WCDMA网络多载波部署策略研究

付海岩

【摘要】自2009年，联通建设WCDMA网络以来，以其网络能够提供高速移动业务体验、技术成熟稳定的网络服务，而受到广大用户的喜爱。四年来，WCDMA用户数持续高速增长，尤其是数据业务增长迅猛。随着业务量的逐渐增加，网络已由最初的单载波覆盖为主，逐步扩容到现有的四载波网络。根据业务发展趋势，北京局部地区存在使用更多载波的需求。本文重点对在北京WCDMA网络中部署多载波的相关问题进行了分析，探讨了在多载波基站所承载业务容量的估算方法，并针对四载波基站给出建议的经验值，也对WCDMA多载波网络中，应如何设置重选策略、切换策略，进行了分析和说明。同时，基于双信源叠加模式，对于在大网中邻区规划及负荷分担方式进行了研究，并提出配置建议，为北京联通WCDMA部署多载波提出了具体而实用的指导和参考。

【关键词】WCDMA多载波网络规划

一、联通WCDMA网络基本情况

1、网络建设情况

截至2013年12月，北京联通WCDMA网络已建设基站15865个，其中宏基站7551个，微蜂窝基站8314个，目前六环内覆盖率达到97.7%，实现了98.5%的人口覆盖，县城覆盖率达到98.99%，实现了乡镇以及3A级旅游景点100%的设站率。

2013年底，北京聯通WCDMA基站分布图如图1所示：

其中：北京市区已基本实现四载波连续覆盖（图中标出四载波区域）。

2、业务量情况

由于WCDMA网络技术成熟、上网速率快，业务体验好，在商用后，迎来了用户量的快速增长。截止到2013年12月份，全国3G用户已达到1.226亿户，其中，北京联通的WCDMA用户数为438万户。

用户数量的增长，带来了业务量的快速增长，尤其是数据业务增长迅速。从2011年至2013年，北京联通的业务发展变化如图2所示。

当前，晚忙时，北京联通WCDMA网络语音业务量达到42000Erl，数据业务量已经达到3.8TB。现网PS域早晚忙时流量热点分布如图3所示。

从图中可以看出，晚忙时数据流量较高地区主要在五环内及郊区县城，尤其是大型商业区、住宅区、交通干线、高校附近，例如望京、公主坟、学院楼周边大学等。

3、网络指标情况

虽然北京WCDMA网络已扩容至四载波，但网络指标显示，拥塞情况仍有出现，影响网络的接通率等指标。2013年12月，网络接通率及拥塞次数如图4所示：

二、WCDMA网络承载业务量测算

1、WCDMA网络容量模型分析

WCDMA网的容量可以分为资源容量和业务容量。资源容量主要是基站的CE资源、码资源和功率资源。业务容量主要是基站可承载的最大业务量，但这也与资源容量是相关的。在目前，我们考量一个基站的容量是否能够满足需求，主要是考量WCDMA网基站资源是否能够满足业务需求。

WCDMA基站容量受限因素体现在多个方面，包括SF码资源、下行功率、上下行CE资源、上行底噪抬升等。其中SF码资源的消耗与业务类别和承载方式有关，是时变的；下行功率即已消耗的载波功率资源，是所有业务消耗的功率的总和；CE资源是基带资源，独立于射频部分，可以独立扩容；上行底噪抬升表示随着用户的接入网络干扰在抬升，容量和业务质量随之下降，低噪抬升到网络设置的上限时说明网络的干扰水平已到了能容忍的最大值，不再允许其他用户接入，也就是拥塞。

2、WCDMA单基站承载最大业务量计算方法

（1）单载扇所承载的最大业务速率：

在所有资源都最大化利用的情况下，单载扇所承载的最大速率为：

3.84Mbps*6*15/16=21.6Mbps

此时，信道编码速率为1，采用64QAM调制，1个chip可传6bit信息，15个码字全部应用。

（2）四载波基站所能承载的理论最大业务速率：

四个载波基站中，一般来说，至少要有一个载波设置为承载语音业务专用，其他载波来承载数据业务。

因此按照三个数据业务的载波来计算，所承载的峰值吞吐量为：

3个扇区*3个载波*每载扇最大吞吐率21.6Mbps=194.4Mbps

此时，需要假定用户全部分布于接收质量足够良好区域（CQI>25），功率、码字资源不受限，且未形成信道间串扰，无线环境理想。

（3）实际四载波基站承载业务速率估算

在实际应用中，基站所承载的速率往往达不到上述假定的理想条件。要受以下因素影响：①业务具有不均衡性，实际用户的业务难以达到持续的高速下载，峰值速率通常为平均速率的4倍。②用户所在位置的无线环境具有不均衡性，一方面来说，一个基站下的所有用户不可能均具备启动HSPA+的条件，从统计数据上来看，通常仅有1/3的用户具备启动HSPA+的条件；另一方面来说，不同基站下用户分布的不均匀性决定了不同基站所承载最大业务的不同，同样的业务量，在有些基站由于用户和基站交互效率较高，造成拥塞的概率小，其他一些基站，由于用户分布较远或者无线环境复杂，会造成较大的拥塞概率。③上述两个因素并非叠加的关系，用户业务呈现不同的统计特性，当业务量较低的时点，不同用户间的串扰也会相对较低。

根据网络经验值，峰均比为1：4；则平均承载速率为

194.4Mbps/4=48.6Mbps

超过该数值则可能造成拥塞。再考虑无线环境带来的影响，需在上述承载速率中再考虑75%的损失，则四载波基站理论承载数据业务量为36.45Mbps。

也就是说，当考虑了网络中的各种复杂因素的情况下，如果一个四载波基站忙时承载业务速率达到36.45Mbps时，则需密切关注拥塞的出现，从而进一步考虑扩容。

3、影响WCDMA基站承载业务量其他因素

从理论上来说，基站承载业务量越高，则拥塞概率越大，这是一定的。但是，由于WCDMA容量受CE资源、码资源、功率资源等多方面的影响，因此，现网中的拥塞并未完全呈现出与业务量完全相关的统计规律。

其中，基站承载的用户数对于资源的消耗非常显著。以下从现网中抽取的数据，通过对所承载业务量的指标进行统计，发现业务量并非是权衡扩容需求的唯一因素：

典型基站1：惠新西街

忙时吞吐率为：40Mbps，接通率为99.90%，拥塞次数为0次，HS+R99平均用户数70个。

典型基站2：三里屯

忙时吞吐率为35Mbps，接通率为74.17%，拥塞次数为17335次，HS+R99平均用户数247个。

在三里屯基站中，由于用户数过多，造成了基站的码字资源受限，造成拥塞，承载业务容量大幅下降，仅有35Mbps左右。而吞吐率达到40Mbps的惠新西街基站，接通率良好，无拥塞，用户数正常。

4、WCDMA网络扩容原则：

（1）基于业务量准则，对于超过经验承载业务量的基站进行重点关注及统计；（2）基于资源利用准则，对于单站下基站用户数较多、资源消耗量较大的基站优先考虑扩容。

三、现网需扩容的区域统计

依据上述原则，当前需要进一步需要扩容的四载波基站分布如图5所示，其主要分布区域为国贸、金融街、中关村等，也就是说，在这些区域，有建设六载波或者更高容量的网络需求。当然，在这些数据热点区域，通过建设更高载波容量的WCDMA基站或是LTE网络的方式来分流流量，都是解决容量需求的方案。

以上区域是LTE建设的首选区域。在LTE建设有困难、不能到位的情况下，相对来说，WCDMA多载波网络的建设，涉及系统间切换较少，在频谱资源具备的情况下，也是一个不错的选择。

四、部署多载波的关键因素

如前所述，载波扩容的目的在于增加网络的业务承载能力，从而给用户带来更加良好的业务体验。但在WCDMA网络中，相对于单载波网络来说，多载波网络带来了网络复杂度的成倍上升，如果多个载波的网络没有合理配置，不能协同发挥作用，不但不會提升用户的业务性能，反而会带来更多的网络感知问题。尤其是三个以上载波的网络，将受制于频点测量数量的限制，复杂性更高。

在多载波网络环境下，需要解决几个主要问题：（1）用户终端在空闲态，如何选择合适的载波进行选网和驻留？（2）用户在使用业务过程中，如何能够快速测量到最佳切换载频？（3）终端发起业务时，如何能够在最适合的载波进行承载，使得载波的业务量能够均衡？（4）当载波间业务不够均衡时，采用何种机制来对业务量进行载波之间的切换和调节？（5）当用户处于某一载频的边界区域时，如何保障当前使用载频与其他载频之间的平滑切换？

为解决上述问题，使多载波网络平稳运行，负荷均衡，资源得到有效利用，需特别关注以下关键策略的部署和设置：（1）终端的驻留及重选策略；（2）异频切换策略；（3）载波间负荷均衡策略；（4）异频邻区配置策略。

1、终端的驻留及重选策略

在多载波WCDMA网络中，在载频质量劣化到一定程度时，将触发异频重选流程，从而使终端倾向于驻留在质量更好的载波上。

异频小区重选用于将处于空闲模式、CELL_PCH和CELL_FACH状态的终端重选到另一载波。异频小区重选由服务小区的CPICHEc/No触发，然后根据测量到的不同小区的信号水平决定是否进行小区重选。过程如下：

（a）当QqualMeas

例如，当QqualMin设置成-18dB，Sintersearch设置成6，当前服务小区的信号质量小于（-18+6）=-12时，终端将启动异频测量。

（b）当目标小区的测量结果得到后，终端根据S标准判断该目标小区是否可驻留。

（c）最后，终端对所有满足驻留条件的小区按照

Rs=Qmeas（servingcell）+Qhyst2，

Rn=Qmeas（neighbourcell）-AdjQoffset2，

进行排序。排序最高的小区就是小区重选的目标小区。如果重选的目标小区能够满足上面条件，且保持一段时间Treselection，小区重选发生。

因此，重选过程中参与计算的QqualMin、Sintersearch、Qhyst2、AdjQoffset2、Treselection等参数对于重选的启动时机、重选的速度、准确性至关重要。

2、异频切换策略

异频切换典型过程为：测量控制→测量报告→切换判决→切换执行→新的测量控制。切换算法根据切换判决所需要的测量值、切换控制方法、切换类型选择等来决定UE如何进行切换测量以及报告规则，再根据上报的测量结果进行切换判决，引导切换执行。

触发异频切换的事件主要有2B、2D和2F事件，具体描述如下：

（1）基于2B事件的切换控制

2B事件定义为：used frequency（当前频率）的质量估计值低于某一门限，而且non-used frequency（非当前频率）的质量估计值高于某一门限值。

如果used frequency的质量估计值低于在测量控制消息中下发的IE“Threshold used frequency”确定的门限值，而且non-used frequency的质量估计值高于在测量控制消息中下发的IE“Threshold non-used frequency”确定的门限值，而且满足磁滞值条件和触发时间条件，就会触发事件2B。它是作为覆盖切换触发条件。

（2）基于2D事件的切换控制

2D事件定义为：used frequency的质量估计值低于某一門限。

2D事件可用来启动压缩模式，进行异频测量。此门限由UTRAN下发的测量控制消息中的IE“Threshold used frequency”指定，其判决公式为：

Qused≤Tused2d-H2d/2（1）

其中：

Qused是正在使用的载频的信号质量（used frequency）Tused2d是用于正在使用的载频用于判决Even 2D的绝对门限；

H2d是2D事件的磁滞参数

（3）基于2F事件的切换控制

2F事件定义为：used frequency的质量估计值高于某一门限。

2F事件可用来关闭压缩模式，停止异频测量。此门限由UTRAN下发的测量控制消息中的IE“Threshold used frequency”指定，其判决公式为：

Qused≤Tused2d+H2f/2（2）

其中：

Qused是正在使用的载频的信号质量（used frequency）评估质量

Tused2d是正在使用的载频信号触发2F事件的绝对门

限

H2f是2F事件的磁滞参数。

3、载波间负荷均衡策略

在WCDMA系统中，新呼叫的接入、终端位置变化引起的切换、终端发送和接收速率的变化、外界的干扰和环境的变化等因素都会导致各小区的负载发生随机变化，这就会出现小区间负载不平衡的状况。有些小区可能出现负载较重的情况，小区内用户的通信质量受到严重影响，但同时，另一些小区可能处于空闲状态而未得到充分利用。

为避免这种情况的出现，就需要对资源的选择和利用进行控制，进行负荷均衡，尽可能有效地利用无线资源。负荷均衡算法包括两个算法：载波间负荷均衡（异频负荷均衡）和同频负荷均衡。载波间负荷均衡算法的优先级高于同频负荷均衡算法，一般情况下只打开载波间负荷均衡。

载波间负荷均衡算法主要包括几个关键方面：

●载波间负荷分配策略

语音业务需要优先保障，因此通常为语音业务分配独立载波。

在人群密集的高话务集中区域，如演唱会、展会等场景下，为减少载波间重选和切换带来的容量开销，通常不独立设置语音专属载波，而采用自由呼的策略，尽量使用户从驻留载波直接发起业务，不同载波间的负荷基本保持一致。仅当载波间负荷发生严重偏差时根据载波利用阈值进行负荷的重整。

为避免乒乓切换的发生，需要为切换增加适当的迟滞值。

以爱立信设备为例，设备最多能够定义5个HS load sharing目标小区，所有载频都支持HS与R99业务。

所有载频引入MO Coveragerelation，开启dchLoadSharing、hsCellSelection、hsLoadSharing功能。这样在空闲模式自由驻留的情况下，增大了UE再各载波均衡的几率。

4、异频邻区配置策略

根据3GPP协议规定，UE只可搜索2个异频测量频点。因此，当同站载波数量大于3时，邻区配置策略需要特殊设计，以满足UE能够在边界区域的多个载波间进行重选和切换，防止多载波不连续导致的孤岛效应。

五、结论和建议

在网络负荷不断增长的现实情况下，载波扩容对于容量的提升具有快速和高质量的特点。通过多载波的部署能够将用户进行物理隔离，有效降低网络的自干扰，提升高速数据业务流量。WCDMA多载波网络的部署建设避免了大量的无线环境调整工作量，但相对于单载波网络有其特殊性和复杂性，体现在通信协议的限制和设备自身的限制，需要进行细致的策略设计和参数设置。

通过前面的论述，根据多载波网络特点，结合北京话务增长的实际情况，建议采用如下方案部署：（1）在五环内进一步完善四载波的连续覆盖，减少用户移动过程中频繁的异频切换，保证用户体验。（2）热点地区通过双信源叠加方式开通六载波。（3）为语音业务设置优选第一载波。（4）重选策略采用自由呼的方式，减少不必要的频间开销。（5）切换策略原则上通过用户重选和业务建立来控制负荷均衡，在异频间做到少切换，尤其要避免乒乓切换。（6）邻区规划采用同覆盖小区，规划异频邻区；同载波相邻小区，做同频邻区；边界小区做5、6载波向1、2载波的迁移。

通过以上方案实施多载波的部署，可以实现载波资源的有效利用。

参考文献

[1] 3GPP TS 25.331 V7.9.0

[2]张长刚，李猛等.《WCDMA/HSDPA无线网络优化原理与实践》.人民邮电出版社

[3]毕猛.引入HSDPA后的WCDMA网络覆盖问题研究.《邮电设计技术》2008年第8期

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