《移動通信》任務(wù)5 容量規(guī)劃

模塊二

移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計任務(wù)5容量規(guī)劃任務(wù)要求知識目標：解釋愛爾蘭的概念；闡明容量規(guī)劃的流程，歸納影響容量估算的因素；區(qū)分不同的多址技術(shù)，并整理其在移動通信系統(tǒng)中的典型應(yīng)用；記憶最大允許傳播路徑損耗的計算公式；比較固定信道配置法與動態(tài)信道配置法異同。技能目標：能根據(jù)常見的業(yè)務(wù)模型計算業(yè)務(wù)容量；能分析項目的覆蓋需求，并根據(jù)需要完成5G工程項目的容量規(guī)劃的計算；能制定項目的容量規(guī)劃報告。素質(zhì)目標：培養(yǎng)科學(xué)嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，愛崗敬業(yè)的職業(yè)精神；養(yǎng)成自主學(xué)習的良好習慣；尊重他人、交流分享，積極參與小組協(xié)作任務(wù)。知識點1容量規(guī)劃的流程知識點2多址技術(shù)知識點3信道配置知識點4話務(wù)模型目錄技能點1容量規(guī)劃工程實踐容量規(guī)劃的流程容量規(guī)劃的一般遵循如下的流程：（1）計算基站的單站吞吐量。根據(jù)系統(tǒng)仿真結(jié)果，得到一定站間距下的單站吞吐量。（2）根據(jù)話務(wù)模型計算用戶業(yè)務(wù)的總吞吐量需求或者由用戶給出。其中吞吐量需求的因素包括地理分區(qū)、用戶數(shù)量、用戶增長預(yù)測、保證速率等。（3）用總吞吐量除以單站的吞吐量，得到容量規(guī)劃的基站數(shù)量。影響系統(tǒng)容量的因素而在LTE系統(tǒng)、5G系統(tǒng)中，主要傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，影響系統(tǒng)容量的主要因素有：（1）資源配置和分配算法。（2）網(wǎng)絡(luò)信道環(huán)境和鏈路質(zhì)量。（3）MIMO天線模式對系統(tǒng)容量有直接影響。（4）干擾消除技術(shù)。（5）話務(wù)模型的準確性。知識點1容量規(guī)劃的流程知識點2多址技術(shù)知識點3信道配置知識點4話務(wù)模型目錄技能點1容量規(guī)劃工程實踐必須對基站和不同的移動用戶發(fā)出的信號賦予不同的特征多個移動用戶要同時通過一個基站和其他移動用戶進行通信基站能從眾多移動用戶的信號中區(qū)分出是哪一個移動用戶發(fā)來的信號,同時各個移動用戶又能夠識別出基站發(fā)出的信號中哪個是發(fā)給自己的多址技術(shù)的作用頻率時間功率TDMAFDMA頻率時間功率CDMA時間頻率功率Code1Code2CodeN頻分多址（FDMA,FrequencyDivisionMultipleAccess）時分多址（TDMA,TimeDivisionMultipleAccess）碼分多址（CDMA,CodeDivisionMultipleAccess）常用的多址技術(shù)以頻率來區(qū)分信道的，把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個等間隔的頻道分配給不同的用戶使用。

原理每一個移動用戶分配有一個地址，即在一個射頻頻帶內(nèi)，每個移動用戶分配有一個頻道，且這些頻道在頻域上互不重疊。下圖所示為一個基站BS與k個移動臺MS構(gòu)成的FDMA系統(tǒng)。頻分多址FDMA的頻道劃分

收發(fā)間隔為了使得同一部電臺的收發(fā)之間不產(chǎn)生干擾，收發(fā)頻率間隔|f-F|必須大于一定的數(shù)值。例如，在800MHz頻段，收發(fā)頻率間隔通常為45MHz。頻分多址特點1

每個信道只傳送一路信號。只要給移動臺分配了信道，移動臺與基站之間會連續(xù)不斷收、發(fā)信號。2

由于發(fā)射機與接收機同時工作，為了發(fā)、收隔離，必須采用雙工器。3FDMA采用單載波（信道）單路方式，若一個基站有30個信道，則每個基站需要30套收發(fā)信機設(shè)備，不能共用，即公用設(shè)備成本高。頻分多址應(yīng)用第一代模擬移動通信系統(tǒng)北美：AMPS系統(tǒng)歐洲、中國：TACS系統(tǒng)頻分多址原理以時隙來區(qū)分信道的，把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙（幀、時隙都不重疊），然后根據(jù)一定的分配原則，使各個移動臺在每幀內(nèi)只能在指定的時隙向基站發(fā)送信號。

每個移動用戶分配有一個地址，即在一個時間段(時幀)內(nèi)每個移動用戶分配有一個時隙，如下圖所示，MS1占用時隙1，MS2占用時隙2，MSk占用時隙k，且這些時隙在時域上互不重疊。時分多址

頻分前向/反向信道的幀結(jié)構(gòu)

123…8123…88123…….TN8….TN8….TN812333………8881122….TN8….TN8….TN8時分多址時分前向/反向信道的幀結(jié)構(gòu)

時分多址特點（1）TDMA系統(tǒng)的基站可只用一部發(fā)射機；（2）TDMA系統(tǒng)必須有精確的定時和同步，保證各移動臺發(fā)送的信號不會在基站發(fā)生重疊或混淆，并且能準確地在指定的時隙中接收基站發(fā)給的信號。同步技術(shù)是TDMA系統(tǒng)正常工作的重要保證。

時分多址應(yīng)用第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)

北美：DAMPS系統(tǒng)歐洲、中國：GSM-900，DCS-1800日本：PDC系統(tǒng)時分多址CDMA系統(tǒng)是基于碼型分割信道特點：頻率和時間資源均為共享每個移動用戶分配有一個地址碼，而這些碼型互不重疊

CDMA的基本原理是基于擴展頻譜技術(shù)碼分多址原理擴頻調(diào)制信道擴頻解調(diào)d(t)d(t)c(t)c(t)-Rb(t)-Rb(t)Rb(t)Rb(t)-Rc(t)Rc(t)干擾-Rc(t)Rc(t)AABBCCDDy(t)yr(t)干擾擴頻技術(shù)SS:SpreadSpectrum，指擴展頻譜的通信頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)接收端則利用相同的碼進行同步接收、解擴及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)碼分多址符號

+1

-1

+1

-1

-1

-1

-1

+1

+1

+1擴頻解擴頻碼片di（t）Ci（t）yi（t）

-1

+1yr（t）Ci（t）dr（t）接收的信號為：yr（t）=di（t）·Ci（t）解擴輸出信號dr（t）=yr（t）·Ci（t）=di（t）·Ci（t）·Ci（t）=di（t）窄脈沖序列稱為擴頻信號，即擴頻碼序列接收端用與發(fā)送端完全相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進行相關(guān)解擴，恢復(fù)所傳信息碼分多址特點存在多址干擾和遠近效應(yīng)①抗干擾和抗多徑衰落的能力強，保密性好②系統(tǒng)容量大③不需要復(fù)雜的頻率分配和管理碼分多址應(yīng)用美國：CDMA2000系統(tǒng)歐洲：WCDMA系統(tǒng)中國：TD-CDMA系統(tǒng)第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)美國：CDMAIS-95系統(tǒng)空分多址空分多址（SDMA）技術(shù)是利用空間資源分割構(gòu)成不同的信道，利用空分多址接入的多個用戶可以使用完全相同的頻率、時間和碼道資源。采用智能天線技術(shù)進行SDMA的技術(shù)，通常稱為基于波束賦形的SDMA技術(shù)?；诓ㄊx形的SDMA技術(shù)的主要思想是，通過形成不同的波束，對準不同的用戶，不同用戶可以使用相同的頻率、時隙和碼道資源，僅僅存在空間上的隔離，因而有效提升了系統(tǒng)容量。

正交頻分多址正交頻分多址（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA）是在OFDM技術(shù)基礎(chǔ)上的一種接入技術(shù)，它通過為每個用戶提供部分可用子載波的方法來實現(xiàn)多用戶接入。OFDMA方案可以看作將總資源（時間、帶寬）在頻率上進行分割，實現(xiàn)多用戶接入。知識點1容量規(guī)劃的流程知識點2多址技術(shù)知識點3信道配置知識點4話務(wù)模型目錄技能點1容量規(guī)劃工程實踐固定信道配置信道（頻率）配置主要解決將給定的信道（頻率）分配給在一個區(qū)群的各個小區(qū)，頻率配置主要針對FDMA和TDMA系統(tǒng)，在CDMA系統(tǒng)中，所有用戶使用相同的工作頻率因而無須進行頻率配置。按其分配置方式不同可以分為固定信道分配方式和動態(tài)信道分配方式兩種。固定頻道分配又可分為：分區(qū)分組配置法等頻距配置法

固定的信道分配策略：將一組信道固定配置給某一基站。優(yōu)點：控制方便，投資少。缺點：信道利用率低。分區(qū)分組配置法分區(qū)分組配置法所遵循的原則是：盡量減小占用的總頻段，以提高頻段的利用率；同一區(qū)群內(nèi)不能使用相同的信道，以避免同頻干擾；小區(qū)內(nèi)采用無三階互調(diào)的相容信道組，以避免互調(diào)干擾?，F(xiàn)舉例說明如下。設(shè)給定的頻段以等間隔劃分為信道，按順序分別標明各信道的號碼為1,2,3,…。若每個區(qū)群有7個小區(qū)，每個小區(qū)需6個信道，按上述原則進行分配，可得到：缺陷：由于出發(fā)點是避免三階互調(diào)干擾，沒考慮同一信道組的頻率間隔，可能會出現(xiàn)較大的鄰道干擾。第一組1，5，14，20，34，36

第二組2，9，13，18，21，31

第三組3，8，19，25，33，40

第四組4，12，16，22，37，39

第五組6，10，27，30，32，41

第六組7，11，24，26，29，35

第七組15，17，23，28，38，42等頻距配置法等頻距配置法是按等頻率間隔來配置信道的，只要頻距選得足夠大，就可以有效地避免鄰道干擾。這樣的頻率配置可能正好滿足產(chǎn)生互調(diào)的頻率關(guān)系，但正因為頻距大，干擾易于被接收機輸入濾波器濾除而不易作用到非線性器件，所以也就避免了互調(diào)的產(chǎn)生。這種方法是大容量蜂窩網(wǎng)廣泛采用的頻率分配方法。比如我國GSM網(wǎng)和TACS網(wǎng)均采用了這種方法。等頻距配置時可根據(jù)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)N來確定同一信道組內(nèi)各信道之間的頻率間隔，例如，第一組用(1，1+N,1+2N,1+3N,…)，第二組用(2,2+N,2+2N,2+3N,…)等。例如N=7

，則信道的配置為：第一組1，8，15，22，29，…

第二組2，9，16，23，30，…

第三組3，10，17，24，31，…

第四組4，11，18，25，32，…

第五組5，12，19，26，33，…

第六組6，13，20，27，34，…

第七組7，14，21，28，35，…

GSM采用的頻率復(fù)用結(jié)構(gòu)有很多種，有4/12、3/9和1/3等，下圖為“4/12”復(fù)用方式，請給各小區(qū)采用等頻距配置法分配信道。

A111233547597183B112243648607284C113253749617385D114263850627486A215273951637587B216284052647688C217294153657789D218304254667890A319314355677991B320324456688092C321334557698193D322344658708294表5-14/12頻率分配動態(tài)的信道分配策略:信道不固定或部分不固定地配置給各基站。可分為動態(tài)配置和柔性配置：動態(tài)配置：隨業(yè)務(wù)量的變化重新配置全部信道（信道全部不固定）。柔性配置：準備若干個信道，需要時提供給某小區(qū)（信道部分不固定）。優(yōu)點：頻率利用率高；缺點：控制復(fù)雜。(考慮各類干擾、計算、存儲和設(shè)備因素）動態(tài)信道配置知識點1容量規(guī)劃的流程知識點2多址技術(shù)知識點3信道配置知識點4話務(wù)模型目錄技能點1容量規(guī)劃工程實踐話務(wù)量的基本概念話務(wù)量又分為呼叫話務(wù)量和完成話務(wù)量。呼叫話務(wù)量的大小取決于單位時間（1小時）內(nèi)平均發(fā)生的呼叫次數(shù)λ和每次呼叫平均占用信道時間S（含通話時間）。顯然λ和S的加大都會使業(yè)務(wù)量加大，因而可定義呼叫話務(wù)量為：

A=S×λ 式中，λ的單位是（次/小時）；S的單位是（小時/次）；兩者相乘而得到，是一個無量綱的量，專門命名它的單位為“Erl”（愛爾蘭）。如果在一個小時之內(nèi)連續(xù)地占用一個信道，則其呼叫話務(wù)量為1愛爾蘭。例題：設(shè)在10個信道上，平均每小時有255次呼叫，平均每次呼叫的時間為2分鐘，那么這些信道上的呼叫話務(wù)量為：

A=（255*2）/60=8.5（Erl）在一個通信系統(tǒng)中，呼叫失敗的概率稱為呼叫損失概率，簡稱呼損率，記為B。話務(wù)模型實際上，一天24小時中，每一個小時的話務(wù)量是不可能相同的，了解蜂窩網(wǎng)日常話務(wù)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這一點對于通信系統(tǒng)的建設(shè)者、設(shè)計者和管理經(jīng)營者來說是很重要的。因為，只要“忙時”信道夠用，那么“非忙時”就不成問題了。因此，在這里引入忙時話務(wù)量的概念。忙時話務(wù)量是指一天中話務(wù)量最大的一個時段，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計應(yīng)按忙時話務(wù)量來進行計算，最忙1小時內(nèi)的話務(wù)量與全天話務(wù)量之比稱為集中系數(shù)，用К表示，一般К=10%～15%。每個用戶的忙時話務(wù)量需用統(tǒng)計的辦法確定。設(shè)通信網(wǎng)中每一用戶每天平均呼叫次數(shù)為C（次/天），每次呼叫的平均占用信道時間為T（秒/次），集中系數(shù)為К，則每用戶的忙時話務(wù)量為：

5G業(yè)務(wù)模型5G中的業(yè)務(wù)量預(yù)測與典型場景有關(guān)，在5G三大典型場景中，eMBB場景實際上包含“連續(xù)廣覆蓋”和“熱點高容量”兩個技術(shù)場景，mMTC場景對應(yīng)“低功耗大鏈接”技術(shù)場景，uRLLC場景則對應(yīng)“低時延高可靠”場景，不同的場景對應(yīng)不同的關(guān)鍵性能挑戰(zhàn)指標，確定這些技術(shù)指標參數(shù)的過程就是場景業(yè)務(wù)模型建立過程。5G典型業(yè)務(wù)（1）視頻會話5G時代，視頻會話業(yè)務(wù)很可能會代替語音會話成為主流。為了達到良好的使用體驗，傳輸4K高清視頻時，視頻會話雙方的上、下行速率應(yīng)大于60Mbit/s，同時，視頻會話業(yè)務(wù)時延應(yīng)控制在50～100ms。（2）視頻播放5G時代，用戶將對視頻播放有更高的要求，視頻播放將以8K分辨率為主。傳輸8K高清視頻，下行速率則應(yīng)達到240Mbit/s，上行速率則無具體要求，其時延應(yīng)控制在50～100ms。（3）虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以讓使用者享受沉浸式的體驗。虛擬現(xiàn)實屬于交互式/會話類業(yè)務(wù)，時延應(yīng)控制在50ms～100ms，一般為3D場景，在8K高清視頻的分辨率時才能有很好的體驗，以8K高清視頻傳輸作為要求，下行速率則應(yīng)達到960Mbit/s，上行速率則無具體要求。（4）增強現(xiàn)實增強現(xiàn)實技術(shù)可以在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進行互動。增強現(xiàn)實屬于時延敏感的交互類業(yè)務(wù)，時延需控制在5～10ms，在5G時代，為保證游客良好的體驗，其業(yè)務(wù)需要4K高清視頻的分辨率。根據(jù)4K高清視頻傳送要求，上行速率應(yīng)達到60Mbit/s，下行速率應(yīng)達到60Mbit/s。（5）實時視頻共享業(yè)務(wù)實時視頻共享業(yè)務(wù)也屬于交互類/會話類業(yè)務(wù)。5G時代，實時視頻共享業(yè)務(wù)將擁有更好的體驗。根據(jù)高清視頻的傳輸速率要求，當直播清晰度在4K時，上行速率應(yīng)達到60Mbit/s，實時視頻共享業(yè)務(wù)對下行速率沒有具體要求，其需要50～100ms的時延才能提供非常良好的業(yè)務(wù)體驗。（6）聯(lián)網(wǎng)無人機無人機若傳輸1080P高清視頻，上行速率應(yīng)大于15Mbit/s，時延應(yīng)控制在5～10ms。5G典型業(yè)務(wù)（1）連接密度數(shù)連接數(shù)密度是指單位面積內(nèi)可以支持的在線設(shè)備總和，是衡量5G無線網(wǎng)絡(luò)對海量規(guī)模終端設(shè)備支持能力的重要指標。（2）用戶體驗速率用戶體驗速率是指真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下單用戶可獲得的實際感知速率。（3）時延（4）移動性（5）流量密度5G業(yè)務(wù)評價指標5G典型業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)指標數(shù)值連接密度數(shù)3.6萬個/km2體驗速率上行14.79Mbit/s，下行102.68Mbit/s時延50～100ms移動性靜止流量密度上行0.52Tbit/s/km2，下行3.61Tbit/s/km2下面以密集住宅區(qū)為例，展示5G場景業(yè)務(wù)模型。住宅區(qū)人數(shù)可以參照現(xiàn)行城市規(guī)劃法規(guī)體系編制的各類居住用地控制性詳細規(guī)劃規(guī)定，即住宅區(qū)容積率不大于5，假定人均居住面積50平方米，則一塊1平方千米的容積率為5的居民小區(qū)，小區(qū)人口密度應(yīng)為10萬人/km2。假定居住地與社區(qū)5G終端的滲透率是1.2，5G設(shè)備的激活率是30%，則連接密度數(shù)為3.6萬個/km2。按場景業(yè)務(wù)模型技術(shù)參數(shù)的計算公式，得到密集住宅區(qū)場景業(yè)務(wù)模型如表5-2所示。表5-2密集住宅區(qū)的業(yè)務(wù)模型知識點1容量規(guī)劃的流程知識點2多址技術(shù)知識點3信道配置知識點4話務(wù)模型目錄技能點1容量規(guī)劃工程實踐容量規(guī)劃工程實踐實驗工具（1）IUV-5G全網(wǎng)部署與優(yōu)化教學(xué)仿真平臺；（2）電腦1臺。實驗要求（1）能理解任務(wù)書的容量規(guī)劃要求；（2）能遵照標準流程完成項目容量規(guī)劃；（3）能理解并正確使用上行、下行容量規(guī)劃的各項參數(shù)；（4）兩人一組輪換操作，完成實驗報告，并總結(jié)實驗心得。容量規(guī)劃工程實踐3.實驗步驟步驟1：認真閱讀并理解任務(wù)書要求。覆蓋規(guī)劃任務(wù)書：A市為一般城區(qū)，總移動上網(wǎng)用戶數(shù)為200萬，規(guī)劃覆蓋區(qū)域320平方公里，用戶密度較高。該市話務(wù)模型請參照表5-3至表5-4，請根據(jù)A市網(wǎng)絡(luò)拓撲規(guī)劃架構(gòu)選擇合適的無線網(wǎng)規(guī)劃參數(shù)進行容量規(guī)劃的計算。參數(shù)名取值調(diào)制方式64QAM流數(shù)2μ1幀結(jié)構(gòu)1111111200縮放因子0.75S時隙中上行符號數(shù)4最大RB數(shù)273Rmax948/1024開銷比例0.08單小區(qū)RRC最大用戶數(shù)800本市5G用戶數(shù)200萬編碼效率0.8上行速率轉(zhuǎn)化因子0.7在線用戶比例0.08表5-3上行容量計算參數(shù)規(guī)劃容量規(guī)劃工程實踐參數(shù)名取值調(diào)制方式256QAM流數(shù)4μ1幀結(jié)構(gòu)1111111200縮放因子0.8S時隙中下行符號數(shù)6最大RB數(shù)273Rmax948/1024開銷比例0.14單小區(qū)RRC最大用戶數(shù)800本市5G用戶數(shù)200萬編碼效率0.8下行速率轉(zhuǎn)化因子0.7在線用戶比例0.08表5-4下行容量計算參數(shù)規(guī)劃容量規(guī)劃工程實踐步驟2：計算上行單時隙時長。代入μ值，可得結(jié)果如圖5-9所示。圖5-9上行單時隙時長計算容量規(guī)劃工程實踐步驟3：計算上行符號