
i=2,j=0,N=4andd=(12)r=3.464r
i=2,j=1,N=7andd=(21)r=4.583r
i=2,j=2,N=12andd=(36)r=6r
复用距离和小区半径和C/I有关:
(d/r)=6(C/I)
其中,是衰减斜率,或者叫传播损耗因子。
以上结论基于以下假设:
所有的小区大小相同,且以相同的功率发射;
传播损耗不再按自由空间计算而是受传播损耗因子支配;
例如在市区环境中,我们需要的C/I是11dB,在市区环境中,我们假设=3.525,则市区的复用距离如下所示:
(d/r)3.525=6(C/I)=6*(12.59)
d/r=3.410
如果小区半径是2公里,则最小复用距离是6.8公里。
4.2.频率规划
一旦频率复用系数被确定,则系统可以进行频率规划。
例如:
如果一个系统有10Mhz可用频率,频率复用系数N=4,于是有,10Mhz/200khz=50个信道可用。
假设我们有48个频点可用,则每个小区最多可配置多少个频点?
48个频点/(N=4)=12频点/基站
再假设一个基站有3个小区,12个频点/3个小区每基站=4个频点/小区
于是频率规划如下表所示:
(假设可用频点从76-123)
以下是4/12频率复用的图示:
然而案例只给出了一种理想状态下的情形。
在现实世界里,频点基于以下原因而不可能如此规则的分布:
1、每个小区的话务密度不可能如此一致;
2、站点的位置也可能总是这样符合网格状分布;
3、覆盖情况总是受地形地物的影响;
因此,我们规划出的理论频率规划方案有其局限性。
频率规划其实是一个理想情况下的方案和现实资源限制之间的平衡。
例如两个或多个相邻小区拥有相同的频点配置是比较少见的。
因为我们在规划时对话务量的预估总是很粗糙,而现实话务量总会和预测话务量之间产生偏差。
最终的频率规划方案必须保有足够大的弹性,允许我们根据实际话务量对对频点数目进行调整。
5.
第五章链路预算
5.1.链路平衡
链路平衡的意思是指下行链路的覆盖等于上行链路的覆盖;
而链路预算则可以帮助我们知道,是上行还是下行链路是弱势链路。
一个典型的链路平衡表如下所示:
为什么链路预算是一个非常重要的参数。
首先,一个平衡的链路预算应该实现上下行链路覆盖相同。
这意味着下行信号能够传送到MS时,上行信号也必须能到达BTS。
其次,链路预算告诉我们最大可允许的链路损耗Lpmax。
Lpmax将定义BTS在上行链路上能收到的绝对最小信号强度(于此相对应,手机在下行链路上收到的最小信号强度)。
低于这个值,BTS将不能收到任何手机的信号。
再看一下链路预算表,我们可以看到,上下行链路已经平衡。
但在现实世界中,两条链路不可能正好平衡。
有很多因素会产生影响。
BTS接收机的灵敏度在表格中的取值是-107dBm,而现实中,设备可以达到-109dBm。
同样,手机的接收灵敏度可以做到-105dBm。
另外一点就是,在现实中,天线的最大发射功率不可能正好是33dBm,而通常在31dBm到32dBm的范围内。
因此上行链路预算总是要比图表中的值差1-2dB。
分集增益在图表中的值是3dB,但在现实中,分集增益是在一个随传播环境和手机位置不同而在0-4dB的范围内变化。
从链路预算的案例中,我们可以看到除了衰减余量,其他参数或多或少多时固定的,基本是根据设备性能决定。
衰减余量放在公式中,是根据无线通信系统的特性而补偿快衰落和慢衰落。
衰减余量实际上是给接收机高于接收灵敏度的一个余量,使接收机在遭受严重的信号衰减时也能正确地解码。
影响衰减余量的主要因素包括传播损耗因子(γ),接收信号强度的均值和正态分布,以及要求的接收信号
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