WCDMA網(wǎng)絡容量估算

1、概述
WCDMA網(wǎng)絡規(guī)模估算是根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)劃的覆蓋目標、容量目標和質量目標得出滿足需求的配置和設備數(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)絡的干擾水平有關，其覆蓋和容量相互影響，當網(wǎng)絡負載較輕時，覆蓋距離較遠；當網(wǎng)絡負載加重時，由于用戶干擾功率上升，小區(qū)覆蓋會自動收縮，因此需要從覆蓋和容量兩方面著手計算所需的基站規(guī)模。
覆蓋估算方法對前向覆蓋和反向覆蓋進行估算，得到小區(qū)的覆蓋半徑，然后計算所需的基站數(shù)量；容量估算方法對前向容量和反向容量進行估算，得到小區(qū)的容量，然后計算所需的基站數(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。當語音為主要業(yè)務時，容量為上行受限；當數(shù)據(jù)業(yè)務吞吐量達到一定比例后，容量轉為下行受限。在2G CDMA網(wǎng)絡中，語音為主要應用業(yè)務，其上下行業(yè)務流量較為對稱，容量主要是上行受限，因此主要關注上行的容量計算。但在WCDMA網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)業(yè)務的比重顯著增加，且網(wǎng)絡上下行的業(yè)務流量普遍呈現(xiàn)出不對稱的特性，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方向分別進行估算。
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，經過編碼以后，每個信號成為其他信號的噪聲(干擾)，因此每個信號都包含在由其他用戶產生的寬帶干擾背景中。為了接入一個呼叫，基站的接收信號必須達到業(yè)務解調要求的Eb/No。
第j個用戶的Eb/No為：
     (Eb/No)j=用戶j的處理增益×用戶j的信號功率/總接收功率(除去自身的信號)　 (1)
可將公式(1)簡化為：
     (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的信號接收功率，Itotal是基站處包括熱噪聲功率在內的總的寬帶接收功率。從式(2)可知，用戶信號要達到解調要求，其在基站接收端的接收功率應滿足公式(3)：

(3)

定義一個連接負荷因子Lj，用來表示用戶信號功率占基站總接收功率的比例：

(4)

則單個用戶信號功率Pj可表示為：
Pj=LjItotal　　(5)
得到來自同一小區(qū)內的所有用戶(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)外移動臺的干擾不通過本小區(qū)基站進行功率控制，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)

定義上行鏈路負荷因子ηUL為：

(10)

ηUL表示基站接收端用戶信號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，并可計算出3 dB的噪聲抬升對應50%的負荷因子，6 dB的噪聲抬升對應75%的負荷因子。通常網(wǎng)絡規(guī)劃假設上行負荷因子為50%，在單一業(yè)務的情況下，根據(jù)公式(10)可以求出每個小區(qū)所能提供的信道數(shù)，進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)內的所有用戶共享。當基站總功率中沒有多余的功率分配給一個新增用戶時，空中接口就達到了容量限制，即當一個基站為使其全部用戶正常運行而發(fā)送的總功率超過了基站的額定功率時，下行鏈路就達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)點仍是解調信號要求的Eb/No值。
2.3　坎貝爾法
WCDMA網(wǎng)絡是多業(yè)務并存的網(wǎng)絡，對小區(qū)容量的估算不能簡單地用純語音業(yè)務來估算，不同業(yè)務的業(yè)務速率和所需的Eb/No不同，對系統(tǒng)的影響也不相同，因此目前一般采用混合業(yè)務來進行估算�；旌蠘I(yè)務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)務容量估算方法將不同業(yè)務對系統(tǒng)負荷產生的影響等效為多個語音信道對系統(tǒng)負荷產生的影響，可計算出混合業(yè)務條件下，小區(qū)的復合信道數(shù)和復合愛爾蘭數(shù)，因此可用該方法對容量規(guī)模進行估算。
坎貝爾法的基本原理是將所有業(yè)務按一定原則等效成一種虛擬業(yè)務，并計算此虛擬業(yè)務的總話務量，然后計算滿足此話務量所需的虛擬信道數(shù)，進而折算出滿足網(wǎng)絡容量的實際信道數(shù)。坎貝爾模型的等效原理如下：

(12)

其中，c是容量因子，v是混合業(yè)務方差，a是混合業(yè)務均值，ai是業(yè)務i的等效強度，Ci是業(yè)務i需要的信道數(shù)，OfferedTraffic是虛擬業(yè)務的業(yè)務量，Capacity是滿足虛擬業(yè)務量需要的虛擬信道數(shù)。目前WCDMA網(wǎng)絡容量規(guī)劃多采用坎貝爾法進行估算，以下通過案例來闡述此方法的應用。
3、使用坎貝爾法進行容量規(guī)劃的案例
本案例的容量規(guī)模估算僅針對WCDMA上行方向進行估算，由于上下行方向的原理相同，故在此不再對下行進行分析。
假設某地區(qū)業(yè)務模型數(shù)據(jù)如下：系統(tǒng)設計負載為50%，語音業(yè)務阻塞率為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)域內業(yè)務的情況見表1。

表1　某地區(qū)業(yè)務模型數(shù)據(jù)（上行方向）

3.1　計算各種業(yè)務的強度
●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　計算均值、方差和容量因子
假設小區(qū)數(shù)為，則每個小區(qū)的混合業(yè)務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　計算虛擬業(yè)務量和虛擬信道數(shù)
OfferedTraffic=a/c=2687.969/n
因為變量n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)的負載要求，每個小區(qū)所能提供的等效語音業(yè)務信道數(shù)是可知的。反向容量計算見公式(13)：

(13)

根據(jù)公式(13)可以求出在50%以下的負載要求下，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)務量為18.38，由2687.969/n=18.38可得n=146，即146個小區(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個基站。
4、結束語
覆蓋估算和容量估算為大致了解規(guī)劃區(qū)域內的基站規(guī)模提供了依據(jù)。在覆蓋估算和容量估算的結果中，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)絡的規(guī)模。網(wǎng)絡規(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)仿真軟件進行網(wǎng)絡規(guī)模估算結果的驗證工作。通過仿真來驗證估算的基站數(shù)量和密度能否滿足規(guī)劃區(qū)對系統(tǒng)的覆蓋和容量要求，以及混合業(yè)務可以達到的服務質量。