摘 要： 介紹第三代移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基本過程,，規(guī)劃策略，應(yīng)考慮的各種因素,。詳細介紹了第三代移動通信系統(tǒng)中位置區(qū)域和尋呼區(qū)域的規(guī)劃,。
關(guān)鍵詞： 第三代移動通信系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 位置區(qū)域 尋呼區(qū)域
目前，第三代移動通信系統(tǒng)的研究工作正在世界范圍內(nèi)進行:未來公共陸地移動通信系統(tǒng)(FPLMTS),；國際通信聯(lián)合會(ITU)的國際移動通信2000年(IMT2000),；歐洲的通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)。這些系統(tǒng)在很大程度上是基于第二代數(shù)字移動無線系統(tǒng)的成功,，如全球移動通信系統(tǒng)(GSM),。第三代移動通信系統(tǒng)的目標(biāo)是支持多種業(yè)務(wù),，從語音和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。對于車輛達到144Kb/s,，從室外到室內(nèi)達到384Kb/s,，對于室內(nèi)和微微蜂窩環(huán)境達到2Mb/s。支持面向電路和面向分組的業(yè)務(wù),。第三代移動通信系統(tǒng)將適應(yīng)各種無線環(huán)境,，從城區(qū)到郊區(qū)，從丘陵地區(qū)到山區(qū),，微蜂窩,，微微蜂窩和室內(nèi)環(huán)境向任何人，在任何時間,，任何地方提供業(yè)務(wù),。另外，全球漫游也是一個主要目標(biāo),。由于可用頻帶有限且需要寬帶業(yè)務(wù),，無線接口的頻譜效率必須比第二代的高。
從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的觀點看,，第三代移動通信系統(tǒng)的主要特征是提供多種多樣的業(yè)務(wù),，從每秒幾千比特到2Mb/s；服務(wù)的用戶數(shù)量大(特別是在城區(qū)和人口密集的區(qū)域),；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性允許在特定的環(huán)境下配置不同的結(jié)構(gòu)(公共場所,、高速公路、住宅區(qū),、商業(yè)區(qū)),；基于分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的先進的移動性管理策略使用戶數(shù)據(jù)所需的存儲、更新和恢復(fù)等總的信令開銷最小,。很顯然,，現(xiàn)在的規(guī)劃方法不能處理這些特殊的特性。必須開發(fā)新的軟件工具來支持移動運營商來處理繁重的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃任務(wù),。這些軟件應(yīng)能適用各種移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,。它應(yīng)包括傳播條件預(yù)測，無線工程和網(wǎng)絡(luò)工程,。
1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題
第三代系統(tǒng)的規(guī)劃和優(yōu)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(fù)雜的蜂窩結(jié)構(gòu)(分層蜂窩結(jié)構(gòu))、動態(tài)資源分配策略(DCA,，對多種業(yè)務(wù)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(yīng)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(guī)劃過程所要達到的目的，就能將這些先進的技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)上,，并能設(shè)計適當(dāng)?shù)囊?guī)劃和優(yōu)化策略,。另外,，系統(tǒng)規(guī)劃和實現(xiàn)也是第三代移動通信系統(tǒng)能否獲得最大頻譜效率的因素，從而影響經(jīng)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(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是關(guān)鍵,。
網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要包括兩個方面：無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)范圍的確定,。無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃包括鏈路負載、容量以及所需蜂窩數(shù)的計算,。另外,，無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃還包括詳細的覆蓋和每個蜂窩的參數(shù)規(guī)劃。網(wǎng)絡(luò)范圍的確定包括基站所需的信道數(shù),、傳輸線的容量,、基站控制器數(shù)、交換機以及其它網(wǎng)絡(luò)單元的計算,。
和第二代系統(tǒng)相比,，由于第三代系統(tǒng)支持多種比特率和不同的業(yè)務(wù)，因而使網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程更復(fù)雜,。預(yù)測業(yè)務(wù)量和不同業(yè)務(wù)的使用模式更困難,。需要仔細的估價來確定影響所需業(yè)務(wù)不同實現(xiàn)策略的因素,。
進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃首先要估計業(yè)務(wù)強度,。業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)強度(Erlang)等于每小時的呼叫數(shù)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(yè)務(wù)量。它和基本電話業(yè)務(wù)的傳輸速率有關(guān),。對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),，用Mbps/km2表示業(yè)務(wù)強度更好。
業(yè)務(wù)級別的度量是區(qū)域覆蓋率和阻塞率,。區(qū)域覆蓋率和無線規(guī)劃的質(zhì)量和無線網(wǎng)絡(luò)的容量有關(guān),。阻塞率和可用的硬件有關(guān)。由于容量不足而使用戶阻塞稱為軟阻塞,。首先,，以所需的區(qū)域覆蓋率為目標(biāo)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)的資源不足,。設(shè)N是信道總數(shù)，T是所提供的業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)量(Erlang)/信道數(shù)×100%
2 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程
無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程可分成三個階段：
· 準(zhǔn)備階段
· 蜂窩數(shù)量估計階段
· 詳細的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段
在準(zhǔn)備階段,，要建立覆蓋率和容量的目標(biāo)，定義網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略,，決定初始設(shè)計和運行的參數(shù),。覆蓋率和容量的目標(biāo)要在所需的質(zhì)量和整個網(wǎng)絡(luò)費用之間折衷。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略包括微蜂窩的部署,，提供室內(nèi)和高比特率的覆蓋,，以及第二代系統(tǒng)的進化。對于可行的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案,，需要考慮下列因素：固定線傳輸?shù)馁M用,，如何容易地確定蜂窩位置，建立蜂窩的費用以及環(huán)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(nèi)進行覆蓋。此方法應(yīng)通過增加室內(nèi)蜂窩數(shù)來提供附加的容量,，而不應(yīng)通過室外蜂窩來提供室內(nèi)覆蓋,。若通過室外基站來提供室內(nèi)覆蓋，在計算鏈路負載時應(yīng)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(nèi)覆蓋,。此方法可用于人口密度大的市區(qū),。
在蜂窩數(shù)量估計階段，首先應(yīng)估計在給定區(qū)域內(nèi)的用戶數(shù)以及每個用戶所需提供的業(yè)務(wù)量,。估計在給定區(qū)域內(nèi)的用戶數(shù)至少應(yīng)考慮下列因素：
· 給定區(qū)域內(nèi)居住的人口
· 給定區(qū)域內(nèi)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(yè)務(wù)量決定于所需的業(yè)務(wù)種類和使用的頻繁程度,。對第三代系統(tǒng)，預(yù)測業(yè)務(wù)量非常困難,，因為它提供了許多新業(yè)務(wù),。對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，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(yè)務(wù)類型、客戶類型和資費有關(guān),。對于其它業(yè)務(wù),，定義平均呼叫時間非常困難,，因為沒有經(jīng)驗可借鑒。最重要的是以合理的精確度來預(yù)測業(yè)務(wù)量,。
蜂窩容量可以根據(jù)仿真或分析公式來估計,。用戶傳輸速率，業(yè)務(wù)性質(zhì)(可變性,、突發(fā)性),，業(yè)務(wù)的質(zhì)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(yīng)考慮扇區(qū)的劃分或自適應(yīng)波束，也叫做空分多址接入(SDMA)的影響,。
CDMA無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)定義為網(wǎng)絡(luò)正常運行時接近最大容量的程度,。確定負載因數(shù)時應(yīng)考慮業(yè)務(wù)性質(zhì),、無線資源管理算法以及網(wǎng)絡(luò)運營商的規(guī)劃能力等因素。一般負載超過75%系統(tǒng)運行就不穩(wěn)定,。
計算鏈路負載時,，在假設(shè)了數(shù)據(jù)傳輸速率和Eb/No性能后，還應(yīng)考慮設(shè)備的特定參數(shù)(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(yè)務(wù)的影響,。多用戶檢測可以減少負載因數(shù)的影響,。
根據(jù)容量和鏈路負載可以計算覆蓋一給定區(qū)域所需的蜂窩數(shù)量,。一個網(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)。而覆蓋受限意味著在一個蜂窩內(nèi)有足夠的容量支持所有的業(yè)務(wù),。
網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化階段有如下幾方面：每個蜂窩詳細的無線環(huán)境特點,，CDMA控制信道的功率規(guī)劃，導(dǎo)頻污染,，軟切換參數(shù)的規(guī)劃,，頻率間切換，重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析和無線網(wǎng)絡(luò)測試,。
3 分層蜂窩結(jié)構(gòu)
第三代移動通信系統(tǒng)將利用使網(wǎng)絡(luò)容量最大化的一些先進的蜂窩結(jié)構(gòu),。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常叫做分層蜂窩結(jié)構(gòu)，它可以根據(jù)運營商特殊需要通過不同的安排來實現(xiàn),。大多數(shù)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(yè)務(wù)信道和信令信道，而覆蓋層只分配有業(yè)務(wù)信道,。所有接入到業(yè)務(wù)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(fā)器(BTS)控制在呼叫過程中移動終端連結(jié)到哪一層,。從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的觀點看,，值得注意的是覆蓋層的發(fā)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(guī)劃的工作,。然而運營商應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)慕尤牒颓袚Q的門限來保證網(wǎng)絡(luò)的正常地運行。
微蜂窩和宏蜂窩層——這種網(wǎng)絡(luò)安排特別適用大業(yè)務(wù)量的地區(qū)和業(yè)務(wù)熱點地區(qū)(辦公室,，火車站,，機場等)。從現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)向第三代移動通信系統(tǒng)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(nèi),。這將迫使運營商設(shè)計各種用于商業(yè)區(qū)和居民區(qū)的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)。從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者的觀點看,，微蜂窩層特別適合使用動態(tài)信道分配(DCA)方式,，能夠處理業(yè)務(wù)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(yù)期的業(yè)務(wù)，同時動態(tài)地管理一些載波處理來自微蜂窩溢出的業(yè)務(wù)流,。如前所述,，微蜂窩/宏蜂窩方式也需要仔細地設(shè)計(接入和切換門限)使網(wǎng)絡(luò)正常工作，避免在兩層間出現(xiàn)乒乓效應(yīng),。
4 混合業(yè)務(wù)能力和多層規(guī)劃
第三代系統(tǒng)的主要特性是能夠提供多種業(yè)務(wù),。這種特性要求用一種新的策略進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。分層蜂窩結(jié)構(gòu)可以在同一移動網(wǎng)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(yè)務(wù)分配到同一資源層，由它來提供資源,，從而更好地平衡網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,。另外，無論對最大限制的業(yè)務(wù)還是最小限制的業(yè)務(wù),，網(wǎng)絡(luò)的配置都是最優(yōu)的,。因此，業(yè)務(wù)量需求分析要先于任何網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程。業(yè)務(wù)量需求分析不僅用來預(yù)測業(yè)務(wù)量需求等級,，而且必須完成業(yè)務(wù)量分離以使不同的業(yè)務(wù)和用戶分配到相應(yīng)的資源層,。業(yè)務(wù)量分離是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的第一階段，先于資源范圍的確定和分配,。
當(dāng)然,，最初網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，以覆蓋范圍優(yōu)化要選擇參考業(yè)務(wù),，要考慮在業(yè)務(wù)提供和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所需費用之間折衷,。
5 容量驅(qū)動的規(guī)劃策略
第二代移動通信網(wǎng)的規(guī)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(guī)劃和頻率規(guī)劃,，是由不同的方法完成，分別遵循覆蓋范圍準(zhǔn)則和容量準(zhǔn)則,。規(guī)劃的策略是從早期移動通信系統(tǒng)所處的典型環(huán)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(tǒng)進化,，標(biāo)準(zhǔn)是容量需要和頻譜效率的改善。在后續(xù)不同可用資源利用的優(yōu)化階段仍然要考慮簡單性,。然而,，最初蜂窩設(shè)計(密度，大小,，蜂窩類型)不能用純覆蓋范圍準(zhǔn)則,。從初始規(guī)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(shù)(如自適應(yīng)天線)來唯一確定一區(qū)域配置的蜂窩結(jié)構(gòu)類型,。
在CDMA系統(tǒng)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(tǒng)中干擾的限制。沒有和TDMA系統(tǒng)中分配的信道數(shù)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(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的其它參數(shù)來補償,。必須重新進行優(yōu)化，增加或減少蜂窩的密度,。從資源分配的觀點看,，CDMA的規(guī)劃是重復(fù)性的。相反,，資源分配的任務(wù)非常簡單,，因為不需要考慮頻率規(guī)劃,。只需要將功率在已存在的業(yè)務(wù)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(tǒng)中位置和尋呼區(qū)域的確定
第三代移動通信系統(tǒng)提供多種業(yè)務(wù)和容納大量用戶將產(chǎn)生大量處理用戶移動性的信令,。位置更新(LU)和尋呼業(yè)務(wù)占其中絕大部分信令負荷，因此需要一些復(fù)雜的計算工具幫助運營商確定合適的位置和尋呼區(qū)域,。
位置區(qū)域(LA)是移動終端(MT)可在其中移動而不需要更新分布式數(shù)據(jù)庫(DDB)中的位置信息的區(qū)域,。當(dāng)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(tài)的。即根據(jù)24小時內(nèi)的特定需要而改變范圍,。在公用和私有移動網(wǎng)絡(luò)中可以根據(jù)不同的準(zhǔn)則定義LA,。
尋呼區(qū)域(PA)是一移動終端在尋呼過程中可以被尋呼到的區(qū)域。在第三代系統(tǒng)中,，PA可以等于,、小于或大于相應(yīng)的LA。PA的范圍可以是固定的或動態(tài)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(tǒng)區(qū)域。UMTS中的LA/PA規(guī)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(yè)務(wù)控制點(MSCP)所控制的區(qū)域，所以LA/PA規(guī)劃應(yīng)在MSCP規(guī)劃后進行,。在鏈路優(yōu)化過程(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已知道局域交換級,，LE)后，并假設(shè)一個MSCP控制一個LE,，LA/PA規(guī)劃可以提供最終的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和更詳細的位置更新以及尋呼信令負荷估計,。
1、 位置區(qū)域的確定
LA規(guī)劃問題定義如下：
用一種最優(yōu)的方法將蜂窩分成位置區(qū)域以使無線鏈路上的負荷以及網(wǎng)絡(luò)固定部分的處理量和數(shù)據(jù)庫的改動最小,。
假設(shè)用固定LAs(即時不變非覆蓋LAs),，LA的規(guī)劃問題可用兩種不同的方式表述：
·選擇一最優(yōu)的方法將一組BTS(蜂窩)分成LAs使下面的費用函數(shù)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(chǎn)生的費用,。
·選擇一最優(yōu)的方法將一組BTS(蜂窩)分成LAs使下面的費用函數(shù)在約束條件PAG(LAi≤PAGmax)下最?。篊LA＝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(guān)費用CLU,，CPAG。LU過程需要在無線鏈路上交換信令,，并由于數(shù)據(jù)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(dǎo)致得到某一LA有非常大的尋呼信令過載的結(jié)構(gòu)。
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(qū)域的確定
已經(jīng)提出許多減小尋呼信令負荷的技術(shù)。這些技術(shù)(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(dāng)被叫用戶在某尋呼步驟內(nèi)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(wǎng)絡(luò)預(yù)測用戶在某一確定的LA內(nèi)的能力來判斷,。這可利用各種信息(用戶最近和網(wǎng)絡(luò)通信的位置，用戶居住,、工作的位置等)來實現(xiàn),。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(qū)域?qū)Ρ唤杏脩暨M行尋呼,。這個區(qū)域定義為尋呼區(qū)域。PA規(guī)劃問題定義如下：
給定一確定的區(qū)域和確定的尋呼策略,，找到一最優(yōu)的方法將LA分成尋呼區(qū)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(xiàn)，可以選擇基于近期連接尋呼(RIP)策略,，它首先在最近期內(nèi)用戶和網(wǎng)絡(luò)連接的PA內(nèi)對被叫用戶進行尋呼,。
我國電信對第三代系統(tǒng)的希望是：全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、頻率利用率高,、覆蓋效率好,、建網(wǎng)要經(jīng)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(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,，積極開發(fā)先進的軟件網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具，軟件工具應(yīng)考慮第三代移動系統(tǒng)的典型特征,，特別是傳播條件,、業(yè)務(wù)需求、不同的蜂窩范圍,、分層蜂窩和不同的信道分配方式,。
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