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WCDMA主网分析和研究

本站原创   发布时间:2018-11-10   [点击量:386]  


摘要:WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)是第三代移动通信标准中的一个重要技术。由于WCDMA标准采用了码分多址以及扩频通信等技术,因此具有较宽的频点和较高的频谱复用率,而且通话质量高,保密性好。

由于在WCDMA系统中,无线网络的覆盖和小区的容量并不是相互独立的,应该在最初的无线网络规划中同时考虑到。因此3G网络中的优化问题对于移动通信系统至关重要。通过对当前的无线网络性能进行分析和评估,并制定一些可以优化的合理方案,以此来完成无线网络的优化。因此WCDMA无线网络的优化贯穿整个网络实施过程。

本文简要介绍了移动通信的发展,并详细介绍了 WCDMA网络的原理,并分析了其关键技术优势。通过对WCDMA的网络优化流程进行分析后,本文提出了对WCDMA网络的优化的措施做了总结,从而改善整个网络的性能。


关键词:WCDMA;网络优化;参数设置 


1.1 研究背景及现状

从最早开始的模拟通信至今,移动通信的发展还不到一个世纪。但是在这短暂的八十年里,移动通信的发展经过了从模拟通信到数字通信,从一开始只能传输简单的语音信号到现在能够传输高速率的语音信号的高清数字图像,其发展速度令人惊讶。可以说,作为一个有发展前景的领域,移动通信改变了人们的生活方式。

目前移动通信的发展经历了四个阶段并且已经在向第五代移动通信迈进。最早的第一代移动通信是模拟通信,但是只能传输少量的语音数据。随着蜂窝移动通信技术的发展,从第二代移动通信开始都是数字通信技术。第二代移动通信使用数字技术,主要的两种技术是GSM和CDMA,这两种技术的网络相较于1G提升了语音通话质量和保密性,也提供了自动漫游功能,提供了短信息功能。同时随着手机终端的体积大小,外观设计和价格更好的满足了移动通信用户的需求。所以在这个时代,移动通信才真正蓬勃发展起来。

第二代移动通信技术为典型的GSM(Global System for Mobile Communications,全球移动通信系统)系统。GSM是ETSI(欧洲电联)的数字蜂窝技术标准,其目的主要是解决欧洲跨国漫游的技术体制障碍,组建泛欧统一频段和统一标准的无线网络。因为当时1990年代欧洲一体化进展很快,但各国无线蜂窝网络不统一的体制藩篱对人员的大量自由流动带来很大不便。同美国IS-95(CDMA)技术标准主要是容量诉求为主还是有一定区别的。从后期全球市场来看,统一标准为业务升级、构建产业链带来了巨大的成本优势,相当程度帮助GSM成为第二代数字蜂窝的市场主流产品。欧洲电联携GSM之声势,于1996年选择了两套备选技术体制之一的WCDMA作为第三代数字蜂窝的技术标准(落选的TDS-CDMA后来辗转成为中国国标),力求继续占据全球无线通信市场领先位置,比较有意思的是,第二代数字蜂窝标准始终游离于国际主流标准之外的日本,积极与欧洲合作,1998年Docomo建设了全球第一张WCDMA商用网。

第三代移动通信技术主要是WCDMA、CDMA和TD-SCDMA三种制式,联通电信和移动分别选择了这三种技术。使用了多种新技术的3G网络,终端下载速率能够达到144kb/s到2Mb/s,可以满足网页浏览,视频通话,标清视频播放等多媒体应用需求。智能终端在这个时代大放异彩,苹果就是这个时代的杰出代表,诺基亚和摩托罗拉逐渐没落了。目前来看,WCDMA是第三代数字蜂窝技术的主流标准,也是欧洲电信产业最成功的自主知识产权产品。从通信发展进程上说,GSM属于2G,WCDMA属于3G,WCDMA是为了满足大家越来越多的上网业务而发展出来的,从简单的层面上看,WCDMA与GSM的最大区别是WCDMA有更快的上网速度更快,而且比GSM快很多;从技术层面上来说,WCDMA有码分技术,GSM只是时分与频分而没有码分。从国内运营上来说,WCDMA由联通公司运营,GSM联通与移动多有运营,只不过运营的频段不同而已。

4G是基于FDD/TDD (Time Division Duplexing,时分双工)和OFDM技术的,并使用了循环前缀等一些不太复杂的技术来进行频域均衡,有效地消除用户间干扰。4G技术能够随时随地进行无线接入,进行网络融合和重用。目前国内三大运营商都在部署4G网络,4G的另一个叫法是LTE(Long Term Evolution),也就是长期演进技术。LTE系统有两种制式:FDD-LTE和TDD-LTE,即频分双工LTE系统和时分双工LTE系统。中国移动正在部署的4G网络就是选择的TD-LTE制式。4G技术支持100Mbps-150Mbps的下行网络带宽。对于高清视频,云网络的应用支持会更好。2G,3G,4G的网络,也就是文本文档,图片与高清视频的区别。

1.2 课题研究的目的和意义

自移动通信发展以来,移动网络的覆盖范围越来越广,而且其业务范围和服务质量也是在不断提高的。WCDMA作为欧洲电信产业最成功的自主知识产权产品,是第三代数字蜂窝技术的主流标准。这为3G网络在我国的顺利投入使用提供了牢固的技术支持基础,但是随着3G用户的增加和对业务的需求,用户对3G网络的要求越来越高。因此为了为用户提供一个覆盖范围广、高质量接通率和可靠业务提供率的移动通信网络,还需要对目前的3G网络加以改进。因此对于目前我国的现状来说,对目前的3G核心网进行优化,以增强无线覆盖范围,进一步提高接通率和网络服务质量是一个长期的工作。

由于WCDMA网络主要包括用户设备、核心网和无线接入网这三个方面。无线网络优化的过程就是通过对现有的无线网络进行分析,在已经用户需求和无线传播模型的基础上,通过对无线网络进行分析找到影响网络质量的问题,制定合理的优化方案,调整无线网络的过程。通过无线网络的优化可以为用户提供更好的无线使用环境,极大的改善无线网络的性能。本文的主要目的是对WCDMA系统的无线网络优化流程做详细分析以进行优化设置,通过对现有的运营商资源合理利用的前提下,通过采取合适的参数配置等方法来进行无线网络优化,在保护运营商利益的前提下最大限度的为用户提供最好的服务。因此研究3G网络中的优化问题对推动中国移动网络的进步具有重要的价值与意义。

1.3 论文结构和安排

本文的出发点是通过对WCDMA主网进行分析以对WCDMA网络进行优化的研究。论文章节安排如下:

第一章在简要阐述了四代移动通信发展以及其特点后,对第三代移动通信的发展和现状以及标准进行了详细介绍,并且将WCDMA与GSM技术进行了简要比较后,引出了本文的写作目的和内容。

第二章主要是对WCDMA原理和网络结构的一些理论基础知识的介绍。通过对WCDMA的系统概况做了简要介绍后,对WCDMA技术原理以及网络结构进行了详细说明,并分析了 WCDMA系统的优势。最后对WCDMA的主网进行了详细的介绍分析。

第三章是本文的主要内容,主要是对WCDMA无线网络优化流程进行了详细介绍,并详细介绍了WCDMA网络优化的方法。

第四章是对本论文的一个总结,通过结合当今国内WCDMA网络优化技术发展的最新动向,展望对现有WCDMA系统的网络优化的改善和下一步的研究方向。

2 WCDMA原理介绍

2.1 WCDMA系统概况

宽带码分多址(WCDMA)系统是第三代移动通信系统标准中的一种,WCDMA可以提供高速的数据和话音通信服务。WCDMA是一种被用来满足通用移动通信系统(UMTS)技术的无线接入需求。

通过安装新的WCDMA系统或升级现有的WCDMA系统,移动服务提供商能够为他们的客户提供无线宽带(高速互联网)服务和更有效的操作系统(每个小区基站能够容纳更多的客户)。

WCDMA系统是由移动设备(无线电话和数据通信的设备称为用户设备UE),无线电发射塔(手机网站称为Node B)和一个互连系统(交换机和路由器的数据)组成。在WCDMA系统中采用两类无线信道:频分双工(FDD)和时分双工(TDD)。FDD无线信道主要用于提供广域的声音(音频)通道和数据服务。TDD信道通常用于不具备双频段可用性的系统。

在WCDMA系统与GSM系统设计了互操作。这允许使用GSM系统的客户可以慢慢切换到先进的WCDMA数字服务。WCDMA无线电塔(小区网)是由天线系统和无线电设备(基站)组成的。WCDMA基站包含一个或多个WCDMA数字和/或GSM无线信道。基站将从移动设备的无线电信号转换成可以被转移到移动互联系统的无线电信号。

2.2 WCDMA关键技术优势

WCDMA有几个关键的优势。一是每个发射机都被分配一个识别码。这意味着可以从多个发射机在同一地理区域传输相同的频率数据,无需考虑信号干扰以及信号强度损失。WCDMA系统还采用了功率控制技术。通过调整每个手机发送的信号强度,无论多么遥远的电话都能够使得手机信号以相同的强度到达最近的发射机,从而避免了发射机接收到过强或弱的信号,这可能会限制发射机的效率。

另一个好处是,WCDMA能够从容应对一个地区有许多设备的情况。这使得它特别适合于人口稠密的地区,如亚洲一些主要城市。该系统也适用于视频电话所提出的技术要求。

2.2 WCDMA系统结构

UMTS(通用移动通信系统,Universal Mobile Telecommunications System)的3G架构与原来的GSM网络相比能够提供更高级别的性能服务。然而,许多网络迁移通过GPRS和EDGE的使用已经具备了携带数据的能力。由于WCDMA网络结构只是被看作是许多的元素的迁移,因此大大降低了实施UMTS网络升级的成本。UMTS的一个主要目的是能够携带数据,UMTS网络架构的设计就是能够提供比GSM更完善的数据性能。

UMTS网络结构可以分为以下三个主要元素。

用户设备(UE):用户设备就是指以前的手机设备。之所以选用新的名字是因为UE含有相当大的功能。它也可以是手机和数据终端连接到一个没有声音的计算机之间的任何东西。

无线网络子系统(RNS):RNS等效于GSM 系统中的BSS(基站子系统或)。它提供和管理整个网络中的空中接口。

核心网络:核心网络提供了所有的中央处理和管理系统。它等效于GSM网络中的交换子系统。核心网络,外部网络包括公共电话网络和其他蜂窝电信网络接口的整体实体。

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UMTS 核心网

用户设备UE:UE是整个3G UMTS网络架构的主要元素。它与用户形成了最终的界面。它可以执行大量的应用程序和设备,因此把它称为一个用户设备而不是移动电话。虽然有机会获得更高的高速数据通信,灵活性更高,应用更广泛,但基本上用户设备是手机。它由多种不同的元素组成,主要包括射频电路、处理器、天线和电池等。

终端射频电路:射频电路能够处理所有接收机和发射机的信号。对射频功率放大器的主要挑战之一是降低功耗。W-CDMA的调制方式需要使用一个线性放大器。因此比以前GSM调制形式的非线性放大器需要更多的电流。因此,为了维持电池的寿命,引入了许多的设计确保最佳效率。

基带处理:基带信号处理主要包括数字电路。这比前几代人使用的手机要复杂的多,而且在设计中也对电流消耗进行了优化。

电池:目前普遍使用锂离子(锂离子电池)。

通用用户识别模块,USIM卡:UE还包含一个SIM卡。这是一种比较先进的用于GSM和其他系统的SIM卡版本,但体现了同样类型的信息。它包括国际移动用户识别码(IMSI)以及移动台国际ISDN号码(MSISDN)。其他信息包括USIM拥有使正确的语言信息显示的首选语言,尤其是当漫游,并列出优先和禁止公共陆地移动网(PLMN)。

UE可以采取多种形式,除了常见的手机外,其他宽带设备也被广泛使用。

UMTS无线网络子系统是WCDMA网络中UE和核心网接口的部分。整体的无线接入网络,能够收集所有的无线网络子系统称为UTRAN UMTS无线接入网络。

无线网络子系统由两个主要部分组成:无线网络控制器RNC和Node B。

无线网络控制器RNC:这是无线网络子系统的控制部分,用于控制所有连接到它的Node B。RNC进行部分无线资源管理和移动性管理。在这个部分也对数据进行加密/解密处理以保护用户数据不被窃听。

Node B:Node B内使用UMTS表示基站收发信机。它包含与小区内的用户进行通信的发射机和接收机。

为了在不同RNC的控制下完成Node B的有效切换,RNC不仅与核心网进行通信,而且与邻近RNC也进行通信。

UMTS核心网络架构迁移,负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理。

根据所传输的数据方式的不同, UMTS核心网络可以分为两个不同的领域:

电路交换域:这些区域主要是基于GSM网络实体进行语音的电路交换方式。

分组交换域:这些网络实体进行分组数据。这需要更高的网络使用能力来共享容量,而且根据目的地的不同的数据打包传输。

这两个域都会与其他网络连接(比如PS域通过Gi、Gp接口接入其他PLMN网络或PDN网络,CS域通过PSTN接入固定网络或其他PLMN)。CN在CS侧的主要元素是WMSC/VLR、HLR、MGW,PS则是SGSN和GGSN。相信在未来的演化中,电路域和分组域会实现二者的一体化,达到高效统一。

3 WCDMA优化流程

WCDMA网络优化就是通过对不同的变量参数设置进行调整以提高整个网络性能。整个网络优化的流程可以分为以下几个步骤,每个步骤集中于一组参数的设置。

•RF优化将主要集中在射频配置和重选参数的较小延伸上。

•语音优化的目的是为了改善由移动发起和移动终端建立的呼叫连接以及呼叫可靠性,这个过程中个主要是接入和切换参数的设置。

•进一步的服务优化将主要是语音优化。对于所有不同类型的服务供应商来说呼叫建立的初始部分是相似的,他们并没有在根据不同的服务设置定义不同的切换参数。因此,优化这些服务也仅仅是对有限的一些参数进行设置,主要为功率分配、质量目标和无线链路控制(RLC)参数。

•如果需要对整个WCDMA层完全优化的话则需要考虑到间系统(也称为inter-RATRAT)变化(重选和切换)。这种方法将确保系统间的参数设置与最终边界相一致,而不是为了缓解暂时的问题进行次优优化。

即便在最初的网络规划中已经对RF设置经过了仔细规划,无线网络的优化还是应该首先考虑RF。因为射频信号在传播过程中,由于受到例如建筑、地形、植被等很多因素的影响,在传播中设置的模型还是有误差的。因此在射频优化过程首先考虑预测模型和实际覆盖之间的任何差异,无论是在接收信号(RSCP)的形式和接收信号的质量(Ec/N0)。此外,在规划时进行相同的定性度量定义时应该考虑:小区重叠,小区迁移,以及每个小区覆盖控制。同时,假设一个UE用于测量与飞行扫描仪平行的RF条件,进行小区重选参数估计时必须考虑由移动性测试带来的动力学:在动态网络规划则不需要考虑,因为网络规划工具是自然静止的,只有在一个给定的位置模拟一次,不管周围。此外,一旦射频条件是已知的,动态仿真可以用来估计切换参数。

服务的优化是需要完善的参数设置(重选、访问和切换)。因为同样的基本过程适用于所有类型的服务,因此为了提供更好的语音服务最好对参数进行设置。无论是接入或切换,语音业务和其他业务之间的最主要区别是资源的可用性。语音服务测试大大简化了测试过程和分析过程中的参数个数限制。在这个过程中主要是参数的设置。不同的参数设置可能会试图达到最好的权衡:覆盖率与容量,移动源和移动端之间的呼叫接入的可靠性与呼叫建立的延迟,呼叫保持与主动设置大小等。WCDMA网络参数设置的选择将直接取网络的性能与所关心的性能(覆盖,容量,访问性能,呼叫保持性能等)。

在语音业务的优化建立成功后,则需要更进一步的优化。例如视频电话和分组交换(PS)数据服务将集中于有限的一组参数:功率分配、质量目标(BLER目标)和任何具体参数(以RLC或信道切换参数为例)。在进行信道切换时优化PS数据业务的过程中能够体现出良好的RF性能优化。信道切换是一个通用术语,信道切换的目的是适应承载的用户需求以提高资源的利用。当射频条件降低后,可通过降低数据速率来节约资源。通过降低数据速率,扩频增益的增加,从而降低了整个通信链路中所需的功率。

一旦基本服务的优化完成,也就是说,呼叫传递和呼叫保持成功建立连接,则通过系统间的变化以及具体的优化步骤,可把优化服务的重点放在保持服务的连续性上。系统间的变化,重选或切换,应该在基本的WCDMA优化完成后进行,以确保WCDMA覆盖边界的稳定性。

应用程序的优化可以被看作是业务优化的最后一个步骤,通常是有限的PS域优化。在这个过程中,系统参数的优化并不是为了获得较高的吞吐量或较小的延迟量,而是使用一个给定的应用程序来增加用户的体验。最为典型的为视频流中的图像质量的好坏。在优化过程中不能同时兼顾用户不同的需求,因此不同的应用程序之间会产生冲突。因此应该综合考虑无线网络中不同应用程序对它的影响。不论考虑的应用是哪种类型,可优化主要参数为RLC参数、目标质量和信道切换参数。在这个过程中,最终目的是在提高小区或系统容量的同时仍能够提高最终用户端的接收质量。 


WCDMA网络规划可以通过每个步骤只着重优化一组参数的方法来实现,通过下面这个简单的过程,则在WCDMA规划中的主要问题可以得到解决。即:

•RF规划和优化:通过定性和定量的度量,RF的一些主要问题(小区超调,主服务器缺失,最佳服务器的频繁变化)可以降低到最小化。

•参数设置:通过将参数分组(重选,接入,切换……)则可以分别进行参数设置优化来解决。这通过分组优化以提供更好的语音业务。

•系统间性能:规划边界是防止inter-RAT问题的一个关键因素。一旦边界设置从单一主导的WCDMA服务器进行切换或重选,则可通过另一个参数设置调整来解决系统间问题。

•建设服务:提供室内覆盖是一个简单的网络扩张。为了减少成本,关键是要确认建筑有更多的覆盖需求,然后提供一个能够满足覆盖率和容量要求的解决方案,而且在用户增长时也可以很容易地升级。

因此, WCDMA网络性能规划应该自始至终满足用户的期望。


参考文献

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4.张长钢,WCDMA无线网络规划原理与实践。人民邮电出版社.2015

5.陈泽钢,WCDMA技术与系统设计.2005


结论

本文首先对移动通信的发展进行了简要介绍,重点对WCDMA技术与GSM技术从技术以及网络建设等方面做了分析比较后,对整个对WCDMA无线网络优化问题进行了探讨与研究。通过对WCDMA的技术原理和关键技术进行分析后,详细介绍了WCDMA的网络优化的流程,并且对整个网络优化过程进行了详细的阐述。并提出了WCDMA系统网络优化分析的一些方法,文章最后提出了WCDMA网络性能规划应该自始至终满足用户的期望。

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