CDMA450无线网络规划和建设

    重庆邮电大学计算机学院 肖丹 祝家钰 黄德玲

    为了满足我国西南偏远农村对通信的需求，解决运营商的投入成本高问题，村通工程CDMA450广泛应用与西南农村地区。对于一个以广覆盖为目标采用450MHz频段的CDMA-1X网络，前期网络规划在很大程度上决定了网络的结构，对网络投资以及质量起着决定性作用，是将来网络发展的基础。本文给出了CDMA450网络的详细规划流程和后期扩容的有效方案，旨在为运营商建网提供参考。

    一、引言

    目前全国村通率只达到89.2%,距离“十五”规划中2005年底要达到95%村通的目标还有近4万个行政村的任务。受地理、经济条件的制约，山区和农村的通信状况更差，如果采用原有的有线方式进行农村地区的网络建设，存在着初期投资成本过高，后续维护成本较高，而用户话费较低的问题，造成投资收回时间较长，甚至无法收回。而采用原有的模拟450M进行建设，虽然在一定程度上可以降低网络建设的成本，但是，由于该模拟系统规范为FDMA方式，技术成熟但落后，频谱效率低（一些地方已无法安排频率），很难用于进一步解决农村“家家通”的问题。CDMA450就是使用450MHz频段的CDMA-1X技术，450频段相比3G使用的2GHz频段有着无线传播路径损耗小、广覆盖的优点以及具备后续演进的能力。因此运营企业引入了CDMA450无线接入系统，建设农村无线接入网络。

    CDMA450系统由若干个子系统或功能实体组成。接入单元子系统（BSS）由CDMA450系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与无线台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。接入单元子系统通过V5.2接口与PSTN相连，实现无线用户之间或无线用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。另一方面，接入单元子系统与分组数据业务节点PDSN相连，实现分组数据业务。原HLR和VLR的部分功能集成在BSC中实现。

    二、CDMA450无线规划方法

    1．链路预算

    在无线网络建设初期，覆盖十分重要，尤其是对以广覆盖为目标的农村无线接入系统，容量不是主要矛盾，覆盖起到了决定性的作用。

    对于无线通信系统，无线空间的传播模型十分复杂并有很大差异，使得不同环境下的不同小区覆盖范围不同。要想确定小区的覆盖范围，必须要通过链路预算来确定无线信号在通信链路中的各种损耗和增益，所以链路预算是网络规划中的一个重要环节。

    链路预算是根据无线空间传播模型，计算从发射端到接收端满足解调要求所需的接收功率之间允许的最大路径损耗最终确定小区覆盖半径的过程。链路预算的各个组成部分如表1所示。

    从表1可以看出，反向链路预算中“最大允许的空间损耗”为147.37dB，前向向链路预算中“最大允许的空间损耗”为149.41dB，前向比反向约大2dB，所以说前反向链路基本是平衡的，在绝大多数的覆盖区域内不存在链路不平衡的情况。

    在进行链路预算后，还要根据各种地物特征进行传播模型校正，链路预算表中常用的模型主要是Okumura-Hata模型、Cost-231模型等。其中450MHz和800MHz采用Okumura-Hata模型，1.9GHz采用Cost-231模型。传播模型校正这个步骤一般可以由规划软件完成，经过计算损耗如下：

    前向链路损耗L=98.63＋33.77lg（R）

    反向链路损耗L=98.44+33.77lg（R）

    经过计算前反向覆盖半径如下表2所示。

    从表2中知道CDMA450反向覆盖受限，在反向负荷为0.5的情况下最大覆盖半径为18.68m。

    2．容量与覆盖的关系

    （1）CDMA450覆盖与容量的关系

    CDMA网络的覆盖半径及容量与当地的实际地形有着紧密的联系，我们不能脱离实际的地形地貌对网络的容量、覆盖进行研究。

    CDMA的覆盖与容量/负荷是一个互相关联的关系。在追求广覆盖时则意味着小容量，大容量则意味着小覆盖，覆盖与容量不可分割，不可以离开容量来谈覆盖，也不能离开覆盖对网络的实际容量进行研究。通常CDMA450基站最大覆盖距离是50km，但那是在地形平坦，用户很少，网络容量比较小的情况，而不是在地形复杂、用户量很大的前提条件下的实际覆盖。

    网络的基站及终端所发射的功率要克服以下两个因素，一是要克服路径损耗，二是要克服干扰。而设备的功率是一个额定值，基站的总功率为20W，固定台的发射功率为250mW。前向链路，随着网络负荷的增加（接入用户数的增加），基站就要分配更多的功率给用户，当基站分配的功率接近自身的总功率时，为了能够为更多的用户提供服务，则需要把分配给单个用户的功率减小。因基站分配给单个用户功率要减少，网络为了和终端保证良好通信，只能通过减少原有接入网络用户的路径损耗，让用户距离基站更近来实现正常的通信；反向链路，随着网络负荷的增加，网络的干扰也在增大，而终端的发射功率是有限的，当终端的发射功率达到自身极限时，为了可以接入更多的用户，终端则需要其它的功率来克服新增用户所产生的干扰，在实际中，终端只能通过减少路径损耗（离基站更近些），把从路径损耗中省下的这部分功率用来克服新的干扰，保证可以与网络进行正常的通信。

    随着网络负荷的增加，单载频运行的CDMA系统容量负荷增加到一定程度，覆盖可能会有一定程度的收缩，在反向负荷超过50％后，覆盖收缩开始产生非线性变化，意味着网络质量开始变差。为了保证运营商业务的快速发展，需要维护人员紧急监控话务量增长和用户投诉情况，适时进行网络扩容，保证网络覆盖。

    （2）不同固定台使用比例对网络覆盖半径的影响

    固定台分为室内（放于室内、使用室内天线）、室外（固定台+室外天线）型两种。在CDMA450网络中使用室内、室外型固定台的主要区别有：室内型固定台比室外型固定台多了建筑物损耗，在郊区此损耗约为10dB；固定台天线增益之间的差异，室内型固定台的天线增益为2.1dBi，室外型固定台的天线增益为9dBi（可以更大一些）。以上两个主要因素将导致使用不同比例的室内、室外型固定台时对网络的实际覆盖半径产生很大程度的影响。

    随着使用室内型固定台比例、数量的增加，网络单个基站的覆盖半径将变小；相反，随着使用室外型固定台比例、数量的增加，网络的实际覆盖半径会有所增大。

    （3）容量估算

    本次工程采用全向O1站和定向S11站2种站型，O1站单站配置40个业务信道，S11站单站单载频配置36个业务信道，考虑到本次网络配置中用户全部是农村语音业务用户，话音业务无线呼损取为5%，查ERL－B表得到表3的数据。其中用户数＝基站容量/单用户话务量（0.03erl）

    三、仿真分析

    在3G无线网络规划过程中必须使用具有蒙特卡洛仿真等功能的规划工具进行预规划、详细规划和优化仿真。3G无线网络基站数量应当根据覆盖规划和容量规划的结果进行综合考虑获得，并通过网络规划工具对规划方案进行仿真验证与方案修改的多次反复迭代。规划仿真工具设计的输入内容包括：基站的配置、无线传播模型、业务的定义、用户的分布情况和一些必须的相关参数。仿真的主要处理过程包括如下几个。

    （1）建立和目标网络相同的仿真环境（参数设置）；

    （2）取得多个SNAPSHOT；

    （3）在每个SNAPSHOT过程中，撒入移动台或终端；

    （4）每个终端连接网络能力，通过迭代处理计算；

    （5）考虑各种接续失败情况(如最大移动台发射功率、最大到达NODEB功率、无可用信道、低导频Ec/Io、上下行干扰)；

    （6）根据获得的SNAPSHOT结果来分析网络的性能。

    同时在给定的网络环境、基站配置、传播模型等条件的基础上，通过软件工具对基站方向角、下倾角等参数进行优化；利用工具进行仿真后，对输出结果进行分析，发现设计网络中存在的问题并进行调整直至达到设计要求。

    四、网络扩容原则

    随着网络用户的增加，会出现话务阻塞的情况，需要以后进行扩容，对于扩容工程我们提出以下基本原则。

    （1）增加信道板

    当覆盖率要求没有变化时，通过增加信道板资源来完成扩容工程，因为村村通网络一期的容量远远超出设计容量要求。

    （2）增加扇区

    当某些小区容量增加时，可以通过小区分裂来完成扩容，比如O1基站扩容为S11或S111基站、S11基站扩容为S111或更多扇区基站等。

    （3）增加站点

    当覆盖率要求更高时，需要根据链路预算重新在原有网络上进行站点的规划，规划的原则是满足覆盖率要求的同时满足容量的要求。

    随着一期网络的开通，用户和业务不断增多，网络会出现一些容量或者覆盖不足的地方，对于这种情况需要根据后台的话务量统计和前台的路测数据进行网络的评估，评估网络在哪些地方出现了容量和覆盖的不足的情况，对于容量不足的情况，只需要增加信道板即可满足要求（因为前期容量的配置很小），对于不能满足覆盖要求的地方需要增加基站。