摘 要： 介紹第三代移動通信系統網絡規劃的基本過程，規劃策略，應考慮的各種因素。詳細介紹了第三代移動通信系統中位置區域和尋呼區域的規劃。
關鍵詞： 第三代移動通信系統 網絡規劃 位置區域 尋呼區域
目前，第三代移動通信系統的研究工作正在世界范圍內進行:未來公共陸地移動通信系統(FPLMTS)；國際通信聯合會(ITU)的國際移動通信2000年(IMT2000)；歐洲的通用移動通信系統(UMTS)。這些系統在很大程度上是基于第二代數字移動無線系統的成功，如全球移動通信系統(GSM)。第三代移動通信系統的目標是支持多種業務，從語音和低速率數據業務到高速率數據業務。對于車輛達到144Kb/s，從室外到室內達到384Kb/s，對于室內和微微蜂窩環境達到2Mb/s。支持面向電路和面向分組的業務。第三代移動通信系統將適應各種無線環境，從城區到郊區，從丘陵地區到山區，微蜂窩，微微蜂窩和室內環境向任何人，在任何時間，任何地方提供業務。另外，全球漫游也是一個主要目標。由于可用頻帶有限且需要寬帶業務，無線接口的頻譜效率必須比第二代的高。
從網絡規劃的觀點看，第三代移動通信系統的主要特征是提供多種多樣的業務，從每秒幾千比特到2Mb/s；服務的用戶數量大(特別是在城區和人口密集的區域)；網絡結構的靈活性允許在特定的環境下配置不同的結構(公共場所、高速公路、住宅區、商業區)；基于分布式數據庫結構的先進的移動性管理策略使用戶數據所需的存儲、更新和恢復等總的信令開銷最小。很顯然，現在的規劃方法不能處理這些特殊的特性。必須開發新的軟件工具來支持移動運營商來處理繁重的網絡規劃任務。這些軟件應能適用各種移動網絡規劃。它應包括傳播條件預測，無線工程和網絡工程。
1 網絡規劃問題
第三代系統的規劃和優化策略需要考慮將來UMTS運營商由于引入新而靈活的無線接口、更復雜的蜂窩結構(分層蜂窩結構)、動態資源分配策略(DCA，對多種業務要求進行靈活的資源分配)和提高容量方法的選擇(如自適應天線)等所能獲得的額外的自由程度。
如果運營商能夠清楚的知道規劃過程所要達到的目的，就能將這些先進的技術應用到網絡上，并能設計適當的規劃和優化策略。另外，系統規劃和實現也是第三代移動通信系統能否獲得最大頻譜效率的因素，從而影響經濟和運營上的成功。對運營商來說，要滿足用戶需要并獲得效益，網絡規劃是關鍵。
網絡規劃主要包括兩個方面：無線網絡規劃和網絡范圍的確定。無線網絡規劃包括鏈路負載、容量以及所需蜂窩數的計算。另外，無線網絡規劃還包括詳細的覆蓋和每個蜂窩的參數規劃。網絡范圍的確定包括基站所需的信道數、傳輸線的容量、基站控制器數、交換機以及其它網絡單元的計算。
和第二代系統相比，由于第三代系統支持多種比特率和不同的業務，因而使網絡規劃過程更復雜。預測業務量和不同業務的使用模式更困難。需要仔細的估價來確定影響所需業務不同實現策略的因素。
進行網絡規劃首先要估計業務強度。業務強度以愛爾蘭(Erlang)為單位，1愛爾蘭等于一條電路使用1小時(3600秒)。
業務強度(Erlang)等于每小時的呼叫數乘平均呼叫保持時間(秒)/3600。
等效的電話愛爾蘭(ETE)定義為基本的電話呼叫業務量。它和基本電話業務的傳輸速率有關。對于數據業務，用Mbps/km2表示業務強度更好。
業務級別的度量是區域覆蓋率和阻塞率。區域覆蓋率和無線規劃的質量和無線網絡的容量有關。阻塞率和可用的硬件有關。由于容量不足而使用戶阻塞稱為軟阻塞。首先，以所需的區域覆蓋率為目標設計網絡。在此條件下，滿足一定的阻塞率要求，一般是2%。
阻塞率可定義為第一次呼叫時被阻塞的概率。阻塞的原因可能是基站的信道不足，或者是固定網的資源不足。設N是信道總數，T是所提供的業務量，所有信道都忙的概率遵從泊松分布：
P(N；T)＝TNe－T/N!
P(N；T)即是阻塞率。
信道利用率可定義為：
效率(%)＝業務量(Erlang)/信道數×100%
2 無線網絡規劃過程
無線網絡規劃過程可分成三個階段：
· 準備階段
· 蜂窩數量估計階段
· 詳細的網絡規劃階段
在準備階段，要建立覆蓋率和容量的目標，定義網絡規劃策略，決定初始設計和運行的參數。覆蓋率和容量的目標要在所需的質量和整個網絡費用之間折衷。網絡規劃策略包括微蜂窩的部署，提供室內和高比特率的覆蓋，以及第二代系統的進化。對于可行的網絡規劃方案，需要考慮下列因素：固定線傳輸的費用，如何容易地確定蜂窩位置，建立蜂窩的費用以及環境問題。
一種策略是用宏蜂窩對室外覆蓋，用微微蜂窩對建筑物的室內進行覆蓋。此方法應通過增加室內蜂窩數來提供附加的容量，而不應通過室外蜂窩來提供室內覆蓋。若通過室外基站來提供室內覆蓋，在計算鏈路負載時應考慮建筑物的穿透損耗，一般為10～20dB。
另一種策略是一開始就使用微蜂窩，并利用它來提供室內覆蓋。此方法可用于人口密度大的市區。
在蜂窩數量估計階段，首先應估計在給定區域內的用戶數以及每個用戶所需提供的業務量。估計在給定區域內的用戶數至少應考慮下列因素：
· 給定區域內居住的人口
· 給定區域內工作的人口
· 車輛的通過量
· 特殊事件和娛樂場所情況
每個用戶所需提供的業務量決定于所需的業務種類和使用的頻繁程度。對第三代系統，預測業務量非常困難，因為它提供了許多新業務。對于數據業務，需要估計每個用戶每秒所需的平均速率。對于電路交換的用戶，平均呼叫時間和業務類型、客戶類型和資費有關。對于其它業務，定義平均呼叫時間非常困難，因為沒有經驗可借鑒。最重要的是以合理的精確度來預測業務量。
蜂窩容量可以根據仿真或分析公式來估計。用戶傳輸速率，業務性質(可變性、突發性)，業務的質量要求(時延、BER/FER)和中斷率是決定蜂窩容量的主要因素。若需要估計頻譜效率，應考慮扇區的劃分或自適應波束，也叫做空分多址接入(SDMA)的影響。
CDMA無線網絡不能在極限容量下運營。極限容量可定義為理論上的最大容量。負載因數定義為網絡正常運行時接近最大容量的程度。確定負載因數時應考慮業務性質、無線資源管理算法以及網絡運營商的規劃能力等因素。一般負載超過75%系統運行就不穩定。
計算鏈路負載時，在假設了數據傳輸速率和Eb/No性能后，還應考慮設備的特定參數(如電纜損耗)，天線增益和接收機噪聲等。軟切換增益對鏈路負載也有很大影響。還要考慮非對稱業務的影響。多用戶檢測可以減少負載因數的影響。
根據容量和鏈路負載可以計算覆蓋一給定區域所需的蜂窩數量。一個網絡可以是覆蓋受限或容量受限。容量受限意味著在最大的蜂窩半徑下不能支持所有提供的業務。而覆蓋受限意味著在一個蜂窩內有足夠的容量支持所有的業務。
網絡優化階段有如下幾方面：每個蜂窩詳細的無線環境特點，CDMA控制信道的功率規劃，導頻污染，軟切換參數的規劃，頻率間切換，重復的網絡覆蓋分析和無線網絡測試。
3 分層蜂窩結構
第三代移動通信系統將利用使網絡容量最大化的一些先進的蜂窩結構。這樣的網絡結構通常叫做分層蜂窩結構，它可以根據運營商特殊需要通過不同的安排來實現。大多數運營商主要選擇下面兩種方法：
同心式蜂窩——分兩層，分別叫底層和覆蓋層。底層分配有業務信道和信令信道，而覆蓋層只分配有業務信道。所有接入到業務信道所需的信令過程都由底層蜂窩信道來完成；在完成初級信令階段，基站收發器(BTS)控制在呼叫過程中移動終端連結到哪一層。從網絡規劃的觀點看，值得注意的是覆蓋層的發射功率強度要比底層的低。因此覆蓋層將減小干擾，從而簡化了無線范圍的確定和頻率規劃的工作。然而運營商應選擇適當的接入和切換的門限來保證網絡的正常地運行。
微蜂窩和宏蜂窩層——這種網絡安排特別適用大業務量的地區和業務熱點地區(辦公室，火車站，機場等)。從現有的移動通信系統向第三代移動通信系統遷移意味著將天線的高度從建筑物的頂部降到路面高度，因此將不能覆蓋高層建筑物室內。這將迫使運營商設計各種用于商業區和居民區的室內覆蓋系統。從網絡規劃者的觀點看，微蜂窩層特別適合使用動態信道分配(DCA)方式，能夠處理業務強度的快速變化。宏蜂窩層即可以使用固定信道分配(FCA)方式，也可以使用一些混合信道分配(HCA)策略，這種策略是分配較少的載波處理預期的業務，同時動態地管理一些載波處理來自微蜂窩溢出的業務流。如前所述，微蜂窩/宏蜂窩方式也需要仔細地設計(接入和切換門限)使網絡正常工作，避免在兩層間出現乒乓效應。
4 混合業務能力和多層規劃
第三代系統的主要特性是能夠提供多種業務。這種特性要求用一種新的策略進行網絡規劃。分層蜂窩結構可以在同一移動網中分成不同的資源層。這對運營商有很大的好處，因為它允許同類型的業務分配到同一資源層，由它來提供資源，從而更好地平衡網絡設計。另外，無論對最大限制的業務還是最小限制的業務，網絡的配置都是最優的。因此，業務量需求分析要先于任何網絡規劃過程。業務量需求分析不僅用來預測業務量需求等級，而且必須完成業務量分離以使不同的業務和用戶分配到相應的資源層。業務量分離是網絡規劃的第一階段，先于資源范圍的確定和分配。
當然，最初網絡規劃時，以覆蓋范圍優化要選擇參考業務，要考慮在業務提供和實現網絡所需費用之間折衷。
5 容量驅動的規劃策略
第二代移動通信網的規劃策略是基于兩個分離的過程。這兩個過程，一般稱之為覆蓋范圍規劃和頻率規劃，是由不同的方法完成，分別遵循覆蓋范圍準則和容量準則。規劃的策略是從早期移動通信系統所處的典型環境得出的，覆蓋范圍是一個限制因素。然而，向第三代移動通信系統進化，標準是容量需要和頻譜效率的改善。在后續不同可用資源利用的優化階段仍然要考慮簡單性。然而，最初蜂窩設計(密度，大小，蜂窩類型)不能用純覆蓋范圍準則。從初始規劃階段就要考慮容量需求。由是否需要冗余保護蜂窩或使用提高容量技術(如自適應天線)來唯一確定一區域配置的蜂窩結構類型。
在CDMA系統中，只有一個資源要考慮，蜂窩的密度和類型。沒有提高每個蜂窩容量的方法，因為它受系統中干擾的限制。沒有和TDMA系統中分配的信道數等效的附加自由度。換句話說，如果基于容量約束的初始資源分配(蜂窩的密度)得不合理，不能通過調節網絡的其它參數來補償。必須重新進行優化，增加或減少蜂窩的密度。從資源分配的觀點看，CDMA的規劃是重復性的。相反，資源分配的任務非常簡單，因為不需要考慮頻率規劃。只需要將功率在已存在的業務間進行分配，可用確定性的方法來完成。
6 第三代移動通信系統中位置和尋呼區域的確定
第三代移動通信系統提供多種業務和容納大量用戶將產生大量處理用戶移動性的信令。位置更新(LU)和尋呼業務占其中絕大部分信令負荷，因此需要一些復雜的計算工具幫助運營商確定合適的位置和尋呼區域。
位置區域(LA)是移動終端(MT)可在其中移動而不需要更新分布式數據庫(DDB)中的位置信息的區域。當一個移動終端穿過一LA邊界時，就需要更新位置信息。LA可以是固定的，也可以是動態的。即根據24小時內的特定需要而改變范圍。在公用和私有移動網絡中可以根據不同的準則定義LA。
尋呼區域(PA)是一移動終端在尋呼過程中可以被尋呼到的區域。在第三代系統中，PA可以等于、小于或大于相應的LA。PA的范圍可以是固定的或動態的。依賴于存儲在DDB中的位置信息和尋呼策略，PA的范圍可以從單一蜂窩到整個系統區域。UMTS中的LA/PA規劃過程中要考慮兩點：
·初始階段，要提供LA的估計和尋呼信令負荷來完成無線接口范圍的確定。
·因為UMTS中的LA等于或小于一個由單一移動業務控制點(MSCP)所控制的區域，所以LA/PA規劃應在MSCP規劃后進行。在鏈路優化過程(網絡結構已知道局域交換級，LE)后，并假設一個MSCP控制一個LE，LA/PA規劃可以提供最終的網絡結構和更詳細的位置更新以及尋呼信令負荷估計。
1、 位置區域的確定
LA規劃問題定義如下：
用一種最優的方法將蜂窩分成位置區域以使無線鏈路上的負荷以及網絡固定部分的處理量和數據庫的改動最小。
假設用固定LAs(即時不變非覆蓋LAs)，LA的規劃問題可用兩種不同的方式表述：
·選擇一最優的方法將一組BTS(蜂窩)分成LAs使下面的費用函數最小：CLA＝CLU＋CPAG。CLA是一LA的所有“費用”，CLU是LU信令負荷所需費用，CPAG是由無線接口上的尋呼信息廣播產生的費用。
·選擇一最優的方法將一組BTS(蜂窩)分成LAs使下面的費用函數在約束條件PAG(LAi≤PAGmax)下最小：CLA＝CLU。約束條件保證LA中的尋呼過程的最大信令負荷不超過給定的門限PAGmax。
然而，很難估計LU和尋呼過程的相關費用CLU，CPAG。LU過程需要在無線鏈路上交換信令，并由于數據庫操作需要處理時間。另一方面，尋呼費用主要指無線鏈路上的信令負荷。第一種方法是估計基于每LA的平均信令負荷的總體費用CLA，它可能導致得到某一LA有非常大的尋呼信令過載的結構。
由于上述原因，一般選擇第二種方法。尋呼過程中合適的PAGmax值很容易選擇，如每個BTS占整個無線鏈路容量的百分比。
2、尋呼區域的確定
已經提出許多減小尋呼信令負荷的技術。這些技術(叫做“智能”尋呼策略)的基本原理是尋呼過程是逐步完成的。在尋呼信息通過LA中的所有基站進行廣播前，當被叫用戶在某尋呼步驟內被確定位置時就可獲得信令增益。因此，尋呼策略的效率是通過網絡預測用戶在某一確定的LA內的能力來判斷。這可利用各種信息(用戶最近和網絡通信的位置，用戶居住、工作的位置等)來實現。智能尋呼策略的缺點是尋呼時延增加，因為尋呼過程是逐步完成的，而不是通常的一步完成。
從上述尋呼策略的描述中可清楚看出，在尋呼策略的每一步，都在LA的某區域對被叫用戶進行尋呼。這個區域定義為尋呼區域。PA規劃問題定義如下：
給定一確定的區域和確定的尋呼策略，找到一最優的方法將LA分成尋呼區域在保持尋呼時延允許的條件下以使尋呼信令負荷最小。
對于軟件的實現，可以選擇基于近期連接尋呼(RIP)策略，它首先在最近期內用戶和網絡連接的PA內對被叫用戶進行尋呼。
我國電信對第三代系統的希望是：全球統一的標準、頻率利用率高、覆蓋效率好、建網要經濟、要有足夠的靈活性、良好的EMC性能、容易從第二代過渡。為了有效地滿足這些需要，一定要重視網絡規劃，積極開發先進的軟件網絡規劃工具，軟件工具應考慮第三代移動系統的典型特征，特別是傳播條件、業務需求、不同的蜂窩范圍、分層蜂窩和不同的信道分配方式。
參考文獻
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