WCDMA網(wǎng)絡(luò)容量估算

1、概述
WCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的覆蓋目標(biāo)、容量目標(biāo)和質(zhì)量目標(biāo)得出滿足需求的配置和設(shè)備數(shù)量的過程，一般包括覆蓋估算和容量估算。由于WCDMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾和軟容量系統(tǒng)，其覆蓋和容量并非一成不變，而是與網(wǎng)絡(luò)的干擾水平有關(guān)，其覆蓋和容量相互影響，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，覆蓋距離較遠(yuǎn)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加重時(shí)，由于用戶干擾功率上升，小區(qū)覆蓋會(huì)自動(dòng)收縮，因此需要從覆蓋和容量兩方面著手計(jì)算所需的基站規(guī)模。
覆蓋估算方法對(duì)前向覆蓋和反向覆蓋進(jìn)行估算，得到小區(qū)的覆蓋半徑，然后計(jì)算所需的基站數(shù)量；容量估算方法對(duì)前向容量和反向容量進(jìn)行估算，得到小區(qū)的容量，然后計(jì)算所需的基站數(shù)量；最后取較大者作為系統(tǒng)所需的基站數(shù)量。
2、容量規(guī)劃原理
WCDMA網(wǎng)絡(luò)上行容量主要是干擾受限，下行容量主要是基站發(fā)射功率受限。當(dāng)語音為主要業(yè)務(wù)時(shí)，容量為上行受限；當(dāng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)吞吐量達(dá)到一定比例后，容量轉(zhuǎn)為下行受限。在2G CDMA網(wǎng)絡(luò)中，語音為主要應(yīng)用業(yè)務(wù)，其上下行業(yè)務(wù)流量較為對(duì)稱，容量主要是上行受限，因此主要關(guān)注上行的容量計(jì)算。但在WCDMA網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的比重顯著增加，且網(wǎng)絡(luò)上下行的業(yè)務(wù)流量普遍呈現(xiàn)出不對(duì)稱的特性，甚至有可能出現(xiàn)下行容量受限的情況，因此需要從上下行兩個(gè)方向分別進(jìn)行估算。
2.1　上行容量規(guī)模估算
在WCDMA系統(tǒng)中，用戶使用相同的載波，經(jīng)過編碼以后，每個(gè)信號(hào)成為其他信號(hào)的噪聲(干擾)，因此每個(gè)信號(hào)都包含在由其他用戶產(chǎn)生的寬帶干擾背景中。為了接入一個(gè)呼叫，基站的接收信號(hào)必須達(dá)到業(yè)務(wù)解調(diào)要求的Eb/No。
第j個(gè)用戶的Eb/No為：
     (Eb/No)j=用戶j的處理增益×用戶j的信號(hào)功率/總接收功率(除去自身的信號(hào))　 (1)
可將公式(1)簡(jiǎn)化為：
     (Eb/No)j=(W/VjRj)×(Pj/Itotal-Pj)　 (2)
其中，W是碼片速率(3.84 Mchip/s)，Vj是用戶j的激活因子，Rj是用戶j的比特速率，Pj是來自用戶j的信號(hào)接收功率，Itotal是基站處包括熱噪聲功率在內(nèi)的總的寬帶接收功率。從式(2)可知，用戶信號(hào)要達(dá)到解調(diào)要求，其在基站接收端的接收功率應(yīng)滿足公式(3)：

(3)

定義一個(gè)連接負(fù)荷因子Lj，用來表示用戶信號(hào)功率占基站總接收功率的比例：

(4)

則單個(gè)用戶信號(hào)功率Pj可表示為：
Pj=LjItotal　　(5)
得到來自同一小區(qū)內(nèi)的所有用戶(N)的總接收功率為：

(6)

通�；�站接收端的總接收功率由小區(qū)內(nèi)用戶干擾功率、小區(qū)外用戶干擾功率和基站熱噪聲三部分組成，即：
Itotal=Pin+Pother+PN　　(7)
其中，Pin為小區(qū)內(nèi)用戶總干擾功率；Pother為小區(qū)外用戶總干擾功率；PN為基站熱噪聲功率。小區(qū)外移動(dòng)臺(tái)的干擾不通過本小區(qū)基站進(jìn)行功率控制，故其干擾大小難以確定。把來自其他小區(qū)的干擾與本小區(qū)干擾的比值定義為鄰區(qū)干擾因子i，則i=其他小區(qū)干擾/本小區(qū)干擾。一般情況下，采用全向天線的宏小區(qū)鄰區(qū)干擾因子為0.55，采用三扇區(qū)天線的宏小區(qū)鄰區(qū)干擾因子為0.65。因此，基站的總用戶接收功率為：

(8)

定義噪聲抬升為基站總的寬帶接收功率與噪聲功率之比，即：

(9)

定義上行鏈路負(fù)荷因子ηUL為：

(10)

ηUL表示基站接收端用戶信號(hào)功率占寬帶總接收功率的比值，因此噪聲抬升可表示為：

(11)

公式(11)反映了基站接收端由用戶干擾引起的熱噪聲之外的噪聲抬升，并可計(jì)算出3 dB的噪聲抬升對(duì)應(yīng)50%的負(fù)荷因子，6 dB的噪聲抬升對(duì)應(yīng)75%的負(fù)荷因子。通常網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃假設(shè)上行負(fù)荷因子為50%，在單一業(yè)務(wù)的情況下，根據(jù)公式(10)可以求出每個(gè)小區(qū)所能提供的信道數(shù)，進(jìn)而求出滿足上行容量所需的總基站數(shù)。
2.2　下行容量規(guī)模估算
在下行鏈路中，基站功率被小區(qū)內(nèi)的所有用戶共享。當(dāng)基站總功率中沒有多余的功率分配給一個(gè)新增用戶時(shí)，空中接口就達(dá)到了容量限制，即當(dāng)一個(gè)基站為使其全部用戶正常運(yùn)行而發(fā)送的總功率超過了基站的額定功率時(shí)，下行鏈路就達(dá)到了受功率限制的容量，因此下行容量受限于基站總的發(fā)射功率。與上行鏈路容量分析方法類似，下行鏈路容量分析的出發(fā)點(diǎn)仍是解調(diào)信號(hào)要求的Eb/No值。
2.3　坎貝爾法
WCDMA網(wǎng)絡(luò)是多業(yè)務(wù)并存的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)小區(qū)容量的估算不能簡(jiǎn)單地用純語音業(yè)務(wù)來估算，不同業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)速率和所需的Eb/No不同，對(duì)系統(tǒng)的影響也不相同，因此目前一般采用混合業(yè)務(wù)來進(jìn)行估算�；旌蠘I(yè)務(wù)的容量估算有等效愛爾蘭法、后愛爾蘭法和坎貝爾法，其中前兩種方法都有一定的缺陷，而基于坎貝爾理論的混合業(yè)務(wù)容量估算方法將不同業(yè)務(wù)對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷產(chǎn)生的影響等效為多個(gè)語音信道對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷產(chǎn)生的影響，可計(jì)算出混合業(yè)務(wù)條件下，小區(qū)的復(fù)合信道數(shù)和復(fù)合愛爾蘭數(shù)，因此可用該方法對(duì)容量規(guī)模進(jìn)行估算。
坎貝爾法的基本原理是將所有業(yè)務(wù)按一定原則等效成一種虛擬業(yè)務(wù)，并計(jì)算此虛擬業(yè)務(wù)的總話務(wù)量，然后計(jì)算滿足此話務(wù)量所需的虛擬信道數(shù)，進(jìn)而折算出滿足網(wǎng)絡(luò)容量的實(shí)際信道數(shù)�？藏悹柲Ｐ偷牡刃г�理如下：

(12)

其中，c是容量因子，v是混合業(yè)務(wù)方差，a是混合業(yè)務(wù)均值，ai是業(yè)務(wù)i的等效強(qiáng)度，Ci是業(yè)務(wù)i需要的信道數(shù)，OfferedTraffic是虛擬業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量，Capacity是滿足虛擬業(yè)務(wù)量需要的虛擬信道數(shù)。目前WCDMA網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃多采用坎貝爾法進(jìn)行估算，以下通過案例來闡述此方法的應(yīng)用。
3、使用坎貝爾法進(jìn)行容量規(guī)劃的案例
本案例的容量規(guī)模估算僅針對(duì)WCDMA上行方向進(jìn)行估算，由于上下行方向的原理相同，故在此不再對(duì)下行進(jìn)行分析。
假設(shè)某地區(qū)業(yè)務(wù)模型數(shù)據(jù)如下：系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)載為50%，語音業(yè)務(wù)阻塞率為2%，鄰區(qū)干擾因子為0.65，正交因子為0.6，城區(qū)面積為40.8 km2。規(guī)劃區(qū)域內(nèi)業(yè)務(wù)的情況見表1。

表1　某地區(qū)業(yè)務(wù)模型數(shù)據(jù)（上行方向）

3.1　計(jì)算各種業(yè)務(wù)的強(qiáng)度
●語音：1
     ●低速數(shù)據(jù)：32×1×100.27/(12.2×0.67×100.5)=2.3
     ●高速數(shù)據(jù)：64×1×100.24/(12.2×0.67×100.5)=4.3
     ●視頻：64×1×100.37/(12.2×0.67×100.5)=5.8
3.2　計(jì)算均值、方差和容量因子
假設(shè)小區(qū)數(shù)為，則每個(gè)小區(qū)的混合業(yè)務(wù)量均值和方差分別為：
     ●a=(3000×1+400×2.3+100×4.3+5×5.8)/n=4381.39/n
     ●v=(3000×12+400×2.32+100×4.32+5×5.82)/n=7145.45/n
     ●容量因子為C=v/a=1.63
3.3　計(jì)算虛擬業(yè)務(wù)量和虛擬信道數(shù)
OfferedTraffic=a/c=2687.969/n
因?yàn)樽兞縩的存在，無法直接通過ErlB表查詢小區(qū)的虛擬信道數(shù)，但是根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載要求，每個(gè)小區(qū)所能提供的等效語音業(yè)務(wù)信道數(shù)是可知的。反向容量計(jì)算見公式(13)：

(13)

根據(jù)公式(13)可以求出在50%以下的負(fù)載要求下，系統(tǒng)能提供的等效語音信道數(shù)是45。

(14)

根據(jù)公式(14)可求出虛擬信道數(shù)Capacity=(45－1)/1.63=26，查ErlB表，得出在2%阻塞率下，小區(qū)的虛擬業(yè)務(wù)量為18.38，由2687.969/n=18.38可得n=146，即146個(gè)小區(qū)。若采用三扇區(qū)的基站，則滿足該密集城區(qū)的上行容量需要49個(gè)基站。
4、結(jié)束語
覆蓋估算和容量估算為大致了解規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的基站規(guī)模提供了依據(jù)。在覆蓋估算和容量估算的結(jié)果中，覆蓋估算所需的基站數(shù)量大于容量估算所需的基站數(shù)量，特別是在建網(wǎng)初期。一般情況下，覆蓋估算的基站規(guī)模就是網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算之后，就可以大致確定基站的數(shù)量和密度，利用專業(yè)仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)模估算結(jié)果的驗(yàn)證工作。通過仿真來驗(yàn)證估算的基站數(shù)量和密度能否滿足規(guī)劃區(qū)對(duì)系統(tǒng)的覆蓋和容量要求，以及混合業(yè)務(wù)可以達(dá)到的服務(wù)質(zhì)量。