1、引言

　　UMTS(Universal Mobile Telecommunication System，通用無線通信系統(tǒng))的功能就是在移動范圍內(nèi)向用戶提供多媒體業(yè)務(wù)。UMTS和多媒體業(yè)務(wù)不僅對RF(Radio Frequency)網(wǎng)絡(luò)有重要的影響，還會對核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。所以當(dāng)目前的GSM(Global System Mobile)運營商將他們的網(wǎng)絡(luò)升級以支持UMTS時，為了保護(hù)他們的基礎(chǔ)投資，必須采取謹(jǐn)慎的態(tài)度。

　　UMTS網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。核心網(wǎng)(CN，Core Network)負(fù)責(zé)呼叫控制和移動性管理，而UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network，陸地?zé)o線接入網(wǎng))則負(fù)責(zé)管理無線分組的傳輸和資源的管理。

圖1　UMTS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　在核心網(wǎng)內(nèi)分組的路由和傳輸由新網(wǎng)絡(luò)邏輯節(jié)點SGSN [Serving GPRS (General Packet Radio System)Support Node，GPRS服務(wù)支持節(jié)點]和GGSN(Gateway GPRS Support Node，GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點)支持。GGSN是具有移動性管理的分組路由器，它通過標(biāo)準(zhǔn)接口Ci與其他數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(比如因特網(wǎng))相連接。SGSN在它的服務(wù)范圍內(nèi)負(fù)責(zé)移動終端數(shù)據(jù)分組的傳遞。GGSN和SGSN支持的終端數(shù)據(jù)速率可以高達(dá)2Mbit/s。

　　一個UTRAN可以包括一個或者多個RNS(Radio Network Subsystem，無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng))，而一個RNS又包括基站Node B和RNC(Radio Network Controller，無線網(wǎng)絡(luò)控制器)。RNS負(fù)責(zé)無線資源和空中接口的管理。UMTS在UTRAN中的大部分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都繼承了GSM的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本文主要探討UMTS規(guī)劃和GSM規(guī)劃的差別。

　　UMTS采用WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)作為它的無線傳輸技術(shù)。受干擾的影響，通常TDMA(Time Division Multiple Access，時分多址)系統(tǒng)的RF規(guī)劃要比CDMA(Code Division Multiple Access，碼分多址)系統(tǒng)的RF規(guī)劃復(fù)雜。但是，由于UMTS服務(wù)的用戶有著各種不同的需求，因此UMTS的規(guī)劃在某些方面要遠(yuǎn)比GSM規(guī)劃復(fù)雜得多。

　　UMTS規(guī)劃過程的主要不同點在于它的容量規(guī)劃和覆蓋規(guī)劃。在GSM中，覆蓋規(guī)劃是在網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大小(基于市場的調(diào)研)確定后單獨進(jìn)行的，確定后才進(jìn)行容量和頻率的規(guī)劃。而在UMTS中，覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃是同時進(jìn)行的，這是因為容量的需求和業(yè)務(wù)的分布會影響覆蓋。頻率和碼子的規(guī)劃可以單獨進(jìn)行。另一方面，由于WCDMA具有寬帶特性(5MHz)，因此它的傳播環(huán)境也異于GSM系統(tǒng)(帶寬200Hz)，這也是規(guī)劃時必須考慮的問題。

2、UMTS空中接口

　　世界上多數(shù)UMTS網(wǎng)絡(luò)都選擇WCDMA作為其空中接口技術(shù)。該技術(shù)與TDMA和GSM中所采用的技術(shù)有很大不同。其基本的無線系統(tǒng)規(guī)劃思想與GSM和TDMA系統(tǒng)沒有根本變化，但是對于多數(shù)方面的細(xì)節(jié)規(guī)劃(比如鏈路預(yù)算)都必須進(jìn)行修改，以便滿足WCDMA技術(shù)的要求。另外，由于UMTS的業(yè)務(wù)可以是從8kbit/s電路交換的語音業(yè)務(wù)到2Mbit/s分組交換的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此無線系統(tǒng)的規(guī)劃過程與傳統(tǒng)的模型相比也必須稍微有所修改。

　　2.1　WCDMA空中接口規(guī)范

　　理解UMTS的空中接口特性對于網(wǎng)絡(luò)無線接口的規(guī)劃來說非常重要。WCDMA空中接口的主要特征為：

　　(1)采用QPSK直擴(kuò)調(diào)制。

　　(2)碼片速率為3.84Mchip/s。

　　(3)擴(kuò)頻因子為4-512，在下行鏈路中，一個碼信道可以支持1-936kbit/s的凈用戶數(shù)據(jù)速率，如果單用戶可以支持3個并行碼信道，則其數(shù)據(jù)速率可以高達(dá)2.3Mbit/s；在上行方向由于調(diào)制方式不同，速率減半。

　　(4)雙工方式可以采用FDD(Frequency Division Duplexing，頻分雙工)或TDD(Time Division Duplexing，時分雙工)。

　　(5)信道帶寬5MHz。

　　(6)可以提供多速率的業(yè)務(wù)。

　　(7)幀長10ms包括15個時隙，每個時隙中都有導(dǎo)頻比特、傳輸功率控制(TPC，Transmission Power Control)比特和傳輸格式組合指示(TFCI，Transport Format Combination Indication)比特。

　　(8)在上、下行鏈路中信號的格式和復(fù)用方式都各不相同。

　　2.2　UMTS傳播環(huán)境

　　無線信道傳播環(huán)境分為室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境。室外環(huán)境進(jìn)一步可分為宏蜂窩傳播環(huán)境和微蜂窩傳播環(huán)境。每一種傳播環(huán)境都具有特定的信道傳播特征。當(dāng)考慮GSM與UMTS無線接口性能的區(qū)別時，最主要的信道特性就是多徑傳播。通過計算可以得到多徑傳播的時延擴(kuò)展。

　　無線信道的多徑特性也可以通過其頻域特性來描述。在頻域上，多徑時延會產(chǎn)生頻率選擇性衰落。也就是說，信號在不同的頻率上有不同的衰落。該信道的一個頻域特征就是相干帶寬，它近似等于時延擴(kuò)展的倒數(shù)。相干帶寬是保證兩個信號具有不相關(guān)衰落的最小頻率間隔。當(dāng)信號的帶寬遠(yuǎn)小于相干帶寬時，稱該信號為窄帶信號，相反為寬帶信號。因此，系統(tǒng)特性依賴于系統(tǒng)所處的傳播環(huán)境，不同的傳播環(huán)境會有不同的特性。

　　相干帶寬與傳輸帶寬的相關(guān)衰落有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)為窄帶時，衰落便是非頻率選擇性的或者稱平坦的；當(dāng)系統(tǒng)為寬帶時，衰落便是頻率選擇性的。在WCDMA系統(tǒng)中利用RAKE接收機(jī)可以通過組合接收各個多徑分量來得到最優(yōu)的性能。

3、UMTS無線系統(tǒng)規(guī)劃

　　由于UMTS是一個全新的系統(tǒng)，因此它的實現(xiàn)要非常仔細(xì)。UMTS工作頻帶為2100MHz，該頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GSM和TDMA系統(tǒng)的900MHz和1900MHz。而且，由于UMTS要提供非常高的數(shù)據(jù)速率，因此需要它要有更高信號能量Eb/No。工作頻率的不同加上要提供高速的數(shù)據(jù)速率，這就意味著UMTS的傳播環(huán)境與GSM系統(tǒng)是不相同的。盡管重用GSM的原始基站是非常經(jīng)濟(jì)的，但是上面的原因使得原始的GSM的基站覆蓋區(qū)域?qū)τ赨MTS來說不再有效，對于UMTS的覆蓋來說，這些舊基站的位置就不一定是最優(yōu)的。判定原始基站的可重用性主要取決于實現(xiàn)策略和業(yè)務(wù)的預(yù)測。

　　3.1　UMTS無線系統(tǒng)的規(guī)劃過程

　　UMTS無線系統(tǒng)的規(guī)劃過程類似于GSM的規(guī)劃過程。其規(guī)劃階段可以分為以下步驟：

　　(1)度量(Dimensioning)；

　　(2)配置規(guī)劃；

　　(3)覆蓋和容量規(guī)劃；

　　(4)碼子和頻率規(guī)劃；

　　(5)參數(shù)規(guī)劃；

　　(6)優(yōu)化并監(jiān)視。

　　任何無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃目的都是在滿足關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI，Key Performance Indicator)和業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS，Quality of Service)的前提下使覆蓋和容量最大。

　　在每個基站的覆蓋區(qū)域，語音和不同數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)呼叫的業(yè)務(wù)水平的分布必須盡量準(zhǔn)確地確定下來。雖然無法確切地知道移動用戶的位置，但是應(yīng)該盡量準(zhǔn)確地預(yù)測出不同移動用戶的位置，預(yù)測的愈準(zhǔn)確，那么規(guī)劃出來的網(wǎng)絡(luò)的性能就愈好。

　　WCDMA無線覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃的另一個關(guān)鍵問題就是區(qū)域性的業(yè)務(wù)分布，也就是說在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域存在業(yè)務(wù)熱點。此時基站的位置應(yīng)該選擇在熱點業(yè)務(wù)地區(qū)的中央，這樣才能為該基站服務(wù)的用戶提供最優(yōu)的鏈路預(yù)算。當(dāng)這些用戶離開該基站時，WCDMA的吞吐量將減小。

　　在最初的度量階段，對于目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有基站都假設(shè)其具有相同的負(fù)荷。該負(fù)荷的值可以是小區(qū)最大可接受的負(fù)荷或者是忙時預(yù)測的負(fù)荷。如果使用最大的可接受負(fù)荷，那么該度量是針對最惡劣的情況進(jìn)行的，此時將導(dǎo)致設(shè)置過多的基站而造成浪費。較好的方式是利用預(yù)測負(fù)荷，因為它是一個比較實際的結(jié)果。

　　在詳細(xì)規(guī)劃階段，利用業(yè)務(wù)分布可以將預(yù)測業(yè)務(wù)分配到規(guī)劃的小區(qū)中，但是這樣會使不同小區(qū)負(fù)荷的差別非常大。也就是說，一些小區(qū)的負(fù)荷可能接近最大可接受負(fù)荷，而另一些小區(qū)的負(fù)荷卻很低。在這個規(guī)劃階段，覆蓋目標(biāo)同樣也要進(jìn)行檢查。在度量階段，在特定的區(qū)域內(nèi)都假設(shè)業(yè)務(wù)是均勻分布的。然而在實際中，不同區(qū)域的業(yè)務(wù)密度是不同的。同樣，在度量階段假設(shè)所有小區(qū)的傳播環(huán)境都是一樣的；而在詳細(xì)的規(guī)劃階段時，由于傳播環(huán)境和業(yè)務(wù)分布的不同，那么其覆蓋預(yù)測也將是完全不同的。通常，在規(guī)劃區(qū)域中用移動基站的Monte-Carlo分布來預(yù)測瞬時的業(yè)務(wù)需求。

　　3.2　WCDMA覆蓋和容量規(guī)劃

　　在WCDMA中容量規(guī)劃和覆蓋規(guī)劃是相關(guān)的。在低業(yè)務(wù)量區(qū)域時，WCDMA規(guī)劃與GSM規(guī)劃非常類似，這是因為負(fù)荷不會嚴(yán)重影響覆蓋，盡管在一些細(xì)節(jié)上兩個系統(tǒng)的規(guī)劃不盡相同，但是大的規(guī)劃原理此時是相同的。在高業(yè)務(wù)量區(qū)域時，它的規(guī)劃就與GSM大相徑庭了，WCDMA的容量規(guī)劃與覆蓋、干擾規(guī)劃是密不可分的。

　　3.2.1　覆蓋規(guī)劃

　　在WCDMA中傳播預(yù)測過程與GSM是類似的。首先，必須定義基站配置和鏈路預(yù)算。另外還必須定義好覆蓋門限，該門限既要超過需要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時又要避免不必要的附加投資。在這個階段也必須清楚地知道容量目標(biāo)和預(yù)測，因為它們對基站的覆蓋區(qū)域有很大的影響。當(dāng)基站天線的高度、覆蓋門限、容量需求和基站配置已經(jīng)定義后，此時實際的傳播預(yù)測過程就可以開始了。我們可以使用傳播測量來校準(zhǔn)傳播預(yù)測模型。當(dāng)預(yù)測模型校準(zhǔn)后，最終的基站參數(shù)便可以用于傳播預(yù)測。

　　當(dāng)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)確定后，便可以對優(yōu)化的基站參數(shù)進(jìn)行評估。規(guī)劃門限意味著在不同的傳播環(huán)境中必須能夠達(dá)到需求的QoS水平。

　　3.2.2　容量規(guī)劃

　　WCDMA的容量規(guī)劃直接與鏈路預(yù)算相關(guān)，進(jìn)而與基站覆蓋區(qū)域相關(guān)。對于一種特定的業(yè)務(wù)基站的覆蓋區(qū)域是固定的。實際中WCDMA的業(yè)務(wù)可以從低速的語音業(yè)務(wù)到高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這就意味著對于不同的用戶來說，基站的覆蓋區(qū)域是不同的。

　　在上行方向，容量規(guī)劃的主要目標(biāo)是在可接受的水平內(nèi)盡量地減小來自其他小區(qū)的干擾，從而增加上行方向的容量。規(guī)劃時可以利用建筑物、小山和其他障礙物來阻擋其他小區(qū)的干擾。適當(dāng)?shù)卦黾犹炀€的下傾角度也可以有效地減小干擾。在下行方向，主要考慮兩個方面的情況：來自其他小區(qū)的干擾和基站的發(fā)射功率。下行鏈路的負(fù)荷等式跟上行鏈路的負(fù)荷等式是類似的。但是，在下行鏈路中有一個叫作正交性的新參數(shù)。正交性用于衡量在一個小區(qū)中有多少個用戶不會相互干擾。與上行鏈路相比，下行鏈路的用戶多數(shù)是正交的，這是因為基站可以按照非常精確的定時向用戶發(fā)送擴(kuò)頻碼。

　　3.3　WCDMA碼子和頻率規(guī)劃

　　從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的角度來看，在WCDMA中碼子和頻率的規(guī)劃是比較簡單的。系統(tǒng)會仔細(xì)地對大部分碼子進(jìn)行分配。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的主要任務(wù)是為下行鏈路分配擾碼。總共有512組有效的擾碼碼組，所以下行鏈路的碼子重用系數(shù)為512。這就表明碼子的分配是比較簡單的。只有當(dāng)用戶需要更高的帶寬時才可能需求更多的碼資源。

　　此處我們建議碼子的分配通過規(guī)劃系統(tǒng)來實現(xiàn)，這樣可以避免人工分配可能出現(xiàn)的錯誤。早期對碼子的分配要進(jìn)行適當(dāng)?shù)南拗疲@樣有助于后來的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。

　　與GSM相比較，UMTS的頻率規(guī)劃不是很重要，因為對于UMTS運營商而言，它們至多有兩個或者3個載頻，因此不需要太多的規(guī)劃。但是運營商必須要決定下面的問題：

　　●哪一個載頻用于實現(xiàn)宏小區(qū)?

　　●哪一個載頻用于實現(xiàn)微小區(qū)?

　　●是否為室內(nèi)環(huán)境預(yù)留載頻?

　　當(dāng)對上面的問題進(jìn)行決定時，必須考慮到干擾問題。載頻的選擇會影響運營商之間或者運營商內(nèi)部各個系統(tǒng)之間的干擾。例如，微小區(qū)會對宏小區(qū)或者其他運營商的宏小區(qū)、微小區(qū)產(chǎn)生較高的本地干擾。許多潛在的問題可以通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃得到解決，其中一個方法就是合理地選擇載頻。

4、WCDMA的優(yōu)化和監(jiān)測

　　由于移動用戶的位置和業(yè)務(wù)會實時地變化，因此WCDMA與GSM系統(tǒng)一樣，也需要連續(xù)地優(yōu)化和監(jiān)測。尤其要強(qiáng)調(diào)監(jiān)測，因為業(yè)務(wù)需求的變化非常大，變化的方向?qū)⒅苯佑绊憻o線網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。業(yè)務(wù)量和位置的預(yù)測越準(zhǔn)確，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。和實現(xiàn)的效率就會越高。

　　通常需要優(yōu)化和監(jiān)測的指標(biāo)有業(yè)務(wù)、業(yè)務(wù)的變化、混合業(yè)務(wù)、軟切換率、平均發(fā)射功率、平均接收功率、掉話率、干擾、每個小區(qū)的切換、系統(tǒng)間切換、吞吐量、比特差錯率和幀差錯率。

　　上面所列的指標(biāo)需要按照小區(qū)和業(yè)務(wù)為單位來匯集，通過這些參數(shù)可以獲知如何進(jìn)行優(yōu)化，從而改善系統(tǒng)的性能。對于WCDMA的小區(qū)位置，存在3個非常重要的優(yōu)化問題：業(yè)務(wù)負(fù)荷均衡、切換開銷管理和干擾控制。

　　業(yè)務(wù)負(fù)荷的基本問題是網(wǎng)絡(luò)的不同地理區(qū)域業(yè)務(wù)分布的不均勻性，甚至一個小區(qū)的不同扇區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)也是不均勻的。這種不平衡狀態(tài)將使未充分使用的扇區(qū)的容量受限，從而造成繁忙小區(qū)發(fā)生阻塞。平衡小區(qū)中各個扇區(qū)的負(fù)荷可以緩解阻塞并為業(yè)務(wù)的增長創(chuàng)造適當(dāng)余量。

　　實現(xiàn)負(fù)荷平衡的一種方法就是修改每個扇區(qū)內(nèi)天線的方向和波束的角度，這可以通過智能天線來實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2　業(yè)務(wù)熱點地區(qū)的規(guī)劃

　　影響小區(qū)容量的另一個WCDMA優(yōu)化問題是切換開銷的管理。CDMA空中接口的軟/更軟切換可以有效地改善CDMA呼叫的質(zhì)量和可靠性，但是對于一個移動用戶在某一時刻可能同時與兩個或者多個扇區(qū)建立聯(lián)系來說會占用很多的系統(tǒng)容量。在該小區(qū)內(nèi)測量完導(dǎo)頻后，應(yīng)當(dāng)將切換的區(qū)域縮小。切換區(qū)域應(yīng)當(dāng)從高業(yè)務(wù)區(qū)域轉(zhuǎn)移到低業(yè)務(wù)區(qū)域。

　　干擾將直接影響CDMA小區(qū)的容量，在WCDMA網(wǎng)絡(luò)中最大的干擾問題就是導(dǎo)頻污染問題。導(dǎo)頻污染通常是由高度較高的基站因其覆蓋范圍過大引起的。其解決方法就是適當(dāng)?shù)販p小其覆蓋范圍，通常通過降低它的天線高度、增加下傾角度或者減小發(fā)射功率來實現(xiàn)。

5、總結(jié)

　　UMTS無線接口系統(tǒng)規(guī)劃的基本思想與GSM的規(guī)劃相同，但在細(xì)節(jié)上有著明顯的區(qū)別，這主要有以下兩個方面的原因：無線傳播信道的變化屬于寬帶類型；調(diào)制和傳輸機(jī)制的變化屬于直擴(kuò)CDMA類型。正是由于這些差別，所以要更加關(guān)注UMTS無線接口系統(tǒng)的優(yōu)化，只有這樣才能提高系統(tǒng)容量，改善服務(wù)質(zhì)量，盡量節(jié)省運營成本。