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向用戶提供多媒體業(yè)務。UMTS和多媒體業(yè)務不僅對RF(Radio Frequency)網絡有重要的影響，還會對核心網的結構產生重要的影響。所以當目前的GSM(Global System Mobile)運營商將他們的網絡升級以支持UMTS時，為了保護他們的基礎投資，必須采取謹慎的態(tài)度。

　　UMTS網絡的結構如圖1所示。核心網(CN，Core Network)負責呼叫控制和移動性管理，而UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network，陸地無線接入網)則負責管理無線分組的傳輸和資源的管理。

圖1　UMTS網絡結構

　　在核心網內分組的路由和傳輸由新網絡邏輯節(jié)點SGSN [Serving GPRS (General Packet Radio System)Support Node，GPRS服務支持節(jié)點]和GGSN(Gateway GPRS Support Node，GPRS網關支持節(jié)點)支持。GGSN是具有移動性管理的分組路由器，它通過標準接口Ci與其他數(shù)據(jù)網絡(比如因特網)相連接。SGSN在它的服務范圍內負責移動終端數(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2Mbit/s。

　　一個UTRAN可以包括一個或者多個RNS(Radio Network Subsystem，無線網絡子系統(tǒng))，而一個RNS又包括基站Node B和RNC(Radio Network Controller，無線網絡控制器)。RNS負責無線資源和空中接口的管理。UMTS在UTRAN中的大部分網絡結構都繼承了GSM的網絡結構。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。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)劃復雜。但是，由于UMTS服務的用戶有著各種不同的需求，因此UMTS的規(guī)劃在某些方面要遠比GSM規(guī)劃復雜得多。

　　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)劃是在網絡的規(guī)模大小(基于市場的調研)確定后單獨進行的，確定后才進行容量和頻率的規(guī)劃。而在UMTS中，覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃是同時進行的，這是因為容量的需求和業(yè)務的分布會影響覆蓋。頻率和碼子的規(guī)劃可以單獨進行。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網絡都選擇WCDMA作為其空中接口技術。該技術與TDMA和GSM中所采用的技術有很大不同。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)方面的細節(jié)規(guī)劃(比如鏈路預算)都必須進行修改，以便滿足WCDMA技術的要求。另外，由于UMTS的業(yè)務可以是從8kbit/s電路交換的語音業(yè)務到2Mbit/s分組交換的數(shù)據(jù)業(yè)務，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絡無線接口的規(guī)劃來說非常重要。WCDMA空中接口的主要特征為：

　　(1)采用QPSK直擴調制。

　　(2)碼片速率為3.84Mchip/s。

　　(3)擴頻因子為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2.3Mbit/s；在上行方向由于調制方式不同，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。

　　(7)幀長10ms包括15個時隙，每個時隙中都有導頻比特、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)境分為室內環(huán)境和室外環(huán)境。室外環(huán)境進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，它近似等于時延擴展的倒數(shù)。相干帶寬是保證兩個信號具有不相關衰落的最小頻率間隔。當信號的帶寬遠小于相干帶寬時，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衰落有關，當系統(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。UMTS工作頻帶為2100MHz，該頻率遠遠高于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濟的，但是上面的原因使得原始的GSM的基站覆蓋區(qū)域對于UMTS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)務的預測。

　　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。

　　任何無線網絡的規(guī)劃目的都是在滿足關鍵性能指標(KPI，Key Performance Indicator)和業(yè)務質量(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)務水平的分布必須盡量準確地確定下來。雖然無法確切地知道移動用戶的位置，但是應該盡量準確地預測出不同移動用戶的位置，預測的愈準確，那么規(guī)劃出來的網絡的性能就愈好。

　　WCDMA無線覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃的另一個關鍵問題就是區(qū)域性的業(yè)務分布，也就是說在無線網絡覆蓋區(qū)域存在業(yè)務熱點。此時基站的位置應該選擇在熱點業(yè)務地區(qū)的中央，這樣才能為該基站服務的用戶提供最優(yōu)的鏈路預算。當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，對于目標區(qū)域內的所有基站都假設其具有相同的負荷。該負荷的值可以是小區(qū)最大可接受的負荷或者是忙時預測的負荷。如果使用最大的可接受負荷，那么該度量是針對最惡劣的情況進行的，此時將導致設置過多的基站而造成浪費。較好的方式是利用預測負荷，因為它是一個比較實際的結果。

　　在詳細規(guī)劃階段，利用業(yè)務分布可以將預測業(yè)務分配到規(guī)劃的小區(qū)中，但是這樣會使不同小區(qū)負荷的差別非常大。也就是說，一些小區(qū)的負荷可能接近最大可接受負荷，而另一些小區(qū)的負荷卻很低。在這個規(guī)劃階段，覆蓋目標同樣也要進行檢查。在度量階段，在特定的區(qū)域內都假設業(yè)務是均勻分布的。然而在實際中，不同區(qū)域的業(yè)務密度是不同的。同樣，在度量階段假設所有小區(qū)的傳播環(huán)境都是一樣的；而在詳細的規(guī)劃階段時，由于傳播環(huán)境和業(yè)務分布的不同，那么其覆蓋預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分布來預測瞬時的業(yè)務需求。

　　3.2　WCDMA覆蓋和容量規(guī)劃

　　在WCDMA中容量規(guī)劃和覆蓋規(guī)劃是相關的。在低業(yè)務量區(qū)域時，WCDMA規(guī)劃與GSM規(guī)劃非常類似，這是因為負荷不會嚴重影響覆蓋，盡管在一些細節(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中傳播預測過程與GSM是類似的。首先，必須定義基站配置和鏈路預算。另外還必須定義好覆蓋門限，該門限既要超過需要的質量標準，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和預測，因為它們對基站的覆蓋區(qū)域有很大的影響。當基站天線的高度、覆蓋門限、容量需求和基站配置已經定義后，此時實際的傳播預測過程就可以開始了。我們可以使用傳播測量來校準傳播預測模型。當預測模型校準后，最終的基站參數(shù)便可以用于傳播預測。

　　當規(guī)劃標準確定后，便可以對優(yōu)化的基站參數(shù)進行評估。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)劃直接與鏈路預算相關，進而與基站覆蓋區(qū)域相關。對于一種特定的業(yè)務基站的覆蓋區(qū)域是固定的。實際中WCDMA的業(yè)務可以從低速的語音業(yè)務到高速的數(shù)據(jù)業(yè)務，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)劃的主要目標是在可接受的水平內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?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。下行鏈路的負荷等式跟上行鏈路的負荷等式是類似的。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)送擴頻碼。

　　3.3　WCDMA碼子和頻率規(guī)劃

　　從網絡規(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)會仔細地對大部分碼子進行分配。網絡規(guī)劃的主要任務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行適當?shù)南拗疲@樣有助于后來的網絡擴容。

　　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)?

　　●是否為室內環(huán)境預留載頻?

　　當對上面的問題進行決定時，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)產生較高的本地干擾。許多潛在的問題可以通過網絡規(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。尤其要強調監(jiān)測，因為業(yè)務需求的變化非常大，變化的方向將直接影響無線網絡的質量。業(yè)務量和位置的預測越準確，網絡規(guī)劃。和實現(xiàn)的效率就會越高。

　　通常需要優(yōu)化和監(jiān)測的指標有業(yè)務、業(yè)務的變化、混合業(yè)務、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。

　　上面所列的指標需要按照小區(qū)和業(yè)務為單位來匯集，通過這些參數(shù)可以獲知如何進行優(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)務負荷均衡、切換開銷管理和干擾控制。

　　業(yè)務負荷的基本問題是網絡的不同地理區(qū)域業(yè)務分布的不均勻性，甚至一個小區(qū)的不同扇區(qū)內業(yè)務也是不均勻的。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)的負荷可以緩解阻塞并為業(yè)務的增長創(chuàng)造適當余量。

　　實現(xiàn)負荷平衡的一種方法就是修改每個扇區(qū)內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)內測量完導頻后，應當將切換的區(qū)域縮小。切換區(qū)域應當從高業(yè)務區(qū)域轉移到低業(yè)務區(qū)域。

　　干擾將直接影響CDMA小區(qū)的容量，在WCDMA網絡中最大的干擾問題就是導頻污染問題。導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?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

　　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；調制和傳輸機制的變化屬于直擴CDMA類型。正是由于這些差別，所以要更加關注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，改善服務質量，盡量節(jié)省運營成本。