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3G无线网络系统规划(1)

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杨利霞

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发表于 2019-4-25 15:45 |只看该作者 |倒序浏览

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3G无线网络系统规划(1)

此文章是作者对课堂所学的兴趣拓展，作者通信工程专业本科在读，才疏学浅，请雅正。
阅读本文您可能需要了解的专业术语

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基站(Basic Station)：公用移动通信基站，是无线电台站的一种形式。简单来说，基站就是在一定的无线电覆盖区中将用户手中的移动终端（有时也叫移动台）和移动通信交换中心通过无线电收发的形式进行信息交换的重要基础设施。
CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)系统：整合了频域、时域和码域三维信号处理的一种多址接入协作技术系统。基于码分技术（扩频技术）和多址技术的CDMA系统能为每个用户分配各自的特定的地址码，使得不同用户在时间、空间和频率上都可以重叠，通信内容互不干扰。这里的“互不干扰”指的是用户虽然被允许在相同的时间、空间和频点上重叠，但不同用户之间的通信并不会因此而错乱，但与此同时，CDMA系统又是一个“自干扰”系统。这里的“自干扰”指的是噪声干扰并区别于上文提到的通信内容“互不干扰”。有关“自干扰”的理解将在下一小节来讨论。目前国际上最具代表性的3G CDMA技术标准有三种：TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。
TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址)：由中国提出，中国具有该技术的知识产权，由中国移动运营。TD-SCDMA是时分双工，不需要成对的频带，且上行和下行的信道特性基本一致。在频谱利用率、对业务支持具有灵活性等独特优势，但在网络速度和稳定性方面较差。
WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址)：在中国由中国联通运营。使用非成对或者成对频段，一个用于上行一个用于下行。WCDMA码片速率高，能够支持高速移动的移动终端。
CDMA2000(Code Division Multiple Access 2000): 在中国交由中国电信运营。1xEV-DO(CDMA2000 1xEV-DO简称->Evolution-Data Only->发展-只是数据)是CDMA2000的第一阶段演进技术，用于3G数据业务。
无线网络规划的目标

小节整理自中国通信学会普及与教育工作委员会相关文献
移动网络通信中三分之二的投资用于无线网络，主要包括基站和基站控制器等。因此，合理布站，精心规划，减少无线网络的投入应该成为移动通信网络规划的重心。

无线网络规划的目标就是在保证服务质量的前提下，以最小的成本构建一个覆盖最大、容量最大的无线网络。

具体的目标有：

达到服务区内最大程度的时间、地点的无线覆盖；
减少干扰，达到系统最大可能容量；
最优化设置无线参数，最大提高系统服务质量；
在满足容量和服务质量的前提下，尽量减少系统设备成本；
科学预测话务分布，确定最佳基站分布网络结构；
考虑网络的未来发展和网络需要。
不同3G系统的无线网络规划比较

比较项目 TD-SCDMA WCDMA 1X EV-DO
呼吸效应注[1] 有一定的呼吸效应；覆盖受负荷影响小区注[2]呼吸效应明显；覆盖对负荷明显小区呼吸效应明显；覆盖对负荷敏感
容量规划混合业务容量估算；需结合时隙估算混合业务容量估算混合业务容量估算
扩容方式增加载波注[3]；小区分裂注[4] 增加载波；小区分裂增加载波；小区分裂
覆盖规划采用链路预算方式进行；主要参考上行注[5]；具体参数种类和取值有个性采用链路预算方式进行；主要参考上行；具体参数种类和取值有个性采用链路预算方式进行；主要参考上行；具体参数种类和取值有个性
频率规划 N频点方式，形成主载波异频；较为复杂初期单载波；后期增加载波，相对简单需要与1X隔频
码资源规划 128个扰码注[6]，资源紧张，规划较为复杂 512个主扰码，资源丰富，相对简单重点规划PN码注[7]，需要考虑与1X系统的协同
切换注[8]规划采用硬切换注[9]和接力切换注[11]；重点考虑邻接关系和信号强度采用软切换注[10]。需要考虑软切换比例的折中前向采用虚拟切换注[12]，反向采用软切换或硬切换
时隙注[13]规划按业务预测配置时隙转换点无此项无此项
专业术语扫盲

呼吸效应注[1]：在CDMA系统中，当一个小区的干扰信号很强时，基站的实际有效覆盖面积会缩小；反之，当干扰信号很弱时，基站的有效覆盖面积会增大。
小区(cell)注[2]：也称蜂窝小区，这不是我们所居住的小区，它是指在蜂窝移动通信系统中，其中的一个基站或基站的一部分（扇形天线）所覆盖的区域，在这个区域内移动终端（移动台）可以通过无线信道可靠地与基站进行通信。
载波注[3]：未受调制的周期性振荡信号称为载波，载波可以是正弦波，也可以是非正弦波（如周期性脉冲序列）。通俗理解，要传送的信息跑不到那么远的地方（可能在途中就被损耗殆尽了），它需要一个“交通工具”，一个可以跑很远的“交通工具”——载波。一般要求正弦载波的频率远远高于调制信号的带宽，否则会发生混叠，使传输信号失真。
小区分裂注[4]：移动通信网初期，各小区大小相等，容量相同，随着城市建设和用户数的增加，用户密度不再相等。为了适应这种情况，在高用户密度地区，将小区面积划小，或将小区中的基站全向覆盖改为定向覆盖，使每个小区分配的频道数增多，满足话务量增大的需要，这种技术称为小区分裂。通俗的理解，本来一个基站覆盖的小区内，基站可以满足小区的话务需求，后来小区用户增加了很多，原来的基站虽然依旧可以覆盖这个小区，但是资源已经不够小区内的用户使用了，此时我就需要把小区分裂成更小的小区，这样一来小区数就增加了，新增的小区将使用新的资源来覆盖，已满足所有用户的正常使用。
上行和下行注[5]：首先要了解通信中的单工、半双工和全双工。
单工就是永远只能我呼叫你或者你呼叫我，比如以前的寻呼机就是典型的单工设备，它只能被呼叫；
半双工就是一台设备既能接收信息也能发送信息，但是接收和发送不能同时进行，例如我们日常使用的对讲机，当对讲双方有一方在讲话（发送）时，另外一方只能听话（接收），直到前者结束讲话，后者才能开始讲话；
全双工又称双工，指的是一台设备能同时进行发送和接收，例如我们人手一部的手机就是这样的设备，当我们在接听电话（接收）时，抛开礼貌问题，我们可以随时插话（发送）。
要实现双工，就需要同时存在上行和下行协同工作。上行，也叫反向，指移动终端（移动台）发送，基站接收；下行，也叫前向，指基站发送，移动终端（移动台）接收。想象一下，基站总是建在高高的铁塔上，我们在塔下拨打电话，手机发送的请求需要向上传播到基站，就是信号上行；相反，当我们接到电话，基站会从铁塔上向下给我们发送信息告诉我们有人来电了，就是信号下行。
扰码注[6]：顾名思义，扰就是干扰的意思，但是这里扰码不是对自己进行干扰，而是使自己的序列被打乱再发送，这样在接收端使用相同的扰码解码就可以还原原本的序列，得到正确的信息。如此看来，扰码是对“非我”进行干扰，也就是说，这个信息不是给你的，你拿到了你也识别不出来，因为你拿到的是被扰乱的信息。所以扰码的第一个意义就是实现信息加密。再者，所有数字信号的传送研究，都是建立在’0’和’1’等概率出现的前提下，所以扰码的第二个意义，或者说是任务，就是使信息等概率。最后，假如信号编码后出现了连续’0’或者连续’1’，在解码的过程有极大的可能发生错误解码，所以扰码的第三个意义是打断信号编码中的连续’0’和连续’1’，为正确解码奠定基础。
PN(Pseudorandom Noise)码注[7]：即伪随机数，是一种具有与白噪声类似的自相关性质的0和1所构成的编码序列。是构成扰码的成分。
切换注[8]：切换(handover)是指在移动通信的过程中，在保证通信不间断的前提下,把通信的信道从一个无线信道转换到另一个无线信道的这种功能。这是移动通信系统不可缺少的重要功能。分为硬切换和软切换。
硬切换注[9]：硬切换是在不同频率的基站或覆盖小区之间的切换。这种切换的过程是移动台先暂时断开通话，在与原基站联系的信道上，传送切换的信令，移动台自动向新的频率调谐，与新的基站接上联系，建立新的信道，从而完成切换的过程。简单来说就是“先断开、后切换”，切换的过程中约有1/5秒时间的短暂中断。
软切换注[10]：软切换是发生在同一频率的两个不同基站之间的切换。当移动台处于切换状态下，同时将会有两个甚至更多的基站对它进行监测，系统中的基站控制器将逐帧比较来自各个基站的有关这部手机的信号质量报告，并选用最好的一帧。可见软切换是一个“建立-比较-释放”的过程。
接力切换注[11]：接力切换是一种改进的硬切换技术，可提高切换成功率，与软切换比，可以克服切换时对邻近基站信道资源的占用，能够使系统容量得以增加。
虚拟切换注[12]：虚拟切换是1x EV-DO所特有的切换方式。理解虚拟切换类似于软切换：在1x EV-DO前向（上行）通信时，移动台先与将要切换的基站预先取得联系，在一系列确认可以切换之后，才将信号切换过去新站，在此过程中，移动台与基站联系时，仅仅交换信息以判断能否切换，实际上还没有切换，只有在确认之后才会切换。而软切换如上文所述，是先与新站建立连接之后（请注意：此时有两条可以通信的连接）再与旧站断开连接。
时隙(time slot)注[13]：是电路交换汇总信息传送的最小单位。通常指PCM E1和T1信号中的一个话音信道(64kbps)，是时分复用(TDM:Time Division Multiple)模式中的一个时间片。需要注意的是，时隙规划是TD系统所特有的。
呼吸效应

呼吸效应是CDMA系统所特有的。

读者是否还记得在文章开头笔者对CDMA系统的阐述中提到CDMA是个“自干扰”系统。由于CDMA系统允许同一小区内的用户在同一时间、同一频点上同时通信（因为CDMA是Code Division Multiple Access，即码分多址，是以扰码来区分相同时域、频域内的不同用户的），用户移动台仅需根据不同的扰码在基站发射出来的相同的信号中提取并解码出属于自己的那部分就可以实现下行通信。但往往一个用户仅需要一整个基站信号中的某一小部分（其他部分属于其他用户），此时，其他部分的信号对于这个用户来讲便成为噪声。因此，用户移动台若想要正常接收信号，就必须提高自己的接收功率，同时基站也会给该移动台增加发射功率，对于小区内的其他众多用户来讲也是如此，但由于功控的存在，CDMA系统的功率无法一直增加。

上行通信也是如此，由于移动台都在提高自己的功率，基站接收到的总功率增加，底噪也相应增加，信号弱电平低的信号将不能够被基站提取出来，造成掉话。当小区内通话用户到达一定量的时候，由于移动台和基站的功率都在增加，基站的功率无法无限增加，所以基站的边缘覆盖将会收缩，边缘覆盖地区的用户将无法正常接入系统；而当基站内的用户数量减少时，系统内的总功率都会降低，基站的边缘覆盖又会恢复，处于边缘地区的用户可以获得来自基站的足够的功率，因此他们又可以重新接入系统，这样一来基站的覆盖范围又变大了。如此一缩一张间就好像一呼一吸，便是所谓的『呼吸效应』。

还记得我们上面说到的吗：呼吸效应是CDMA系统所特有的。所以对于不同制式的CDMA系统，都会受到呼吸效应的影响。比如中国移动的TD-SCDMA，中国联通用的WCDMA，中国电信用的1xEV-DO。它们的覆盖范围都会受到基站的负荷的影响（因为上文说到的呼吸效应）。因此在网络规划中，如何确定CDMA系统的基站覆盖就显得尤为重要了（建少了“供不应求”，建多了“供过于求”，且成本太高）。
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zan