CDMA网络规划设计与应用分析Word文档下载推荐.docx
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(1.1)
式中
C——信道容量;
W——频带宽度;
——信噪比。
由上式可知[4],加大频带宽度W或提高信噪比S/N,都可以提高容量C,即当信道容量C一定时,频带宽度W和信噪比S/N是相互关联的,增加频带宽度可以降低对信噪比的要求,反之亦然。
当频带宽度增加到一定程度,有用信号功率可以接近噪声功率甚至淹没在噪声之下。
扩频通信利用宽带传输降低对信噪比的要求,这就是扩频通信的基本思想和理论依据。
同时扩频通信的性能与处理增益和抗干扰容限有关。
一般把扩滤布信号带宽W与信息带宽ΔF之比称为处理增益Gp(即扩频增益,SpreadingGain),
(1.2)
处理增益表明了扩频系统信噪比改善的程度。
抗干扰容限表征的是扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力,系统的抗干扰容限MJ定义如下:
(1.3)
式中,
——输出端的信噪比;
——接收系统的工作损耗。
由式(3)可知,忖频处理增益Gp提高后,抗干扰容限MJ可以大大提高,甚至信号淹没在噪声下也能正常通信,通常的扩频设备可以将用户信息(待传输的信息)的带宽扩展数十倍、百倍甚至上千倍,以尽可能的提高处理增益,提高抗干扰容限。
扩频通信的工作原理如图L-2所示,
图L-2扩频通信工作原理
根据扩展频谱的不同方式,扩频通信系统可以分为:
:
直接序列扩频(DS)、跳频扩频(FH)、跳时扩频(TH)以及以上几种方式的组合。
如果在数据上直接加入伪随机序列码,可得到直序扩频(DSSS)[5]。
在实际应用中,伪随机序列与通信信号相乘,产生完全被伪随机码“打乱”了的数据。
如果伪随机码作用在载波频率上,就得到跳频扩频(FHSS),伪随机码迫使载波按照伪随机序列改变或跳变。
如果用伪随机序列控制发射信号的或关,则可得到时间跳变的扩频技术(THSS)。
图L-3扩频调制方式
直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum),简称直扩(DS)。
该扩频方式直接使用具有高码速率的坟频码序列在发射端对信号频谙进行扩展,在接收端用相同的扩频码序列进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始信息。
直接序列扩频的频谙扩展和解扩过程如图L-4所示。
。
图L-4直接序列扩频的频谙扩展和解扩过程
跳频(FrequencyHopping)是指用一定码序列进行选择的多频率频移键控。
也就是说,用扩频码序列去进行频移键控调制,使载波频率不断地跳变,所以称为跳频,跳变速率由原始信息的数据速率决定。
跳时(TimeHopping,TH)是使发射信号在时间轴上跳变。
首先把时间轴分成许多时片,在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。
由于采用了窄很多的时片去发送信号,相对来说,信号的频谙也就展宽了。
跳时也可以看成是一种时分系统,所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片,而是由扩频码序列控制按一定规律跳变位置的时片。
跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。
而CDMA也正是利用了这些扩频技术以实现信息传递的安全、稳定和独立。
图L-5CDMA扩频序列
沃尔什(Walsh)序列广泛地应用于CDMA系统中。
Walsh函数是正交函数,它用Wal(n,t)表示,其中n为序号。
而N阶Walsh函数可以进行下列递推公式获得:
(1.4)
式中,N为2的幂,
表示HN中元素逐个取反。
例如采用64阶Walsh码的W32和W48进行“模二加”运算,可以看到计算结果为32个“1”,32个“0”,完全正交。
W320110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110
W48010*********
SUM0011110000111100001111000011110000111100001111000011110000111100
“模二加”后计算结果:
32个“1”,32个“0”,完全正交。
在CDMA系统中,每个码分信道用1.2288Mbps比特率的Walsh函数进行扩频,以使各码分信道相互正交。
因此对于前向链路,CDMA系统是一个正交扩频系统,沃尔什序列可以削除或抑制多址干扰(MAI)。
理论上,如果在多址信道中信号是相互正交的,那么多址干扰就可以减少至零。
沃尔什序列在前向链路中用来区分信道;
在反向链路中,沃尔什码仅用做正交调制码[6]。
伪随机噪声(PseudorandomNoise,PN)序列在CDMA中用于数据的加扰和扩谱调制[7]。
在传送数据之前,把数据序列转化成“随机的”,类似于噪声的形式,从而实现数据加扰。
接收机再用PN码把被加扰的序列恢复成原始数据序列。
需要指出的是,如果发送数据序列经过完全随机的加扰,接收机无法恢复原始序列。
也就是说,如果接收机知道如何恢复原始数据,发送的数据序列就不可能完全随机化。
因此,在实际CDMA系统中使用的是一个足够随机的序列,一方面这个随机序列对非目标接收机是不可识别的,另一方面,目标接收机能够识别并且很容易同步地产生这个随机序列,所以把这种随机序列称为伪随机噪声(PN)序列。
可以使用线性反馈移位寄存器(LFSR)生成这样的二进制数据序列,如图L-6所示。
其中,fc为时钟,n为寄存器的数据单元个数。
数据序列以2n-1个码片为周期重复生成。
这种伪随机序列码具有自身完全相关、移位近似正交的特性。
在CDMA中用到两个m序列,一个长度是242-1(r=42),称为PN长码;
一个长度是215-1(r=15),称为PN短码。
PN码的生成方式不同于沃尔什码,需要更复杂的计算,以实现信息传递的安全性。
终端和基站的信道单元都有一个长码生成器。
其中长码状态寄存器(LCSR)保持与系统时间同步,每个脉冲周期转变一次状态。
掩码寄存器(MR)存有只有用户可识别的码型,状态寄存器(LCSR)和掩码寄存器(MR)合并至SUMMER寄存器,SUMMER寄存器的数字单元在每个时钟周期内进行模2加计算,逐比特生成长码。
生成的移位长码由用户惟一的编置码型决定,加扙后其它用户无法解调此用户信息。
CDMA系统中长码的周期为242-1。
在前向信道中,PN长码被用做对业务信道进行扰码。
在反向信道中,PN长码被用做直接扩频,每个用户被分配一个m序列的相位,这个序列是由用户的ESN计算出来的,随机分布且不会重复。
由于m序列的双值自相关性,这些用户的反向信道之间基本是正交的。
CDMA系统中的PN短码由两组PN序列——I序列和Q序列正交生成。
I序列和Q序列PN码是由15阶移位寄存器产生的m序列,并且每个周期在PN序列的特定位置插入一个全零的序列,使其周期为215。
PN短码用于对前向信道进行正交调制,不同基站使用不同相位的m序列进行调制,其相位至少相差64个比特,这样最多可有512个不同的相位可用。
PN短码也被用做对反向信道进行正交调制,但因为在反向信道上不需要标识属于哪个基站,所以对于所有终端而言都使用同一相位的m序列,其相位偏置为0。
第2章CDMA网络规划
对于新建CDMA网络,其规划只需要考虑无线传播环境和覆盖容量需求,规划相对比较简单;
对于扩容网络,其规划可以看着是网络优化的一种手段,可以改善现有网络的性能,设计方案需要首先解决现有网络存在的相关问题。
2.1CDMA网络全网结构图
图L-7CDMA网络全网结构图
2.2网络规划流程
CDMA无线网络的规划是一个复杂的系统工程,合理的流程可以有效地控制规划设计过程,确保设计质量。
CDMA网络的规划可用图L-7所示的流程来实现,包括需求分析、可提供站点勘察、场强测试与频谱扫描、网络拓扑结构设计、规划站点勘察与验证、无线参数设置和提交设计方案等步骤。
对于新建网络和扩容网络,设计时考虑的因素不尽相同,规划设计流程中各阶段需要完成的工作不完全一致。
下面对各阶段需要进行的操作进行分析[8]。
2.3CDMA网络整体规划解决方案图[9]
图L-9CDMA网络整体规划解决方案图
2.4需求和基础数据收集。
●覆盖需求;
●容量需求;
●系统设计要求;
●可提供资源;
●规划区域的无线传播环境;
●现有网络信息;
●频率信息;
●其他特殊需求。
2.4.1根据覆盖需求进行覆盖规划步骤如下:
(1)调查并对覆盖区域进行分区
通常需要将一个较大的覆盖区域划分为若干个小的片区,例如密集城区、一般城区、郊区、农村等,同时了解各个片区内的地形地貌和建筑物分布情况。
(2)进行链路预算
了解该片区要求的边缘覆盖率,根据片区内的地形地貌选用合适的对数正态衰落方差值,根据片区内建筑物的实际情况选取合适的建筑物穿透损耗值,使用合适的传播模型,进行链路预算获得各片区基站的最大覆盖半径。
(3)估算满足覆盖需求的载扇数
根据链路预算获得的各片区基站覆盖半径计算各扇区单扇区的最大覆盖面积,用各片区要求的覆盖面积除以各片区单扇区的最大覆盖面积获得各片区满足覆盖需求的载扇数,对于每个片区,根据容量需求可以求出满足要求的载扇数,根据覆盖需求也可以获得满足要求的载扇数,取二者之间的较大值,可以得出该片区的载扇数要求。
所有片区累加,可以获得整个规划区域的载扇数的要求。
(4)确定BTS数量和站型
根据获得的满足覆盖容量需求的载扇数、规划区域的无线环境选择合适的站型,确定各片区BTS的数量。
在CDMA系统中,基站扇区的覆盖范围是这样一个区域:
在这个区域中接收端(基站或终端)应有足够的信号电平来满足业务要求。
一定和传播环境下,小区和覆盖范围直接取决于收发端所允许的最大路径损耗,而链路预算可确定给定无线链路的最大允许路径损耗。
链路预算中的最大允许路径损耗可大致用下列公式定性表示:
最大允许路径损耗=发射功率-接收机灵敏度-裕量-其他
其中,发射功率是指天线的有效发射功率,可以是EIRP(有效全向发射功率),也可以是ERP(有效发射功率),表示如下:
EIRP=发射功率(dBm)+发射天线增益(dBi)-馈线损耗(dB)-人体损耗(dB)-跳线损耗(dB)-其他损耗估计(dB)
若给定的天线增益单位为dBd,在链路预算表中需要变换为dBi。
接收机灵敏度(Prec)是指在一定数据速率和最坏信道条件下,在天线接收端要求和最小信号水平,表示如下:
(2.1)
由式(4)可得到以dBm表示的接收机灵敏度Prec(dBm)为:
Prec=热噪声功率谱密度+
+数据速率(2.2)
裕量和其他影响路径损耗的因素包括衰落裕量、穿透损耗、软切换增益等。
衰落裕量是在充分考虑信道衰落变化情况的基础上,为保证通信可靠性而预留的量。
它与一定的小区边缘通信概率要求相对应。
在无线空间传播中,对于任何一个给定的距离,路径损耗是变化的,可以看做是符合对数正态分布的随机变量。
在传播模型中我们考虑的都是路径损耗中值。
如果按照平均路径损耗设计网络,则小区边界点的路径损耗有50%概率为会大于路径损耗中值,而另50%概率侩小于该中值,即小区的边缘覆盖概率只有50%。
为了提高小区边缘的覆盖概率,需要预先留出衰落裕量。
下面以满足75%的边缘覆盖概率为例加以解释:
假定传播损耗随机变量为
,则
是dB上和高斯分布,设其均值为m,标准差为
,对应的概率分布函数为Q函数。
设定一个损耗门限
,当传播损耗大于该门限时,信号强度便达不到满足预期服务质量的解调要求,则在小区边缘,满足75%的边缘覆盖率可以表示为[10]:
(2.3)
对于户外环境,标准差取8dB(对不同的地理环境对应的标准差不一样,如果建筑物密集较大,地形开阔较小,一般情况下取8dB0,可得到对应75%的边缘覆盖概率(通信率)的裕量值:
(2.4)
穿透损耗采用的是经验值,一般主要取决于各地的建筑材料和建筑物墙体厚度等因素,通常穿透损耗由大到小的顺序是:
密集城区>
城区>
郊区>
农村,链路预算时一般取密集城区25dB,一般城区20dB,郊区15dB,农村6dB,实际规划时,可以通过测试获得更为准确的穿透损耗。
软切换增益在CDMA系统中大集体取值与两传播路径的相关系数
、正态衰落方差
和边缘覆盖率Perl有关。
具体关系如表L-1:
Perl
软切换增益
0.75
0.5
4.0
0.9
4.09
0.95
4.2
0.98
4.67
表L-1
2.4.2根据容量需求进行容量规划步骤如下:
(1)调查并预测一个地区的用户容量需求
通常需要将一个大的区域划分为若干个小的片区,例如密集城区、一般城区、郊区、乡村等,不同片区移动用户的组成结构、话务模型有所不同,而同一片区内的话务模型认为是一致的。
通过对各个片区的潜在用户的调查,可以获得相应的容量需求,所有片区的容量累加,得到整个片区的容量需求。
(2)估算数据业务容量的需求
根据数据用户的比例及数据业务的话务模型,计算规划区域对数据业务总的需求。
根据系统设备的特征、规划区域的无线环境和话务模型等数据,分别计算单扇区单载频的前向和反向空中吞吐量。
前向空中吞吐量的上限受当地无线传播环境、数据业务平均速率、数据用户比例、移动台移动速度、移动台在扇区内的分布特征等因素的影响;
反向空中吞吐量的上限受数据业务速率、移动台移动速度、扇区干扰情况等因素的影响。
空中吞吐量的计算非常复杂,往往取经验值。
根据规划区域对前向数据业务的需求,以及单扇区单载频可以支持的前向/反向数据流量,可以得到满足前向/反向数据业务需求的载扇数,取二者之间的较大值,容量规划考虑数据业务时,基于该链路进行规划。
(3)估算满足容量需求的载扇数
对于每个片区,根据片区内话音用户数量、数据用户数量、话音/数据话务模型,可以计算出所需的载扇数。
话音业务和数据业务分别计算所需载扇数,累计得到总的载扇数的需求。
根据数据业务和话音业务的话务模型,将数据业务的流量折算成话音业务,基于每个载扇可以支持的话音业务,得到总的载扇数需求。
根据话音业务和数据业务的话务模型,将话音业务折算成数据业务的前向/反向流量,根据每个载扇可以支持的前反向流量,得到满足前反向要求的载扇数。
取二者中的较大值,作为总的载扇数要求。
考虑到数据业务和话音业务的话务模型差别很大,另外话音业务存在实时性要求,数据业务存在错误重传机制等特性,二者之间的折算非常困难,容量规划时T多采用第一种方法。
(4)按片区统计需要的载扇数
对于每个片区,根据覆盖需求可以求出满足要求的载扇数,根据容量需求也可以获得满足要求的载扇数,取二者之间的较大值,可以得出该片区的载扇数要求。
所有片区累加,可以获得整个规划区域载扇数要求。
(5)确定BTS数量和和站型
根据获得满足覆盖容量需求的载扇数及规划区域的无线环境,选择合适的站型,确定各片区的BTS数理,比如密集城区一般采用S111站型,其中话务需求非常大的区域可以采用S222等多载频基站:
对于广阔的农村,可以采用O1等站型进行覆盖[11]。
(6)确定BTS所需的CE数量
根据每个BTS需要阳春承担的容量,每个用户的话务量,以及系统的阻塞率要求,可以获得每个BTS需要配备的CE数量,实际系统中,CE往往会配置在相应的单板上,对于不同厂家,单板上可携带的CE数量有区别,需要配置的CE板数量根据厂家的具体情况而定。
(7)确定BSC需要的选择器声码器板数量
根据BSC所辖区域的话音业务的总话务量和话务模型,计算BSC所需的选择器/声码器数量,不同厂家的选择器/声码器板上可支持的选择器/声码器数量不一致,需要配备的单板数量根据厂家的具体情况决定。
(8)确定BSC侧需要的分组业务处理单板数量
根据BSC所辖区域的数据业务总话务量和数据业务话务模型,计算BSC所需的分组业务处理单板数量,不同厂家单板数量需求有所区别。
2.5可提供站点勘察
网络规划工程师通过和运营商及相关客户沟通,获得要求覆盖的位置信息以及要求达到的服务等级等资料。
通过这些资料,可以大致确定哪些地点可能需要设置站点。
网络规划设计中,选用合适的站点非常关键,对于某个需要建设CDMA系统的具体位置,正式设计之前,需要收集周围小区的信息,包括位置、扇区朝向、相对该位置的方向等,以便该位置选用合适的设备和接入方式。
同时应从以下几方面考虑。
2.5.1高度
对于宏蜂窝,天线挂高要求超出周围平均高度一定的值,不同环境有所区别。
要使网络达到比较好的效果,一般要求城区站点的天线挂高超出周围平均高度10~15m(密集城区可以在10m左右),郊区和乡村超出15m以上(可以根据要求覆盖范围的大小确定),对规划站点,候选站点的高度不能超出规划天线挂高的1.3倍,否则覆盖范围过大。
2.5.2遮挡
扇区正对方向不能有明显遮挡。
可提供站点体现为存在遮挡的方向不能设置扇区;
规划站点体现为规划的扇区朝向不能存在遮挡。
CDMA系统需要利用GPS天线不被遮挡,要求天线所在位置的立体角不小于900。
2.5.3干扰
为避免与其他系统发生干扰,应选择无干扰或能够解决干扰问题的站点。
2.5.4基础设施
能够提供机房、楼顶、塔上或其他规划的天线架设位置有足够的位置安装天线,能够提供天线走向位置。
能够解决传输和电源需求。
2.5.5地点
对规划站点,候选点与规划点的间距不能超出1/4覆盖半径。
对于不满足的要求,可以通过在现有基础上调整来满足。
如:
高度不够,通过加建铁路,增高架或长抱杆来满足;
如果某个方向有遮挡,只要不影响网络拓扑结构,可以在该方向不设扇区。
2.6场强测试和频谱扫描
对所选站点这些位置进行实地勘察,收集现有网络信号分布情况及频谱利用情况,对该地区进行场强测试,为该区域选择合适的频道,如果频段有重叠的不同无线系统同时存在,肯定会相互干扰,这种干扰必须通过消除重叠信号解决。
对于频段相近的系统,如果发射系统带外抑制能力有限,也可能造成干扰,这种情况可以通过隔离来降低干扰的影响。
CDMA系统可能与其他系统干扰。
对于接收频段接近CDMA前向发射频段的系统,可能会受到CDMA系统的干扰,如800MHzCDMA可能干扰900MHzGSM,对于发射频段接近CDMA反向接收频段的系统,可能会影响CDMA的接收,如1.9GHz的CDMA系统可能受到1.8GHzGSM的干扰。
如果规划时需要选用频段接近的G网系统站点,需要采用隔离的方法降低干扰。
接收端信号强度=发射功率+发射端增益+接收端增益-路径损耗,可以通过使发射端增益或接收端增益降低或者增加路径损耗的方式来降低干扰。
从前面对天线的介绍可知,天线上下方及侧面和后面旁瓣的增益大小。
两个系统的天线处于上下关系,或同一个平面相同朝向时,可以降低发射端增益和接收端增益,减小干扰,环境一定时,可以通过增加隔离距离或增设隔离设备,从而增加路径损耗来保证隔离。
除了和GSM的隔离,CDMA系统还需要考虑与其他频率相近无线设备的隔离,站点勘察时,必须避免选用无法解决干扰问题的站址,如尽量避免选用大功率电台,频率相近的寻呼、微波等设备附近的位置作为站点。
2.7网络拓扑结构设计
完成基础数据的收集、站点的勘察、得到规划区域适用的无线传播模型后,网络规划工程师可以基干这些信息进行网络的拓扑结构设计。
网络拓扑结构设计是基干规划区域的无线为传播环境,根据覆盖规划和容量规划,得到各区域的小区半径,在可提供站点基础上搭建网络架构,对于没有可提供站点的空缺位置,添加理论上满足需求的站点。
并运用仿真工具进行验证的过程。
这是设计出理论上满足需求的网络的过程。
网络拓扑结构设计的输出结果是一组理论上满足覆盖和容量等各种需求的虚拟站点,我们称之为规划站点,网络拓扑结构设计是整个规划设计的核心环节,拓朴图和设计过程如下:
图L-10CDMA网络规划拓朴图
1、根据无线传播环境和话务需求,对整个规划区域进行分块,对每块区域,根据覆盖需求和容量需求,可以得到大致的小区半径。
2、以满足站点选用要求为基础,根据各区域的小区半径,搭建网络拓扑结构;
设计过程中应尽可能利用现有的可提供站点,只有其位置和无线参数偏离网络拓扑结构,无法满足设计需求时,才能放弃;
对于网络拓扑结构中没有可提供站点的位置,添加规划站点。
3、规划站点的初始朝向根据网络中周围站点的相对位置确定;
天线挂高根据覆盖范围大小和该站点所在区域的平均高度,通过链路预算得到;
天线类型基于所处环境和站点分布情况选用,同时根据覆盖范围计算初始下倾角[12]。
4、利用仿真工具验证规划方案是否满足覆盖和容量需求;
如果不满足,需要对存在问题区域的规划站点进行调整。
可以调整站点位置、朝向、下倾角、天线类型和天线挂高等参数。
调整的幅度必须符合该站点所在区域的实际情况。
5、输出规划结果,包括规划站点的各种参数。
6、根据覆盖需求和容量需求计算小区半径。
(1)根据无线传播环境和话务需求,对整个规划区域进行分块。
(2)对每片区域,根据该区域适用的无线传播模型,利用链路预算,得到满足覆盖需求的小区半径;
其中天线挂高根据覆盖区域大致的建筑物高度和允许的增高方式确定,天线增益等参数根据本项目准备选用的天线确定;
全向基站和定向基站分别计算。
(3)根据总的容量需求,以及需求分析阶段得到的各区域话务分布情况,按比例将总容量分配到规划区域的各个片区中去;
根据每个小区所带的话务量,可以得到各片区需要的小区数;
每个片区根据其面积和需要的小区数,可得到满足容量需求的大致小区半径。
(4)各片区实际规划的覆盖半径,取满足覆盖需求和容量需求的两个值中较小的一个。
7、不合理设计的影响
(1)覆盖规划不当
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