WCDMA城市无缝覆盖
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资料介绍：
摘? 要
第三代移动通信系统（3G）是工作于2GHz频段的宽带移动通信系统，它区别于第一代和第二代移动通信系统的主要特点是：全球无隙漫游；具有支持信息速率高达2Mbit/s的多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务；便于过渡、演进；更高的频谱效率、更低的电磁辐射、更好的读物质量等。
本文介绍了WCDMA无线网络工程方面的相关知识，主要点是在对于WCDMA的应用“城市无缝覆盖”方面的有关组网方案的建立、比较，以及无线网络的相关内容。即如何让第三代移动通信信号在城市里更稳定的在每一个角落。在组网方案中采用分布式覆盖解决方案通过采用分布式覆盖技术，将WCDMA系统的容量转化为覆盖，在节省机房的前提下改善系统覆盖性能。分布式覆盖技术是将大容量宏蜂窝基站集中放置在可获得的中心机房中，基带部分集中处理，射频部分通过光纤拉远，分置于网络规划所确定的站点上。
同时本文采用了，Matlab这个强大的软件，进行不同的网络组网方案的性能比较分析仿真。最有根据建立的模型和Matlab的仿真确定最终的最优组网方案。
WCDMA即WidebandCDMA，也称为CDMADirectSpread，意为宽频分码多重存取，其支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡，而GSM系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高。因此W-CDMA具有先天的市场优势。
第三代移动通信系统（3G）是工作于2GHz频段的宽带移动通信系统，它区别于第一代和第二代移动通信系统的主要特点是：全球无隙漫游；具有支持信息速率高达2Mbit/s的多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务；便于过渡、演进；更高的频谱效率、更低的电磁辐射、更好的读物质量等。
1.1 WCDMA的发展和现状
WCDMA的推出适应了数据业务和移动通信两大业务的发展。随着计算机、互联网的迅速普及，数据业务已经渗入到各行各业，用户需要使用更加方便灵活、速率更快的数据业务服务，WCDMA借助宽带、无线接入、可变的无线承载速率、灵活的Qos控制等特点，很好的适应了数据业务的发展。同时，移动通信也在快速发展，人们越来越多的依靠移动通信实现沟通，对网络容量的需求迅速的增长，相对于有限的频率资源，对移动通信技术的频谱利用率提出了更高的要求。WCDMA是最早、也是最完善的3G移动通信体制，为全球3G运营商所广泛采用。
WCDMA网络开展的业务有：Web浏览、 WAP浏览、 E-mail、铃声/图片下载、视/音频业务、电子商务、短消息以及多媒体短消息等，依靠丰富的业务品种和良好的业务质量，WCDMA将能够取得良好的发展。
1.2 WCDMA标准的演进
WCDMA标准由第三代合作伙伴计划组织(3GPP) 制订，已有R99、R4、R5三个版本完成定稿，现阶段正在进行R6版本的制订工作。目前在全球已经安装和试开通的 WCDMA 网络都是基于R99版本的，其最大的特征在于网络结构上继承了GSM/GPRS 核心网结构，与GSM不同的是在无线接入网部分引入了全新的无线接口WCDMA ，并采用了分组化传输，更有利于实现高速移动数据业务的传输。R4版本主要特点是支持先进核心网络，针对R99基于TDM的电路核心网进行了很大改进，提出与承载无关的电路交换网络BICSCN的概念。目前计划的R6主要特性包括： UTRAN和CN传输增强；无线接口增强；多媒体广播和多播MBMS；数字权限管理DRM；WLAN-UMTS互通；优先业务；通用用户信息GUP；网络共享；不同网络间的互通等。
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WCDMA标准及它的3个版本：
新获取移动网络运营牌照的运营商，其决定部署UMTS网络是面临的第一个问题就是选择标准的哪一个版本。3GPP WCDMA标准历经多年的努力，目前已有R99，R4，R5三个版本完成定稿，其中最新的R5版本于2002年6月完成。其三个版本各有特色。
R99
R99接入部分主要定义了全新的5MHz每载频的宽带码分多址接入网，采纳了功率控制、软切换及更软切换等CDMA关键技术，基站只做基带处理和扩频，接入系统智能集中于RNC统一管理，引入了适于分组数据传输的协议和机制，数据速率可支持144Kbit/s 、384Kbit/s ，理论上可达2Mbit/s 。基站和RNC之间采用基于ATM的Iub接口，RNC分别通过基于ATM AAL2的Iu-CS和AAL5的Iu-PS分别与核心网的CS域和PS域相连。
在核心网定义的过程中，R99充分考虑到了向下兼容GPRS，其电路域与GSM完全兼容，通过编解码转换器实现话音由ATM AAL2至64K电路的转换，以便与GSMMSC互通。分组域仍然采用了GPRSSGSN和GGSN的网络结构，相对于GPRS，增加了服务级别的概念，分组域的业务质量保证能力提高，带宽增加。
从系统角度来看，系统仍然采用分组域和电路域分别承载与处理的方式，分别接入PSTN和公用数据网。从一般观点来看，R99比较成熟，较适用于需要立即部署网络的新运营商，同时也适用于拥有GSM/GPRS 网络的既有移动网络运营商，因其充分考虑了对现有产品的向下兼容及投资保护，目前的商业部署全都采用了R99，其主要优点在于：
1.技术成熟，风险小；
2.多厂商供货环境形成；
3.互联互通测试基本完成；
但也正因为考虑了向下兼容，R99也存在这样或那样的缺点：
1.核心网因为考虑向下兼容，其发展滞后于接入网，接入网已分组化的AAL2话音仍须经过编解码转换器转化为64K电路，降低了话音质量，核心网的传输资源利用率低；
2.核心网仍采用过时的TDM技术，虽然技术成熟，互通性好，价格合理，但未来存在技术过时，厂家后续开发力度不够，备品备件不足，新业务跟不上的问题，从5-10年期投资的角度来看，仍属投资浪费；
3.分组域和电路域两网并行，不仅投资增加，而且网管复杂程度提高，网络未来维护费用较高，演进思路不清晰；
4.网络智能仍然基于节点，全网新业务部署仍需逐点升级，耗时且成本高。
R4
? 相对于R99，R4无线接入网网络结构没有改变，改变的只是一些接口协议的特性和功能的增强，如引入直放站，解决复杂地形覆盖问题和扇区降低终端和基站的发射功率以提高容量， Node B 同步减少系统邻近小区的交调干扰，降低传输网络的成本，Iub和Iur上的AAL2连接的QoS优化、RRM(无线资源管理)的优化，Iu上RAB(无线接入承载)的QoS协商，增强的RAB支持，Iub、Iur和Iu上的传输承载过程的修改；而核心网电路域变化较大，主要体现在：
1.网络由TDM中心节点交换型演进为典型的分组话音分布式体系结构；
2.网络采用开放式结构，业务逻辑与底层承载相分离，话音分组化，由包方式承载， UTRAN
与核心网话音承载方式均由分组方式实现；
3.由于优化了话音编解码转换器，改善了WCDMA系统网络内部话音分组包的时延，提高了话音质量，编解码转换有可能只需在与PSTN的公网网关上实现，同时提高了核心网传输资源的利用率；
4.同时，由于话音采用统计复用方式传递，相对于TDM 64K静态电路带宽分配而言，可提高传输网的效率，实现网络带宽动态分配，避免TDM扩容时需反复调配2M电路的烦琐程序。
但R4相对于R99，也存在缺点，主要体现在：
1.全新协议和技术；
2.目前暂时无商业部署；
3.互连互通有待测试；
4.与R99业务基本相同；
R5
? R5于今年6月间定稿，接入网中主要引入IP UTRAN和HSPDA的概念，IP可作为UTRAN的信令传输和用户数据承载， HSDPA支持高速下行分组数据接入，应用不同的技术实现手段，峰值数据速率可高达8-10Mbps 。采纳了混和ARQII/III以增强分组数据信号传输的可靠性和高效性，支持RAB增强功能，对Iub/Iur的无线资源管理进行了优化，增强了UE定位功能，支持相同域内的不同RAN节点与不同CN节点的交叉连接。
相对于R4，R5核心网增加了IMS(IP
MULTIMEDIA SUBSYSTEM)IP多媒体子系统，但由于标准刚刚定稿，同时大量业务由于时间关系，不得不推后到R6考虑，故IMS域目前还无法完全取代R4分组化的CS域，支持某些传统业务和满足管制规定方面的要求，换句话说，R5仍然需要R4分组化的CS域的部署，R5只是R4的补充和满足IP多媒体业务的需求的一个版本。
1.3? WCDMA专利的分布
WCDMA技术是由欧洲和日本共同提出。目前全球 WCDMA 基本专利掌握在约27家外国公司手中，其中高通公司、Ericsson 、Nokia拥有大部分专利，另外Motorola 、NTT、 Lucent 、 Inter
Digital等公司也都拥有WCDMA的部分基本专利，内容涉及扩频通信等WCDMA系统无法跨越的核心技术。
在《关于第三代公众移动通信系统频率规划问题的通知》发表后不久， NTT DoCoMo 、爱立信、诺基亚、西门子就受专利权保护的高速无线技术使用价格问题达成了共识，保证与 WCDMA技术相关的专利权使用价格小于装备价格的5%，以此推进 WCDMA技术的发展。
WCDMA市场应用
在IMT-2000 的3G核心频段上，目前已经发放了100多张WCDMA运营许可证，一批运营商将在2002年底和2003年推出服务。
奥地利移动运营商Mobilkom已正式推出3G服务。稍后，芬兰运营商Sonera宣布启动3G服务。沃达丰的3G计划正在推进，将于2002年底开通在欧洲的多数网络并开始试运行，等到2003年有足够的GSM/WCDMA双模手机后就可以推出商用服务。20多个WCDMA网络正在安装、调测中。包括奥地利、法国、德国、芬兰、意大利、挪威、瑞典、荷兰、西班牙、葡萄牙等国的运营商。
韩国的第一和第二大运营商 SKTelecom 和 Korea Telecom表示他们将采用WCDMA技术。日本最大的运营商NTT DoCoMo 已经在2001年10月推出了WCDMA业务。
1.4 WCDMA与GSM的对比差异
WCDMA小区覆盖是上行受限的，在设计中考虑手机上行功率分布非常重要，因为它可以反映上行链路的覆盖水平。通过设置不同的上行功率要求门限值可以反映不同的覆盖区域———室内、车载、室外、无覆盖等。这些门限值的设置通过用手机的最大发射功率(21dBm)减去阴影余量，减去穿透损耗余量。
覆盖举例
以下是一个密集市区各环境的上行功率门限值的举例，请注意这里只考虑不同覆盖要求所需的穿透损耗平均值。
·室内：21dBm-20dB=1dBm
·车载：21dBm-7dB=14dBm
·室外：21dBm-0dB=21dBm
以上的门限值表示：如果手机所需发射功率小于1dBm的区域表示可以达到室内覆盖。手机所需发射功率大于1dBm，但小于14dBm的区域表示可以达到车载覆盖。同样，手机所需发射功率大于14dBm，但小于21dBm的区域表示可以达到室外覆盖。而手机所需发射功率大于21dBm的区域表示可能存在覆盖盲区。
作为第三代无线网络的WCDMA系统不仅仅支持传统的话音业务，而且支持高速率的数据业务。链路预算必须考虑数据业务的覆盖要求。由于数据业务往往在上行链路和下行链路有着十分显著的速率不对称性，这一特性应在系统的设计中得到充分体现。比如说，上行覆盖的目标可以设计成64比特每秒连续覆盖，而在该覆盖区内支持更高的(12.8384万比特每秒)下行数据传输速率。北电网络45W功放的基站设计正是把这种业务的不对称性融入其中，基于这种基站所做的无线网络设计便能有效地支持非对称性业务。
覆盖与容量
GSM系统中同一频点的复用必须满足一定的空间隔离要求。空间隔离要求取决于载干比(C/I)。也就是说，来自同一频点的有用信号要高于干扰信号一定的比值。GSM系统小区的覆盖上一节已谈过，其容量则取决于载干比及硬件配置，上、下行容量是对称的。而WCDMA采用编码扩频技术，频率复用为一，干扰信号来自本小区及所有邻近小区，因而是自干扰系统。干扰信号经扩频后形成许多微弱噪声的叠加。噪声累加会造成系统容量损耗。正因为这种同频率的干扰特性，WCDMA系统的容量和覆盖是相关的。上行容量和下行容量是独立的，设计时最受限链路决定系统容量。因为基站功率在每一扇区由所有用户及信令共享，增加干扰或覆盖均会导致系统容量下降。在规划设计WCDMA网络时，按最受限上行链路确定覆盖，按最受限下行功率确定容量。WCDMA系统在下行用导频信号强度与系统总干扰的比值来衡量覆盖水平，显然它与系统的干扰水平相关。总之，WCDMA系统上下行容量均与覆盖相关。WCDMA系统设计是覆盖与容量的平衡过程。北电网络在这方面也积累了大量的经验。
软切换
GSM系统使用频率分割，小区之间的移动采用不同频点的硬切换。GSM规划设计时要留出足够的切换区，也就是说，足够的小区重叠以确保硬切换的成功率。而WCDMA系统则采用软切换，即终端同时跟多个小区保持无线连接，软切换是WCDMA(CDMA)系统所独有的，软切换增益可以提高小区边界的通话质量，或增加覆盖区域。软切换增益可以减小小区间重叠，扩展小区覆盖。因而在链路预算中要加入软切换增益。这是GSM系统设计中没有的。另一方面软切换使得多链路下行功率发射，影响系统容量。WCDMA网络规划设计强调控制主服务小区的有效覆盖，减少不必要的切换区。
由于其自干扰系统，WCDMA系统设计中天线的选择直接影响到相邻小区或扇区间的干扰控制的好坏，采用65°水平波瓣宽的天线做三扇区覆盖要明显好于GSM系统设计中常采用的90°水平波瓣宽的天线。其原因仍然是软切换与硬切换的差别。WCDMA的软切更换不需要过大的扇区间重叠。另外天线高度在同一范围内应与周围天线高度相当，天线过高，容易造成越区覆盖，造成导频污染，影响系统的容量和质量。这是WCDMA系统设计中特有的，同样是北电网络大量CDMA网络的经验总结。
综上所述，依据北电网络在网络建设上的丰富经验，可以从无线网络规划设计角度阐述GSM、WCDMA系统的一些主要不同点及其对系统的影响。正确理解了这些要点将会有利于指导系统的规划设计，在一开始便确立一个良好的无线网络结构，从而避免后期不必要的优化调整，节约投资，降低网络运维成本，在保证高质量的服务前提下，使网络的容量和性能得到最充分发挥。
1.5 WCDMA 与TD-SCDMA 基站部署的规划
首先从频率规划来看，我们知道在国际电联对于3G的频率跟FDD和TDD做了一个安排，我们国家也对3G频率做了规划，这表上可以看出来FDD我们国家和国际电联的规定差不多，总带宽都是90MHz。对时分双工方式我们与国际电联差距很大，国际电联只有50MHz，我们国家增加了2300-2400带宽，这样我们比国际电联规定的多了105M。总的频率分配我们国家有这样的安排，给了TDD制式很大的支持。这表明中国政府的3G标准的打了强力的支持，为推进产业化打下有利的基础。一个运营商组建一个完整的组网方案，宏蜂窝需一个频点完成大面积覆盖，微蜂窝需要一个品点覆盖热点或盲区，微微蜂窝需要一个品点提供室内分布，运营商之间需要1个频点的保护间隔，这就需要4个频点才能实现网络覆盖的基本功能。对数据业务贷款的需求是话音带宽高2倍，需要20M的带宽。这样考虑把TD-SCDMA与WCDMA组网来比较，TD-SCDMA单载波带宽16M，核心频段55M，补充频段100M，WCDMA分别是10M、120M、60M。TD-SCDMA核心频点33个，补充频点62个，网需频点18个，网数5个。对于WCDMA采用90×2，核心频点12个，补充频点6个，网需频点6个，网数3个。因为FDD不能光给WCDMA，还有CDMA2000，所以从这个来比较。TD-SCDMA频率资源比较丰富，由于全球频率发放的时候，当时许可证124张里面TDD占有104张，这就为将来TD-SCDMA将来在全球推广和漫游创造一个得天独厚的有利条件。这是我从频率规划来看TDD规划的优势，频率资源丰富，可以支持的运营商更多。FDD频率相对来讲两个体制，要比这个差一些。
另外从频谱效率来看，对话音业务10M频率带宽按照0.02Erl，WCDMA满载可以支持64个，由于呼吸效应采用50%轻载，12.2k话音信道覆盖3200个用户。TD-SCDMA可以支持144个，没有呼吸效应可以满载12.2k话音信道可以覆盖7200个用户。如果采用数据传输之后，因为TD-SCDMA是有时分双工，上下时限可以调整。
下面谈网络规划，网络用户数的增加，或者业务量的增加会使得覆盖半径收缩，WCDMA呼吸效应明显。TD-SCDMA在这两年实验里面已经验证呼吸效应很弱的，不会随用户数增加，或者业务量增加，使得覆盖半径减小，由于这样的特点带来下面网络规划，WCDMA需要同心覆盖，数据业务量越高同心圆越小，所以要一次规划，分期建设。TD-SCDMA可以同径覆盖，不管什么样的业务都是同样一个半径，就可以多次规划，分层建设。在网络优化方面WCDMA需要同频加站补盲硬优化的方法，TD-SCDMA可以异频加站补盲的方法。
由于TD-SCDMA呼吸效应很弱，所以网络可以利用原来的站址，这样带来成本上的很大差异。从系统设备成本比较，WCDMA单基站成本和单信道成本不一样的，单基站成本WCDMA略微有点优势，这方面和TD-SCDMA差不多，对单信道成本，TD-SCDMA只有44%，而单信道WCDMA要100%。另外从各期建网成本来比较，建网可以分三阶段，一个初期覆盖驱动型，第二个容量驱动型，第三个成熟期。在覆盖型由于TD-SCDMA采用自动天线覆盖很大，所以基站数能节省30%以上，容量驱动型可以节省大量的时间成本用来提升业务收入，成熟期TD-SCDMA基站数要少15%以上。站址重用率WCDMA不超过60%，而TD-SCDMA可以达到90%。TD-SCDMA便于获得单一频段，可节省大量频率使用费，并具有可扰可控，支持异频叠加覆盖码资源规划灵活等特点，使网规网优设计简化，可为运营商节省大量技术培训费和人力资本费。加上专利和芯片的节约，将使运营商部署3G成本远少于其他3G技术。我对我们国家发展的建议，是集中全国力量，加快建设我国体制标准的第三代移动通信网。
1.6 WCDMA的主要特点
WCDMA的主要特点是：
1、信道复杂，可适应各种也无需求
2、更大的容量和更高的业务速率
3、功率控制更加完善
4、切换机制更加健全，有更为灵活的分层组网结构
5、对于分组数据业务，具有灵活的资源调度机制
6、WCDMA的干扰来自网内和网外
7、基站无需同步
1.7第三代移动通信无线接入关键技术
1、Rake多径分集接入技术
2、高效信道编码/解码技术
3、智能天线
4、多用户检测
5、正交频分复用
6、多入多出天线
7、MIMO与OFDM相辅相成
8、自适应调制和编码
9、混合ARQ协议
10、联合检测
11、双工方式
12、扩频编码技术
13、时域技术