WCDMA系統(tǒng)容量的估算

1、WCDMA系統(tǒng)容量的估算一、 概 述在第三代移動通信系統(tǒng)中，分組數(shù)據(jù)業(yè)務（非實時和實時的）和實時的話音業(yè)務并重，有許多參數(shù)可以表征系統(tǒng)的容量，既可以用吞吐量表示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，也可以用愛爾蘭容量表示系統(tǒng)的話務處理能力。由于話音、圖象等實時業(yè)務也是以數(shù)據(jù)幀形式傳輸?shù)模酝掏铝縼肀碚鞯谌苿油ㄐ畔到y(tǒng)的容量較為合理，即在以分組數(shù)據(jù)為主的數(shù)字通信系統(tǒng)中，可以用吞吐量來表示系統(tǒng)的容量和負荷量。但是，第三代移動通信系統(tǒng)是由第二代發(fā)展而來的，為了方便地與第一、第二代系統(tǒng)作比較，仍常常使用愛爾蘭容量作為比較指標，來說明新一代系統(tǒng)所容納的用戶數(shù)是上一代系統(tǒng)的多少倍。下面用這兩種方法分別進行計算和描述。二、

2、 以話音用戶數(shù)表征的系統(tǒng)容量為了與第二代移動通信系統(tǒng)容量進行直觀的比較，假設(shè)系統(tǒng)接入的用戶全部是話音用戶。系統(tǒng)的容量是指系統(tǒng)能提供的可供同時通話的最大用戶數(shù)。從同樣的頻帶寬度來講，CDMA系統(tǒng)的容量是GSM系統(tǒng)的4到7倍，是第一代模擬系統(tǒng)的10到20倍。WCDMA系統(tǒng)的單位頻率容量與CDMA的基本相同，或略大一些，因為上下行均采用了相干檢測技術(shù)，上下鏈路容量基本對稱，而CDMA系統(tǒng)的上下鏈路容量不對稱，只能按較小的上行鏈路容量計算（上行鏈路中基站無法采用相干檢測技術(shù)，所需信噪比要大2dB左右，因而容量比下行的小一些）。由于WCDMA系統(tǒng)的通信頻帶比CDMA系統(tǒng)的要寬，且采用了更先進的無線傳輸技

3、術(shù)（RTT），所以WCDMA系統(tǒng)的總?cè)萘勘菴DMA系統(tǒng)的大。（1）話音業(yè)務與AMR模式在第三代WCDMA移動通信系統(tǒng)中使用了自適應多速率（Adaptive Multi 第 1 頁 共 11 頁Rate-AMR）語音編碼技術(shù)。AMR語音編碼器將8種源編碼速率集為一體。8種速率分別是12.2kbps、10.2kbps、7.95kbps、7.40kbps、6.70kbps、5.90kbps、5.15kbps和4.75kbps。其中12.2kbps的速率與GSM-EFR對應；7.40kbps的速率與美國TDMA體制的IS-641對應；6.70kbps的速率與日本的PDC對應。自適應多速率（AMR）語音

4、編碼技術(shù)考慮了與第二代移動通信系統(tǒng)的兼容和過渡問題，同時還考慮了系統(tǒng)負荷靈活調(diào)整和彈性容量的問題。而CDMA系統(tǒng)的源速率是：全速率時為8.6kbps（加上CRC校驗、尾比特后是9.6kbps）、半速率時為4.0kbps（加上CRC校驗、尾比特后是4.8kbps）、1/4速率時為2.0kbps（加上CRC校驗、尾比特后是2.4kbps）、1/8速率時為0.8kbps（加上CRC校驗、尾比特后是1.2kbps）。其中全速率時與WCDMA系統(tǒng)的7.95kbps接近。常用8kbps速率（G.729）作為典型值來估算話音用戶數(shù)，用12.2kbps作最少可容納的話音用戶數(shù)，當話音編碼速率達12.2kbps

5、時，話音質(zhì)量已經(jīng)達到相當好的效果。8種話音業(yè)務的源速率從4.75kbps到12.2kbps，與擴頻因子SF 的關(guān)系又怎么樣呢？上行鏈路是BPSK調(diào)制，SF=256時對應的空中速率為15kbps，下行鏈路是QPSK調(diào)制，SF=256對應的空中速率為30kbps。這樣，下行時用SF=256的信道碼承載一路話音。而上行時情況稍有不同，可以采用兩種方法：一是對7.95kbps以下源速率的話音數(shù)據(jù)進行1/3速率的卷積編碼，對10.2kbps、12.2kbps源速率的話音進行1/2 速率的卷積編碼，最后統(tǒng)一用SF=128的信道碼（對應速率為30kbps）來承載話音，這個方法的好處是對源速率較低的數(shù)據(jù)卷積編

6、碼增益大些，可以彌補低速語音編碼的不足；二是對7.95kbps以下的話音用1/2速率的卷積編碼，用SF=256的信道碼來承載，對編碼后、發(fā)射前速率略大于15kbps的情況，可采用打孔的方法來進行速率匹配；對10.2kbps、12.2kbps源速率的話音進行1/2 速率的卷積編碼，用SF=128的信道碼（對應速率為30kbps）來承載話音。第二種方法的優(yōu)點是可以通過改變語音源編碼速率的方法來改變空中負荷。SF=512在切換等特殊情況下時才用到。（2）WCDMA系統(tǒng)的容量WCDMA系統(tǒng)是一個自擾系統(tǒng)，系統(tǒng)容量與處理增益及信噪比有關(guān)，每扇第 2 頁 共 11 頁區(qū)的容量（通道數(shù)或信道數(shù)同時進行通信的

7、用戶數(shù)）為：G1 K=1+ E/N （1）0b式中G是處理增益，是碼片速率與信源速率之比，包括了卷積編碼增益和擴頻增益，Eb/No是信噪比， 01是話音激活因子，一般取0.67。 Eb=N0G(K-1)+WN0REb （2）若話音速率為8kbps，處理增益是480倍（26.8dB），信噪比是6dB，對應誤碼率是BER=10-3，話音質(zhì)量達到較高要求。話音激活因子是0.67，則容量估算結(jié)果是約180個用戶。三個扇區(qū)的容量應該是單扇區(qū)容量的3倍，但考慮到天線的副波瓣影響及扇區(qū)間的非理想隔離，容量不到理想的3倍，一般認為是2.55倍，即一個小區(qū)的容量為2.55*180=460個?？紤]周圍小區(qū)的影響，

8、容量下降到60%，也即WCDMA系統(tǒng)中，在周圍小區(qū)滿的情況下，每個小區(qū)可以允許460*0.6=275個用戶同時通話。公式（3）考慮了話音激活因子0.67、周圍小區(qū)滿的系數(shù)0.6、三個扇區(qū)系數(shù)2.55的因素：GK=2.28 +1 E/N （3）0b計算結(jié)果是276，基本上相等。同時通信的話音用戶數(shù)已定，那么愛爾蘭容量又怎么定呢？同時通話的用戶數(shù)與放號的用戶數(shù)的關(guān)系取決于呼損率。假如設(shè)定呼損率為5%，那么可放號的數(shù)量是多少？設(shè)流入話務量為A，呼損率為B，信道數(shù)（同時通話的用戶數(shù)）為N，則三者的關(guān)系有以下的愛爾蘭B公式：AN/N! B=Ni （4） Ai=0i!N條信道在一定的呼損率B條件下，對應的

9、流入話務量為A。當每個用戶忙時話務量在0.01到0.025Erl（愛爾蘭）之間，一般取0.025愛爾蘭。這樣在信道數(shù)等于275時，考慮到切換的30%預留信道，另外，在動態(tài)第 3 頁 共 11 頁分配信道時，考慮到無線通信的每次接續(xù)呼叫中，信令傳輸時間是不占用信道的，信令交互時間比有線通信的長，總的來說信道利用率可達70%左右，那么實際中計算話務量時只能認為信道數(shù)在275*0.5=137左右。呼損率為5%時，對應的流入話務量A=132.2愛爾蘭，每個用戶忙時話務量取0.025愛爾蘭，則在周圍小區(qū)滿的情況下，每一個小區(qū)（含3個扇區(qū)）能容納132.2/0.025=5288個用戶，也就是說系統(tǒng)中有Y個

10、小區(qū)時，可放Y*5288個用戶號。以上是一個載頻的結(jié)果，若多個載頻，通信帶寬是5MHz的整數(shù)倍，那么系統(tǒng)容量還要大，基本上用戶數(shù)也增長同樣的倍數(shù)。以上所有指標不變，話音的信源編碼速率從8kbpas提高到12.2kbps，那么在同樣的信噪比要求時，話音的質(zhì)量更高了，另一方面擴頻增益減小了，但有效的信道數(shù)變少了，從137降到91，流入的話務量從132.3Erls降到86.0erls，這樣每個小區(qū)容納的用戶數(shù)從5288降到3440。從此可看到，WCDMA系統(tǒng)的容量與信噪比及話音的源速率有關(guān)。3440/5288=0.650，而8kbps/12.2kbps=0.656，兩個比率接近，兩者的比率有一定的關(guān)

11、系（不一定是線性的）。（3）WCDMA系統(tǒng)的容量與第二代CDMA系統(tǒng)容量的比較在第二代窄帶CDMA系統(tǒng)中，容量要小得多，一個小區(qū)才90個左右，是WCDMA系統(tǒng)的三分之一左右，與碼片速率的比率基本相等（3.125倍），下面是計算例子。在CDMA系統(tǒng)中，由于上行沒有供相干檢測（解調(diào)）的導頻信號，只能采用非相干解調(diào)方法，這樣所需的信噪比Eb/No值較大，大約要大2dB左右；而下行鏈路有公共導頻信道供相干檢測和信道估計用，所需的信噪比Eb/No值較小，比上行鏈路的小，因而下行鏈路的容量比上行的大。假設(shè)系統(tǒng)業(yè)務是對稱的（話音業(yè)務），即上下鏈路的業(yè)務速率是相同的，因此在考慮系統(tǒng)容量時只考慮容量較小的、受限

12、的方向，也即考慮上行鏈路容量就可以了。在考慮容量問題時一個很重要的前提是相對于一定的信噪比Eb/No值來說的，所需的信噪比Eb/No值越低，系統(tǒng)的容量就越大，例如所需的Eb/No的值小2dB，那么C=102dB10=1.58，就是容量高58%！在相同調(diào)制解調(diào)技術(shù)情況下，所需的Eb/No的差值來自兩種情況：一是業(yè)務種類不同，所要求的信噪比不同，如話音要求誤第 4 頁 共 11 頁碼率為BER=10-3的數(shù)量級，數(shù)據(jù)誤碼率為BER=10-4的數(shù)量級，誤碼率要求越低，所需的信噪比越高。二是在同樣的誤碼率要求下，高速數(shù)據(jù)所需的信噪比要低一些，原因是數(shù)據(jù)速率越高，業(yè)務信道所發(fā)射的功率就越大，相應地，用于

13、信道估計和相干檢測的導頻信道的功率也大，使得信道估計的精確度提高，相干檢測效果更好，這兩項好處等于獲得了增益，例如12.2kbps話音需4到6dB的信噪比、64kbps實時數(shù)據(jù)僅需3dB、144kbps需2dB、384kbps需1.5dB、2048kbps需1.0dB。非實時數(shù)據(jù)（除了用前向糾錯編碼FEC外還可用自動反饋重傳ARQ）還可以降低信噪比要求。話音編碼速率=8kbps，話音激活因子=3/8，周圍小區(qū)滿，信噪比取7dB（對應誤碼率為千分之一，因為是非相干解調(diào)，相干解調(diào)時取4到5dB），以99%的概率滿足誤碼率BER=10-3要求時每個扇區(qū)可以容納36個用戶，一個小區(qū)分三個小區(qū)，考慮到小

14、區(qū)之間的隔離不是十分理想，方向天線有旁瓣，那么一個小區(qū)的容量就不到扇區(qū)容量的3倍，這樣一個小區(qū)可容納2.55*36=92個用戶。從碼片速率上，WCDMA與CDMA有3840kcps/1228.8kcps=3.125倍的關(guān)系；從上可見，在8kbps的信源編碼速率條件下，WCDMA系統(tǒng)一個小區(qū)的用戶數(shù)大約為275個，這還沒考慮WCDMA系統(tǒng)上行也可以采用相干檢測的好處，這里有2dB的增益。從信道數(shù)275/92=3倍的關(guān)系來看，實際的信道數(shù)比值與碼片速率的比值很接近，這也說明了計算結(jié)果是可信的。根據(jù)WCDMA系統(tǒng)中碼樹的結(jié)構(gòu)，用于劃分信道的正交碼最多有253個SF=256的低速碼用于傳輸業(yè)務數(shù)據(jù)，可

15、以同時為253個低速用戶（如話音業(yè)務用戶）服務，實際上，每個扇區(qū)的容量僅能同時容納100個左右的8kbps話音用戶；另外，因為每個扇區(qū)的擾碼不同，每個扇區(qū)的碼樹可以一樣。總之，在合理地利用碼資源的情況下，信道碼是夠用的。所需的信噪比Eb/No取決于比特速率的原因是DPCCH含有用于信道估計和功控信令比特的參考符號（3到8比特的導頻信號，用于相關(guān)檢測的信道估計)，Eb/No取決于信道及SIR估計算法的精度，而這些估計又取決于DPCCH中的參考符號！分配給DPCCH的功率越大，信道估計就越精確，所需的Eb/No值就越小。DPCCH的功率比DPDCH的小，隨著比特速率的提高，業(yè)務信道 DPDCH的功

16、率提高，DPCCH的功率值也隨著提高，即分配給DPCCH的功率增大了，第 5 頁 共 11 頁信道估計就更精確了，因而所需的Eb/No的值就隨著比特速率的提高而降低。三、 以話音、數(shù)據(jù)用戶數(shù)表征的系統(tǒng)容量第三代移動通信系統(tǒng)，即WCDMA系統(tǒng)的主要特點是支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務， 數(shù)據(jù)業(yè)務與傳統(tǒng)的話音業(yè)務并重，為了全面衡量系統(tǒng)的能力，必須考慮數(shù)據(jù)業(yè)務接入時系統(tǒng)容量的特性?；诟蓴_受限時的系統(tǒng)容量計算公式為：E/N0NR-b-10101-10+1 （5） K=FG10式中G是處理增益，是碼片速率（3.84Mcps）與數(shù)據(jù)速率之比；F是頻率復用系數(shù)，一般情況下取0.6；NR是噪聲上升系數(shù)（以dB計），還可以

17、用來表征系統(tǒng)的負荷，用于接納控制判決依據(jù)；Eb/No（以dB計）是滿足一定誤碼率要求所需的信噪比，隨數(shù)據(jù)速率不同而略有差異?；诟蓴_受限時的系統(tǒng)容量計算與物理層發(fā)射功率測量相對應。信道數(shù)與業(yè)務數(shù)據(jù)速率的關(guān)系是：速率越高，處理增益越低，在一定的負荷限制（NR一定）和一定信噪比條件下，信道數(shù)越少。軟容量的概念是基于干擾的負荷統(tǒng)計方法，因為負荷統(tǒng)計時是考慮了周圍小區(qū)干擾的影響的（負荷乘上一個(1+I)的因子），一般取干擾系數(shù)I為0.55，當周圍小區(qū)負荷較低時，干擾系數(shù)I可以取小些，比如取0.3，結(jié)果是本小區(qū)的負荷下降了，負荷余量提高了，容量比周圍小區(qū)滿的情況下要大一些，即實現(xiàn)了軟容量增益。一般來說，

18、上行鏈路容量的統(tǒng)計是基于干擾的。按公式（5）計算結(jié)果如下表所示：表一 愛爾蘭容量的計算第 6 頁 共 11 頁條件：碼片速率=3.84Mcps，復用系數(shù)F=0.6，噪聲上升系數(shù)NR=4dB（相當于負荷因子為60%）。結(jié)果分析：隨著數(shù)據(jù)速率的提高，信道數(shù)減少，軟容量增益增大。體現(xiàn)在數(shù)據(jù)速率提高時，所需的信噪比Eb/No變小。第 7 頁 共 11 頁圖 阻塞率為2%和5%情況下的不同速率業(yè)務的軟容量增益軟容量的計算方法是：硬容量的計算是考慮周圍小區(qū)負荷滿的情況，且全部小區(qū)的負荷是均衡的，直接按照公式（5）計算信道數(shù)，然后按照Erlang B公式計算愛爾蘭容量；軟容量的計算是周圍小區(qū)的負荷較輕時，本

19、小區(qū)可以“借”周圍小區(qū)的容量，“借”來的容量就是軟容量。這是在基于干擾測量衡量負荷時才適用，一般在上行鏈路的負荷估計時往往采用干擾功率來衡量，因此軟容量一般是指上行鏈路的情況。具體計算軟容量的方法是將信道數(shù)除以頻率復用系數(shù)（F=0.6），用Erlang B公式計算愛爾蘭容量，然后將容量乘以F，得到軟容量的愛爾蘭量。這個F是考慮周圍小區(qū)干擾時引入的，在考慮從周圍小區(qū)“借”容量時必然與這個F有關(guān)，即估算軟容量增益時要用到F這個系數(shù)。當接入的是話音用戶時話務強度按0.025愛爾蘭計算；接入的為數(shù)據(jù)用戶時，計算其話務強度按多少愛爾蘭計算？不同的業(yè)務種類（在3G系統(tǒng)中分為四個類別）有不同的QoS和不同的

20、話務強度，比如會話型業(yè)務、數(shù)據(jù)流型業(yè)務是實時業(yè)務；交互型業(yè)務和后臺型業(yè)務是盡力而為的業(yè)務。典型應用分別為話音、視頻流、WWW瀏覽和E-mail。在實際中，數(shù)據(jù)速率較低的業(yè)務呼叫會頻繁些，如上網(wǎng)游覽，每次傳輸?shù)臅r間長一些；對于高速數(shù)據(jù)的傳輸出現(xiàn)的概率較小，占用信第 8 頁 共 11 頁道的時間長些，如視頻流等?？偟膫鬏敂?shù)據(jù)量大體相近。設(shè)平均每個數(shù)據(jù)用戶每天發(fā)起呼叫次數(shù)為20次，每次占用信道的時間為5分鐘，則每個數(shù)據(jù)用戶的話務量強度等效為100分鐘/24*60=0.07Erlang，則可計算出數(shù)據(jù)用戶的愛爾蘭容量。表二 用戶數(shù)容量的計算條件：碼片速率=3.84Mcps，復用系數(shù)F=0.6，噪聲上升

21、系數(shù)NR=4dB（相當于負荷因子為60%）。注：在表二中，計算用戶數(shù)的時候，由于高速數(shù)據(jù)用戶的信道數(shù)很少，計算中采用了取整的近似方法，不滿足大數(shù)定律，故計算結(jié)果不是很精確。四、 三個計算方法的扇區(qū)容量對比系統(tǒng)負荷與噪聲上升系數(shù)NR的關(guān)系有： =1-PN=NR-1 （6）PtotalNR統(tǒng)一條件：NR=4dB（負荷因子等于60%）,Eb/No=5dB（3.162倍），話音速率為8kbps，話音激活因子為=0.67，周圍小區(qū)干擾時的頻率復用因子F=0.6，第 9 頁 共 11 頁系統(tǒng)負荷=60%，G=3840k/8k=480，則每個扇區(qū)的信道數(shù)為：G1 （1）K=F1+ E/N=820b（2）每個

22、話音用戶的負荷增量=1+1W=0.0044，Eb/No=3.162，Eb/NoR周圍小區(qū)滿的情況下考慮干擾，頻率復用因子F=0.6，=60%負荷時可以同時接納136*0.6=82個8kbps的話音用戶，即信道數(shù)是K=0.6=82。 0.0044實際上，（1）與（2）是一個公式派生出來的，只是從不同的計算量來考慮的。（3）基于干擾受限時的扇區(qū)容量計算E/NNR-b0-10101-10+1=91 K=FG10從上面方法（1）和（2）是一樣的，Eb/No按倍數(shù)的數(shù)值計算；方法（3）的Eb/No和NR按dB計，其結(jié)果比方法（1）和方法（2）寬松。方法（3）對應公式（5），似乎未考慮話音激活因子的作用，若考慮則結(jié)果差別更大。對比的結(jié)果也表明，用不同的公式