209

8 Планирование радиосети

8.1. Введение

В этой главе рассматривается планирование радиосети WCDMA , включая емкость, территориальное покрытие и их оптимизация на сети. На рис. 8.1 показан процесс планирования радиосети WCDMA .

Рис. 8.1. Процесс планирования радиосети WCDMA.

На этапе определения размаха системы оцениваются приблизительное число зон (сайтов) размещения базовых станций, возможности базовых станций и их конфигурация и другие элементы сети с учетом требований оператора и распространения радиоволн в этой зоне. При определении размаха сети следует выполнять требования оператора к зоне обслуживания, емкости и качеству обслуживания. Емкость и качество обслуживания тесно связаны в сетях WCDMA , и поэтому оба параметра должны учитываться одновременно при выборе размеров таких сетей. Задание размаха (размеров сетей) WCDMA рассматривается в разделе 8.2.

В разделе 8.3 дается детальное планирование емкости и зоны обслуживания, описываются используемые методики планирования WCDMA. При детальном планировании требуются учет реального распространения радиоволн и оценка оператором трафика в каждой зоне. Расположение базовых станций и параметры сети выбираются по методике планирования и/или самим проектировщиком. После завершения детального планирования можно проанализировать емкость и зону обслуживания для каждой ячейки. В разделе 8.3 рассматривается один пример проведения детального планирования с анализом емкости и зоны обслуживания. Во время работы сети можно производить измерения ее параметров, а результаты этих измерений можно использовать для визуализации и оптимизации работы сети. Процесс планирования и оптимизации можно также автоматизировать с помощью программируемых средств и элементов сети. Оптимизация рассматривается в разделе 8.3.

Радиопомехи по соседним каналам нужно учитывать при проектировании любых широкополосных систем, где нет возможности иметь большие защитные полосы. В разделе 8.4 анализируется влияние радиопомех между сетями разных операторов, и приводятся решения по планированию сети.

8.2. Определение территории размаха

Определение размаха радиосети WCDMA – это процесс, с помощью которого производится оценка возможных конфигураций и количества сетевого оборудования на основании требований оператора, связанных со следующими параметрами.

Территория:

• зоны обслуживания

• информация о типах зон

• условия распространения.

Емкость:

• располагаемый спектр частот

• прогнозирование роста числа абонентов

• информация об интенсивности трафика.

Качество обслуживания:

• вероятностное расположение зон (вероятная зона обслуживания)

• вероятность блокировки

• прямое соединение конечного пользователя.

В оценку размаха входят анализ ресурса радиолинии и зоны обслуживания, оценка емкости и, в конечном итоге, оценка количества сайтов и аппаратных средств базовых станций, контроллеров радиосети (RNC), оборудования для различных интерфейсов и элементов базовой сети (т.е. базовых элементов сети с коммутацией каналов и элементов сети с коммутацией пакетов).

8.2.1. Ресурсы радиоканала и эффективность зоны обслуживания

В этом разделе представлен ресурс канала радиосвязи WCDMA в восходящем направлении. Существует несколько специальных параметров WCDMA в ресурсе канала радиосвязи, которые не используются в системе радиодоступа, основанном на TDMA, как, например, GSM. Самыми важными являются следующие.

• Запас помехозащищенности:

Этот параметр необходим в ресурсе радиолинии, потому что нагрузка ячейки, коэффициент нагрузки, влияет на зону обслуживания: смотрите раздел 8.2.2. Чем большая нагрузка допустима в системе, тем больший запас помехозащищенности необходим в восходящем канале и тем меньше зона обслуживания. Для случаев с ограниченной зоной обслуживания допускается меньший запас помехозащищенности, тогда как в случаях с ограниченной емкостью размер ячейки ограничивается допустимыми потерями на трассе в ресурсе радиолинии, и максимальная емкость воздушного интерфейса сайта базовой станции не используется. Типичными значениями запаса помехозащищенности в случаях с ограниченной зоной обслуживания являются 1,0 – 3,0 дБ, которые соответствуют 20 – 50 %-ной нагрузке.

• Запас на быстрые замирания (= резерв на управление мощностью):

Для обеспечения адекватного быстрого управления мощностью в замкнутом контуре необходим какой-то резерв мощности передачи MS. Это особенно относится к медленно перемещающимся подвижным пользователям, где быстрое управление мощностью помогает эффективно компенсировать быстрые замирания. Резерв по управлению мощностью изучался в [1]. Характеристика быстрого управления мощностью рассматривается в разделе 9.2.1. Типичными значениями для запаса на быстрые замирания являются 2,0 – 5,0 дБ для медленно перемещающихся подвижных пользователей.

• Выигрыш при мягком хэндовере:

Хэндоверы – мягкий или жесткий – дают выигрыш при медленных замираниях (= логнормальных замираниях) за счет уменьшения требуемого запаса на логнормальные замирания. Это объясняется тем, что медленные замирания для разных базовых станций слабо коррелированны, и с помощью хэндовера MS может выбрать лучшую базовую станцию. Мягкий хэндовер дает дополнительный выигрыш при использовании макроразнесения в борьбе с быстрыми замираниями за счет уменьшения требуемого отношения E_b/N₀по сравнению с отдельной линией радиосвязи благодаря единению макроразнесений. Полный выигрыш от мягкого хэндовера предположительно находится в интервале между 2,0 и 3,0 дБ в нижеприведенных примерах, включая выигрыш от медленных и быстрых замираний. Хэндоверы рассматриваются в разделе 9.3, а выигрыш от макроразнесения для зоны обслуживания – в разделе 11.2.1.4.

Другие параметры в ресурсе линии радиосвязи рассматриваются в главе 7 в [2]. Ниже приводятся три примера анализа ресурсов радиолинии для типичных услуг UMTS: услуга по передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с с использованием речевого кодека AMR, данных, передаваемых в реальном времени со скоростью 144 Кбит/с, и данных, передаваемых в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с в городской макросотовой среде при запланированном повышении помех в восходящем канале на 3 дБ. Запас помехозащищенности в 3 дБ резервируется для компенсации увеличения помех в восходящем канале. В таблицах 8.1 и 8.2 используются значения, которые рассматривались в ресурсах линии для приемников и передатчиков.

Таблица 8.1.

Принятые значения для MS.

	Речевой терминал	Оконечное устройство ввода данных
Максимальная передаваемая мощность	21 дБм	24 дБм
Коэффициенты усиления антенны	0 дБн	2 дБн
Потери из-за влияния тела	3 дБ	0 дБ

Таблица 8.2.

Принятые значения для BS.

Коэффициент шума	5.0 дБ
Коэффициент усиления антенны	18 дБн (3-х секторная базовая станция)
Требование к Eb/N0	Речь: 5,0 дБ Данные в реальном времени при скорости передачи 144 Кбит/с: 1,5 дБ Данные в нереальном времени при скорости передачи 384 Кбит/с: 1,0 дБ
Потери в фидере (кабеле)	2,0 дБ

Ресурс линии радиосвязи в таблице 8.3 анализируется для передачи речи со скоростью 12,2 Кбит/с для пользователей находящихся в машине, включая потери 8,0 дБ внутри машины. В этом случае никакого запаса на быстрые замирания не резервируется, поскольку при скорости 120 км/час быстрое управление мощностью не позволяет компенсировать замирания. Полагаем, что требуемое E_b/N₀равно 5,0 дБ. ТребованиеE_b/N₀зависит от битовой скорости вида обслуживания, профиля многолучевости, скорости перемещения MS, алгоритмов приемника и структуры антенны BS. Для низких скоростей MS требование кE_b/N₀является низким, но, с другой стороны, требуется запас на быстрые замирания. Как правило, низкие скорости MS являются огранивающим фактором в определении размеров зоны обслуживания из-за требуемого запаса на быстрые замирания. В таблице 8.4 приведен анализ ресурса линии для обслуживания передачи данных в реальном времени со скоростью передачи 144 Кбит/с, при 80% вероятности обеспечения нахождения абонента внутри здания. Основное различие данных в табл. 8.4 по отношению к табл. 8.3 состоит в разных выигрышах в отношении сигнал/шум при обработке сигналов, более высокой мощности передачи MS и более низких требованиях кE_b/N₀. К тому же, запас 4,0 дБ резервируется для быстрого управления мощностью, чтобы можно было компенсировать замирания при скорости движения 3 км/час. Здесь допускаются средние потери на проникновение в здание, равные 15 дБ.

В таблице 8.5 приводится анализ ресурса радиолинии для обслуживания передачи данных в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с вне помещения. Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигналов ниже, чем в предыдущих таблицах из-за более высокой скорости передачи. Кроме того, требование E_b/N₀ниже, чем при более низких скоростях передачи. Влияние битовой скорости на требованиеE_b/N₀отмечается в разделе 11.2.1.1. Этот ресурс радиолинии рассматривается при допущении, что мягкий хэндовер отсутствует.

Таблица 8.3.

Исходный ресурс радиолинии для передачи речи с помощью кодека AMR

со скоростью передачи 12,2 Кбит/с (120 км/час, пользователи в машинах,

канал типа А для транспортного средства, при мягком хэндовере).

Телефонная услуга (передача речи) со скоростью 12,2 Кбит/с (120 км/час, в автомобиле)
Передатчик MS
Максимальная мощность передачи MS [Вт]	0,125
То же, но в дБм	21,0		a
Коэффициент усиления антенны MS [дБн]	0,0		b
Потери влияния тела человека, [дБ]	3,0		c
Эквивалентная изотропная излучаемая мощность (EIRP) [дБм]	18,0		d=a+b-c
Приемник (BS)
Интенсивность теплового шума [дБм/Гц]	-174,0		e
Коэффициент шума приемника BS [дБ]	5,0		f
Интенсивность шума в приемнике [дБм/Гц]	-169,0		g=e+f
Мощность шума в приемнике [дБм]	-103,2		h=g+10*log(3840000)
Запас помехозащищенности[дБ]	3,0		i
Мощность помех в приемнике [дБм]	-103,2		j=10*log(10^((h+i)/10)-10^(h/10))
Полная мощность: эффективный шум+помехи (дБм)	-100,2		k=10*log(10^(h/10)+ 10^(j/10))
Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигналов [дБ]	25,0		l=10*log(3840/12.2)
Требуемое Eb/N 0 [дБ]	5,0		m
Чувствительность приемника [дБ]	-120,2		n=m+l+k
Коэффициент усиления антенны BS[дБн]	18,0		0
Потери в кабеле на BS [дБ]	2,0		p
Запас на быстрое замирание (дБ)	0,0		q
Максимальные потери на трассе [дБ]	154,2		r=d–n+o–p-q
Вероятность попадания в зону обслуживания [%]	95
Постоянная логарифмически нормальных замираний [дБ]	7,0
Коэффициент экспоненты модели распространения	3,52
Запас на логарифмически нормальные замирания [дБ]	7,3		s
Выигрыш при мягком хэндовере [дБ], мультиячейка	3,0		t
Потери в машине [дБ]	8,0		u
Допускаемые потери на распространение до границ ячейки [дБ]	141,9		v=r-s+t-u

Таблица 8.4.

Исходный ресурс радиолинии для передачи данных в реальном времени со скоростью 144 Кбит/с (3 км/час, пользователь внутри здания обслуживается BS, находится вне

здания, канал типа А для транспортного средства, при наличии мягкого хэндовера).

Передача данных в реальном времени со скоростью 144 Кбит/с
Передатчик MS
Максимальная мощность передачи MS [Вт]	0,25
То же, но в дБм	24,0		a
Коэффициент усиления антенны MS [дБн]	2,0		b
Потери влияния тела человека, [дБ]	0,0		c
Эквивалентная изотропная излучаемая мощность (EIRP) [дБм]	26,0		d=a+b-c
Приемник (BS)
Интенсивность теплового шума [дБм/Гц]	-174,0		e
Коэффициент шума приемника BS [дБ]	5,0		f
Интенсивность шума в приемнике [дБм/Гц]	-169,0		g=e+f
Мощность шума в приемнике [дБм]	-103,2		h=g+10*log(3840000)
Запас помехозащищенности [дБ]	3,0		i
Мощность помех в приемнике [дБм]	-103,2		j=10*log(10^((h+i)/10)-10^(h/10))
Полная мощность: эффективный шум+помехи (дБм)	-100,2		k=10*log(10^(h/10)+ 10^(j/10))
Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигналов [дБ]	14,3		l=10*log(3840/144)
Требуемое Eb/N 0 [дБ]	1,5		m
Чувствительность приемника [дБ]	-113,0		n=m+l+k
Коэффициент усиления антенны BS[дБн]	18,0		0
Потери в кабеле на BS [дБ]	2,0		p
Запас на быстрое замирание (дБ)	4,0		q
Максимальные потери на трассе [дБ]	151,0		r=d–n+o–p-q
Вероятность попадания в зону обслуживания [%]	80
Постоянная логарифмически нормальных замираний [дБ]	12,0
Коэффициент экспоненты модели распространения	3,52
Запас на логарифмически нормальные замирания [дБ]	4,2		s
Выигрыш при мягком хэндовере [дБ], мультиячейка	2,0		t
Потери в машине [дБ]	15,0		u
Допускаемые потери на распространение до границ ячейки [дБ]	133,8		v=r-s+t-u

Таблица 8.5.

Исходный ресурс радиолинии для передачи данных в нереальном времени со

скоростью 384 Кбит/с (3 км/час, пользователь вне помещения, транспортное средство, канал типа А, без мягкого хэндовера).

Передача данных в нереальном времени со скоростью 384 Кбит/с без мягкого хэндовера
Передатчик MS
Максимальная мощность передачи MS [Вт]	0,25
То же, но в дБм	24,0		a
Коэффициент усиления антенны MS [дБн]	2,0		b
Потери влияния тела человека, [дБ]	0,0		c
Эквивалентная изотропная излучаемая мощность (EIRP) [дБм]	26,0		d=a+b-c
Приемник (BS)
Интенсивность теплового шума [дБм/Гц]	-174,0		e
Коэффициент шума приемника BS [дБ]	5,0		f
Интенсивность шума в приемнике [дБм/Гц]	-169,0		g=e+f
Мощность шума в приемнике [дБм]	-103,2		h=g+10*log(3840000)
Запас помехозащищенности [дБ]	3,0		i
Мощность помех в приемнике [дБм]	-103,2		j=10*log(10^((h+i)/10)-10^(h/10))
Полная мощность: эффективный шум+помехи (дБм)	-100,2		k=10*log(10^(h/10)+ 10^(j/10))
Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигналов [дБ]	10,0		l=10*log(3840/12/2)
Требуемое Eb/N 0 [дБ]	1,0		m
Чувствительность приемника [дБ]	-109,20		n=m+l+k
Коэффициент усиления антенны BS[дБн]	18,0		0
Потери в кабеле на BS [дБ]	2,0		p
Запас на быстрые замирания (дБ)	4,0		q
Максимальные потери на трассе [дБ]	147,2		r=d–n+o–p-q
Вероятность попадания в зону обслуживания [%]	95
Постоянная логарифмически нормальных замираний [дБ]	7,0
Коэффициент экспоненты модели распространения	3,52
Запас на логарифмически нормальные замирания [дБ]	7,3		s
Выигрыш при мягком хэндовере [дБ], мультиячейка	0,0		t
Потери в машине [дБ]	0,0		u
Допускаемые потери на распространение до границ ячейки [дБ]	139,9		v=r-s+t-u

Эффективная зона обслуживания WCDMA определяется по средней площади (участка) сайта на узел в км²/сайт для заранее определенных стандартной среды распространения и поддерживаемой плотности трафика.

Исходя из вышеуказанных ресурсов радиолинии, расстояние до границ ячейки R можно легко вычислить по известной модели распространения, например, модели Окумура-Хата или модели Уолфиш-Икегами. Модель распространения описывает усредненный вариант распространения сигналов в указанной среде, и она позволяет преобразовать максимальные допустимые потери при распространении в дБ в максимальную дальность до границ ячейки в километрах. В качестве примера мы можем взять модель распространения Окумура-Хата для городской макроячейки с высотой антенны BS 30 м, высотой антенны MS 1,5 м и частоты несущей 1950 МГц [6]:

L = 137,4 + 35,2 log₁₀(R) , (8.1)

где L потери на трассе в дБ и Rрасстояние в км. Для пригородных зон мы допускаем использование дополнительного коэффициента коррекции зоны 8 дБ и получаем потери на трассе в виде:

L = 129,4 + 35,2 log₁₀(R) (8.2)

Согласно уравнению (8.2) расстояние до границ ячейки при передаче речи со скоростью 12,2 Кбит/с с потерями на трассе 141,9 дБ в пригородной зоне, показанны в таблице 8.3, составит 23 км. Расстояние до границ ячейки при скорости передачи 144 Кбит/с внутри помещения составит 1,4 км. Определив расстояние до ячейки R, можно затем получить размеры участка (сайта), которые являются также функцией конфигурации разбиения на секторы. Для ячейки гексагональной формы, охватываемой ненаправленной антенной, зона обслуживания может быть аппроксимирована как 2,6R².

8.2.2. Коэффициенты нагрузки и эффективность спектра

Вторым этапом определения размаха является оценка величины поддерживаемого трафика на участке (сайте) BS. Когда повторное использование частоты системы WCDMA равно 1, система, как правило, ограничивается по помехам воздушным интерфейсом, и, таким образом, должны быть вычислены величина помех и емкость ячейки.