摘　要： 介绍第三代移动通信系统网络规划的基本过程，规划策略，应考虑的各种因素。详细介绍了第三代移动通信系统中位置区域和寻呼区域的规划。
　　关键词： 第三代移动通信系统 网络规划 位置区域 寻呼区域

　　目前，第三代移动通信系统的研究工作正在世界范围内进行:未来公共陆地移动通信系统(FPLMTS)；国际通信联合会(ITU)的国际移动通信2000年(IMT2000)；欧洲的通用移动通信系统(UMTS)。这些系统在很大程度上是基于第二代数字移动无线系统的成功，如全球移动通信系统(GSM)。第三代移动通信系统的目标是支持多种业务，从语音和低速率数据业务到高速率数据业务。对于车辆达到144Kb/s，从室外到室内达到384Kb/s，对于室内和微微蜂窝环境达到2Mb/s。支持面向电路和面向分组的业务。第三代移动通信系统将适应各种无线环境，从城区到郊区，从丘陵地区到山区，微蜂窝，微微蜂窝和室内环境向任何人，在任何时间，任何地方提供业务。另外，全球漫游也是一个主要目标。由于可用频带有限且需要宽带业务，无线接口的频谱效率必须比第二代的高。
　　从网络规划的观点看，第三代移动通信系统的主要特征是提供多种多样的业务，从每秒几千比特到2Mb/s；服务的用户数量大(特别是在城区和人口密集的区域)；网络结构的灵活性允许在特定的环境下配置不同的结构(公共场所、高速公路、住宅区、商业区)；基于分布式数据库结构的先进的移动性管理策略使用户数据所需的存储、更新和恢复等总的信令开销最小。很显然，现在的规划方法不能处理这些特殊的特性。必须开发新的软件工具来支持移动运营商来处理繁重的网络规划任务。这些软件应能适用各种移动网络规划。它应包括传播条件预测，无线工程和网络工程。
1 网络规划问题
　　第三代系统的规划和优化策略需要考虑将来UMTS运营商由于引入新而灵活的无线接口、更复杂的蜂窝结构(分层蜂窝结构)、动态资源分配策略(DCA，对多种业务要求进行灵活的资源分配)和提高容量方法的选择(如自适应天线)等所能获得的额外的自由程度。
　　如果运营商能够清楚的知道规划过程所要达到的目的，就能将这些先进的技术应用到网络上，并能设计适当的规划和优化策略。另外，系统规划和实现也是第三代移动通信系统能否获得最大频谱效率的因素，从而影响经济和运营上的成功。对运营商来说，要满足用户需要并获得效益，网络规划是关键。
　　网络规划主要包括两个方面：无线网络规划和网络范围的确定。无线网络规划包括链路负载、容量以及所需蜂窝数的计算。另外，无线网络规划还包括详细的覆盖和每个蜂窝的参数规划。网络范围的确定包括基站所需的信道数、传输线的容量、基站控制器数、交换机以及其它网络单元的计算。
　　和第二代系统相比，由于第三代系统支持多种比特率和不同的业务，因而使网络规划过程更复杂。预测业务量和不同业务的使用模式更困难。需要仔细的估价来确定影响所需业务不同实现策略的因素。
　　进行网络规划首先要估计业务强度。业务强度以爱尔兰(Erlang)为单位，1爱尔兰等于一条电路使用1小时(3600秒)。
　　业务强度(Erlang)等于每小时的呼叫数乘平均呼叫保持时间(秒)/3600。
　　等效的电话爱尔兰(ETE)定义为基本的电话呼叫业务量。它和基本电话业务的传输速率有关。对于数据业务，用Mbps/km2表示业务强度更好。
　　业务级别的度量是区域覆盖率和阻塞率。区域覆盖率和无线规划的质量和无线网络的容量有关。阻塞率和可用的硬件有关。由于容量不足而使用户阻塞称为软阻塞。首先，以所需的区域覆盖率为目标设计网络。在此条件下，满足一定的阻塞率要求，一般是2%。
　　阻塞率可定义为第一次呼叫时被阻塞的概率。阻塞的原因可能是基站的信道不足，或者是固定网的资源不足。设N是信道总数，T是所提供的业务量，所有信道都忙的概率遵从泊松分布：
　　P(N；T)＝T^Ne^－T/N!
　　P(N；T)即是阻塞率。
　　信道利用率可定义为：
　　效率(%)＝业务量(Erlang)/信道数×100%
2 无线网络规划过程
　　无线网络规划过程可分成三个阶段：
　　· 准备阶段
　　· 蜂窝数量估计阶段
　　· 详细的网络规划阶段
　　在准备阶段，要建立覆盖率和容量的目标，定义网络规划策略，决定初始设计和运行的参数。覆盖率和容量的目标要在所需的质量和整个网络费用之间折衷。网络规划策略包括微蜂窝的部署，提供室内和高比特率的覆盖，以及第二代系统的进化。对于可行的网络规划方案，需要考虑下列因素：固定线传输的费用，如何容易地确定蜂窝位置，建立蜂窝的费用以及环境问题。
　　一种策略是用宏蜂窝对室外覆盖，用微微蜂窝对建筑物的室内进行覆盖。此方法应通过增加室内蜂窝数来提供附加的容量，而不应通过室外蜂窝来提供室内覆盖。若通过室外基站来提供室内覆盖，在计算链路负载时应考虑建筑物的穿透损耗，一般为10～20dB。
　　另一种策略是一开始就使用微蜂窝，并利用它来提供室内覆盖。此方法可用于人口密度大的市区。
　　在蜂窝数量估计阶段，首先应估计在给定区域内的用户数以及每个用户所需提供的业务量。估计在给定区域内的用户数至少应考虑下列因素：
　　· 给定区域内居住的人口
　　· 给定区域内工作的人口
　　· 车辆的通过量
　　· 特殊事件和娱乐场所情况
　　每个用户所需提供的业务量决定于所需的业务种类和使用的频繁程度。对第三代系统，预测业务量非常困难，因为它提供了许多新业务。对于数据业务，需要估计每个用户每秒所需的平均速率。对于电路交换的用户，平均呼叫时间和业务类型、客户类型和资费有关。对于其它业务，定义平均呼叫时间非常困难，因为没有经验可借鉴。最重要的是以合理的精确度来预测业务量。
　　蜂窝容量可以根据仿真或分析公式来估计。用户传输速率，业务性质(可变性、突发性)，业务的质量要求(时延、BER/FER)和中断率是决定蜂窝容量的主要因素。若需要估计频谱效率，应考虑扇区的划分或自适应波束，也叫做空分多址接入(SDMA)的影响。
　　CDMA无线网络不能在极限容量下运营。极限容量可定义为理论上的最大容量。负载因数定义为网络正常运行时接近最大容量的程度。确定负载因数时应考虑业务性质、无线资源管理算法以及网络运营商的规划能力等因素。一般负载超过75%系统运行就不稳定。
　　计算链路负载时，在假设了数据传输速率和Eb/No性能后，还应考虑设备的特定参数(如电缆损耗)，天线增益和接收机噪声等。软切换增益对链路负载也有很大影响。还要考虑非对称业务的影响。多用户检测可以减少负载因数的影响。
　　根据容量和链路负载可以计算覆盖一给定区域所需的蜂窝数量。一个网络可以是覆盖受限或容量受限。容量受限意味着在最大的蜂窝半径下不能支持所有提供的业务。而覆盖受限意味着在一个蜂窝内有足够的容量支持所有的业务。
　　网络优化阶段有如下几方面：每个蜂窝详细的无线环境特点，CDMA控制信道的功率规划，导频污染，软切换参数的规划，频率间切换，重复的网络覆盖分析和无线网络测试。
3 分层蜂窝结构
　　第三代移动通信系统将利用使网络容量最大化的一些先进的蜂窝结构。这样的网络结构通常叫做分层蜂窝结构，它可以根据运营商特殊需要通过不同的安排来实现。大多数运营商主要选择下面两种方法：
　　同心式蜂窝——分两层，分别叫底层和覆盖层。底层分配有业务信道和信令信道，而覆盖层只分配有业务信道。所有接入到业务信道所需的信令过程都由底层蜂窝信道来完成；在完成初级信令阶段，基站收发器(BTS)控制在呼叫过程中移动终端连结到哪一层。从网络规划的观点看，值得注意的是覆盖层的发射功率强度要比底层的低。因此覆盖层将减小干扰，从而简化了无线范围的确定和频率规划的工作。然而运营商应选择适当的接入和切换的门限来保证网络的正常地运行。
　　微蜂窝和宏蜂窝层——这种网络安排特别适用大业务量的地区和业务热点地区(办公室，火车站，机场等)。从现有的移动通信系统向第三代移动通信系统迁移意味着将天线的高度从建筑物的顶部降到路面高度，因此将不能覆盖高层建筑物室内。这将迫使运营商设计各种用于商业区和居民区的室内覆盖系统。从网络规划者的观点看，微蜂窝层特别适合使用动态信道分配(DCA)方式，能够处理业务强度的快速变化。宏蜂窝层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，这种策略是分配较少的载波处理预期的业务，同时动态地管理一些载波处理来自微蜂窝溢出的业务流。如前所述，微蜂窝/宏蜂窝方式也需要仔细地设计(接入和切换门限)使网络正常工作，避免在两层间出现乒乓效应。
4 混合业务能力和多层规划
　　第三代系统的主要特性是能够提供多种业务。这种特性要求用一种新的策略进行网络规划。分层蜂窝结构可以在同一移动网中分成不同的资源层。这对运营商有很大的好处，因为它允许同类型的业务分配到同一资源层，由它来提供资源，从而更好地平衡网络设计。另外，无论对最大限制的业务还是最小限制的业务，网络的配置都是最优的。因此，业务量需求分析要先于任何网络规划过程。业务量需求分析不仅用来预测业务量需求等级，而且必须完成业务量分离以使不同的业务和用户分配到相应的资源层。业务量分离是网络规划的第一阶段，先于资源范围的确定和分配。
　　当然，最初网络规划时，以覆盖范围优化要选择参考业务，要考虑在业务提供和实现网络所需费用之间折衷。
5 容量驱动的规划策略
　　第二代移动通信网的规划策略是基于两个分离的过程。这两个过程，一般称之为覆盖范围规划和频率规划，是由不同的方法完成，分别遵循覆盖范围准则和容量准则。规划的策略是从早期移动通信系统所处的典型环境得出的，覆盖范围是一个限制因素。然而，向第三代移动通信系统进化，标准是容量需要和频谱效率的改善。在后续不同可用资源利用的优化阶段仍然要考虑简单性。然而，最初蜂窝设计(密度，大小，蜂窝类型)不能用纯覆盖范围准则。从初始规划阶段就要考虑容量需求。由是否需要冗余保护蜂窝或使用提高容量技术(如自适应天线)来唯一确定一区域配置的蜂窝结构类型。
　　在CDMA系统中，只有一个资源要考虑，蜂窝的密度和类型。没有提高每个蜂窝容量的方法，因为它受系统中干扰的限制。没有和TDMA系统中分配的信道数等效的附加自由度。换句话说，如果基于容量约束的初始资源分配(蜂窝的密度)得不合理，不能通过调节网络的其它参数来补偿。必须重新进行优化，增加或减少蜂窝的密度。从资源分配的观点看，CDMA的规划是重复性的。相反，资源分配的任务非常简单，因为不需要考虑频率规划。只需要将功率在已存在的业务间进行分配，可用确定性的方法来完成。
6 第三代移动通信系统中位置和寻呼区域的确定
　　第三代移动通信系统提供多种业务和容纳大量用户将产生大量处理用户移动性的信令。位置更新(LU)和寻呼业务占其中绝大部分信令负荷，因此需要一些复杂的计算工具帮助运营商确定合适的位置和寻呼区域。
　　位置区域(LA)是移动终端(MT)可在其中移动而不需要更新分布式数据库(DDB)中的位置信息的区域。当一个移动终端穿过一LA边界时，就需要更新位置信息。LA可以是固定的，也可以是动态的。即根据24小时内的特定需要而改变范围。在公用和私有移动网络中可以根据不同的准则定义LA。
　　寻呼区域(PA)是一移动终端在寻呼过程中可以被寻呼到的区域。在第三代系统中，PA可以等于、小于或大于相应的LA。PA的范围可以是固定的或动态的。依赖于存储在DDB中的位置信息和寻呼策略，PA的范围可以从单一蜂窝到整个系统区域。UMTS中的LA/PA规划过程中要考虑两点：
　　·初始阶段，要提供LA的估计和寻呼信令负荷来完成无线接口范围的确定。
　　·因为UMTS中的LA等于或小于一个由单一移动业务控制点(MSCP)所控制的区域，所以LA/PA规划应在MSCP规划后进行。在链路优化过程(网络结构已知道局域交换级，LE)后，并假设一个MSCP控制一个LE，LA/PA规划可以提供最终的网络结构和更详细的位置更新以及寻呼信令负荷估计。
　　1、 位置区域的确定
　　LA规划问题定义如下：
　　用一种最优的方法将蜂窝分成位置区域以使无线链路上的负荷以及网络固定部分的处理量和数据库的改动最小。
　　假设用固定LAs(即时不变非覆盖LAs)，LA的规划问题可用两种不同的方式表述：
　　·选择一最优的方法将一组BTS(蜂窝)分成LAs使下面的费用函数最小：C_LA＝C_LU＋C_PAG。C_LA是一LA的所有“费用”，C_LU是LU信令负荷所需费用，C_PAG是由无线接口上的寻呼信息广播产生的费用。
　　·选择一最优的方法将一组BTS(蜂窝)分成LAs使下面的费用函数在约束条件PAG(LA_i≤PAG_max)下最小：C_LA＝CLU。约束条件保证LA中的寻呼过程的最大信令负荷不超过给定的门限PAG_max。
　　然而，很难估计LU和寻呼过程的相关费用C_LU，C_PAG。LU过程需要在无线链路上交换信令，并由于数据库操作需要处理时间。另一方面，寻呼费用主要指无线链路上的信令负荷。第一种方法是估计基于每LA的平均信令负荷的总体费用CLA，它可能导致得到某一LA有非常大的寻呼信令过载的结构。
　　由于上述原因，一般选择第二种方法。寻呼过程中合适的PAGmax值很容易选择，如每个BTS占整个无线链路容量的百分比。
　　2、寻呼区域的确定
　　已经提出许多减小寻呼信令负荷的技术。这些技术(叫做“智能”寻呼策略)的基本原理是寻呼过程是逐步完成的。在寻呼信息通过LA中的所有基站进行广播前，当被叫用户在某寻呼步骤内被确定位置时就可获得信令增益。因此，寻呼策略的效率是通过网络预测用户在某一确定的LA内的能力来判断。这可利用各种信息(用户最近和网络通信的位置，用户居住、工作的位置等)来实现。智能寻呼策略的缺点是寻呼时延增加，因为寻呼过程是逐步完成的，而不是通常的一步完成。

　　从上述寻呼策略的描述中可清楚看出，在寻呼策略的每一步，都在LA的某区域对被叫用户进行寻呼。这个区域定义为寻呼区域。PA规划问题定义如下：
　　给定一确定的区域和确定的寻呼策略，找到一最优的方法将LA分成寻呼区域在保持寻呼时延允许的条件下以使寻呼信令负荷最小。
　　对于软件的实现，可以选择基于近期连接寻呼(RIP)策略，它首先在最近期内用户和网络连接的PA内对被叫用户进行寻呼。
　　我国电信对第三代系统的希望是：全球统一的标准、频率利用率高、覆盖效率好、建网要经济、要有足够的灵活性、良好的EMC性能、容易从第二代过渡。为了有效地满足这些需要，一定要重视网络规划，积极开发先进的软件网络规划工具，软件工具应考虑第三代移动系统的典型特征，特别是传播条件、业务需求、不同的蜂窝范围、分层蜂窝和不同的信道分配方式。
参考文献
1 Ioannis N.Kriaras.Third－Generation Mobile Network Architecture for the Universal Mobile Telecommunications System(UMTS).Bell Labs Technical Journal Summer 1997 P99
2 Ermanno Berruto.Research Activities on UMTS Radio Interface ,Network Architecture and planning.IEEE Communications Magazine February 1998 P82
3 Tero Ojanpera.Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communications. Artech House Boston London
4 Erik Dahlman.WCDMA—The Radio Interface for Future Mobile Multimedia Communication.IEEE Trans.On Vehicular Technology.VOL.47.No.4 1998 P1105
5 Antun Samukic.UMTS Universal Mobile Telecommunications System:Development of Standards for the Third Generation.IEEE Trans.On Vehicular Technology.VOL.47  No.4 1998 P1099