蜂窝移动通信网络规划与优化.pdf

普通高等教育“十三五”规划教材 电子信息科学与工程类专业规划教材 蜂窝移动通信网络 规划与优化 曾菊玲 编著 内 容 简 介 本书系统地阐述蜂窝移动通信网络规划与优化的基本原理与技术。全书共 8 章，分别为蜂窝移动通信网络架构及标准、无线网络规划概述、移动通信电波传播模型及校正、天线及规划、蜂窝小区初始规划、业务估算与小区容量规划、小区覆盖规划和链路预算、频率规划与干扰控制。前 4 章是基础，后 4 章从不同侧面讲述规划的原理与技术。本书提供配套电子课件。本书可作为高等学校通信工程、物联网工程、网络工程等专业的高年级本科生及研究生相关课程的教材，也可供相关领域的工程技术人员学习、参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 蜂窝移动通信网络规划与优化/曾菊玲编著 北京：电子工业出版社，2017.1 电子信息科学与工程类专业规划教材 ISBN 978-7-121-30357-9 I蜂 II曾 III蜂窝式移动通信网高等学校教材 IVTN929.53 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2016)第 274231 号 策划编辑：王晓庆 责任编辑：王晓庆 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：787980 1/16 印张：10 字数：211 千字 版 次：2017 年 1 月第 1 版 印 次：2017 年 1 月第 1 次印刷 定 价：45.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：(010)88254113，。前 言 一个万物相连的伟大时代正在出现。在物联网时代，如何为用户提供随时随地可用的、可靠的无线网络是通信网要解决的首要问题，蜂窝移动通信具有高效、快捷、便利、可靠等特点，必然成为无线接入的首选方式，也必然成为这个时代的基石。在蜂窝网络的建设和维护中，存在以下问题：一方面，用户业务量需求和业务种类需求快速增长，网络建设必须充分满足用户需求，使用户满意度最高；另一方面，蜂窝移动通信技术快速发展，网络建设需要考虑如何恰当地使用这些技术来提高系统的有效性和可靠性，最终提高用户满意度；最后，移动通信的信道是开放的、时变的，有各种衰落和损耗，网络建设需要采取多种措施克服这些因素的干扰，提高系统性能，同时，网络规模和网络设施性能及布置也会影响网络容量，影响用户满意度，总之，用户满意度、网络性能和网络建设维护成本之间存在矛盾，需要合理规划和优化。无线网络规划和优化不仅需要系统外知识，也需要系统内知识，不仅需要工程实践经验，也需要扎实的理论基础，需要掌握系统知识的工程技术员和科研人员，因此，无线网络规划和优化课程应运而生。所谓的无线网络规划，是在建网之前，根据蜂窝移动网络的特性及需求，设定相应的工程参数和无线资源参数，在满足一定的信号覆盖、系统容量和业务质量要求的前提下，使建网工程及成本降到最低，因此，它包含两方面的内容：一是如何保证通信质量；二是如何降低建网成本。所谓的无线网络优化，是在建网之后，通过对已运行的移动通信网络进行业务数据分析、测试数据采集、参数分析、硬件检查等手段，找出影响网络质量的原因，通过参数的修改、网络结构的调整、设备配置的调整和采取某些技术手段，确保系统高质量运行，并且使现有网络资源获得最佳效益，以最经济的投入获得最大的收益。但是，无线网络规划和优化课程目前在高校开设还不普及（尤其是在本科生中），也没有太多的合适教材。目前的教材大致分为两类，一类是为工程技术人员所写，包含大量的现场施工经验和技术常识，但也存在理论基础不完善、知识没有系统化、不便于本科生学习的缺点，另一类是研究生教材，主要讲述通信新技术与新型组网技术，为培养高级研发人员准备，理论基础要求太高，本科生难以适应。本书试图弥补二者缺陷，针对本科生特点，安排了一些数学基础和专业基础理论，比如，比较详细地介 IV 绍通信网络架构、电波传播模型、天线理论、业务量模型等，同时，也注重结合工程实际，比如，给出一些具体标准、工程参数与示例，另外，也引入了一些新技术，比如，频率规划新技术等，教学目的主要放在系统外部规划上，在习题的安排上，除了一些加强基础知识的习题外，还有一些系统设计的综合题，以及关于新技术应用的研讨题。本书每一章的开始都安排了本章导读，力图帮助读者理解本章内容各部分之间的关系，以及和蜂窝网络规划、优化的关系，加强知识的系统性。另外，根据通信网络的发展趋势，本书仅针对蜂窝通信的规划与优化。本书系统地阐述蜂窝移动通信网络规划与优化的基本原理与技术，全书共 8 章，分别为蜂窝移动通信网络架构及标准、无线网络规划概述、移动通信电波传播模型及校正、天线及规划、蜂窝小区初始规划、业务估算与小区容量规划、小区覆盖规划和链路预算、频率规划与干扰控制。前 4 章是基础，后 4 章从不同侧面讲述规划的原理与技术。本书可作为高等学校通信工程、物联网工程、网络工程等专业的高年级本科生及研究生相关课程的教材，也可供相关领域的工程技术人员学习、参考。本教材得到了国家重点研发计划（2016YFB0800403）、湖北省自然科学基金创新群体项目（No.2015CFA025）的支持。为适应教学模式、教学方法和手段的改革，本书提供配套电子课件，请登录华信教育资源网（为适应教学模式、教学方法和手段的改革，本书提供配套电子课件，请登录华信教育资源网（http:/）注册下载，也可联系本书编辑（）注册下载，也可联系本书编辑（）索取。）索取。由于作者水平和经验有限，书中难免出现不妥之处，敬请读者批评指正。作 者 2017 年 1 月 目 录 第 1 章 蜂窝移动通信网络架构及标准 1 1.1 蜂窝移动通信网络体系结构 2 1.1.1 通信网组成 2 1.1.2 2G/3G/4G 网络结构比较 3 1.1.3 3G 无线接入网结构及设备 9 1.2 通信网络协议结构 14 1.3 蜂窝移动通信标准概述 15 1.3.1 蜂窝移动通信主要标准化组织 15 1.3.2 蜂窝移动通信主要标准 18 习题 30 第 2 章 无线网络规划概述 31 2.1 无线网络规划基本定义 31 2.2 无线网络规划目标 32 2.3 无线网络规划内容及基本方法 33 2.4 无线网络规划原则 34 2.5 无线网络规划基本流程 34 2.6 无线网络规划工具 35 习题 36 第 3 章 移动通信电波传播模型及校正 37 3.1 自由空间传播模型 38 3.2 基于模型的电波传播损耗修正方法 39 3.3 几种常用室外路径损耗传播经验模型 41 3.3.1 Okumura 模型 41 3.3.2 Okumura-Hata 模型 43 3.3.3 COST231-Hata 模型 44 3.3.4 Walfish 和 Bertoni 模型 45 VI 3.4 室外微蜂窝传播模型 47 3.4.1 双线模型 47 3.4.2 经验模型 47 3.5 混合室内-室外传播模型（曼哈顿模型）48 3.6 室内路径损耗传播经验模型 48 3.6.1 室内无线传播的基本特点 48 3.6.2 同楼层分隔损耗室内路径损耗传播通用经验模型 50 3.7 无线电波传播模型校正 53 3.7.1 数据准备 54 3.7.2 现网路测数据后处理校正原理与误差分析 56 3.8 小尺度衰落信道 57 3.8.1 影响小尺度衰落的因素 57 3.8.2 多径信道的参数 58 3.8.3 多径时延扩展产生的衰落效应 59 3.8.4 多普勒扩展产生的衰落效应 60 3.8.5 Rayleigh、Ricean 及 Nakagami-m 分布 61 习题 62 第 4 章 天线及规划 63 4.1 天线基本原理及参数 63 4.1.1 电基本振子的辐射 64 4.1.2 天线的电参数 66 4.1.3 接收天线理论 73 4.2 天线规划 75 4.2.1 天线的基本设计方法 75 4.2.2 天线调整及其影响 77 4.2.3 具体场景中天线选择 78 4.2.4 极化方式对比 81 习题 82 第 5 章 蜂窝小区初始规划 83 5.1 不同区域的蜂窝小区基本覆盖规划 83 5.2 基站规划 85 VII 5.2.1 基站选址 85 5.2.2 室外型小基站选址 87 5.2.3 室内型小基站选址 89 5.3 基站配套设施规划 90 5.3.1 基站机房规划 90 5.3.2 铁塔工艺要求 90 5.4 无线网络控制器 RNC 规划 92 第 6 章 业务估算与小区容量规划 95 6.1 业务量模型 95 6.1.1 话务量度量 95 6.1.2 语音业务模型及容量 96 6.1.3 数据业务模型及容量 100 6.1.4 混合业务模型及容量 105 6.1.5 数据业务容量的仿真分析 108 6.2 用户话务量预测 109 6.2.1 增长趋势预测法 109 6.2.2 成长曲线法 110 6.2.3 二次曲线法 110 习题 111 第 7 章 小区覆盖规划和链路预算 113 7.1 小区覆盖设计 113 7.1.1 通信概率设定 113 7.1.2 系统余量设定 114 7.1.3 恶化量储备设定 114 7.1.4 各类损耗设定 115 7.1.5 天线性能参数选定 116 7.2 上行链路预算 116 7.2.1 上行链路预算模型 116 7.2.2 上行链路预算参数 117 7.3 下行链路预算 124 习题 126 VIII 第 8 章 频率规划与干扰控制 127 8.1 蜂窝系统基本概念 127 8.1.1 蜂窝小区、多址技术、信道复用及无线区簇 127 8.1.2 干扰模型与系统容量 129 8.2 频率复用技术 132 8.2.1 分组频率复用技术 132 8.2.2 新型频率复用技术 134 习题 136 第 9 章 蜂窝移动网络优化 137 9.1 蜂窝移动网络优化概述 137 9.1.1 无线网络优化目标 137 9.1.2 蜂窝移动网络优化内容及过程 138 9.1.3 蜂窝移动网络优化数据采集 140 9.2 蜂窝移动网络覆盖优化 141 9.3 蜂窝移动网络容量优化 143 9.3.1 业务量过载及优化措施 144 9.3.2 其他因素造成的容量下降及优化措施 145 9.4 蜂窝移动网络优化案例 146 9.4.1 3G 用户下切 2G 网络问题的优化 146 9.4.2 TD-LTE 网络优化 146 9.5 OFDAM 系统基于功率分配的干扰协调机制 148 习题 150 参考文献 151 第 1 章 蜂窝移动通信网络架构及标准 蜂窝移动通信是 20 世纪人类最伟大的科技成果之一。1946 年，移动通信的先驱者 ATT 推出了第一个移动电话，开辟了通信领域一个崭新的发展空间。然而，移动通信真正走向商用，还应从蜂窝移动通信的出现算起。蜂窝移动通信一经推出，便得到了飞速发展，从 20 世纪 70 年代末推出第一代蜂窝移动通信至今，短短 30 多年的时间，蜂窝移动通信已经走过了 4 代历程，目前正在向第 5 代迈进，未来 5G 标准对物联网的支持，必将把人类社会带入一个高度智能化的社会。蜂窝移动通信已成为主要的无线接入方式。蜂窝移动通信的主要特点是频率复用及基于小区制的蜂窝无线组网方式。通过频率复用，从技术上解决了频率资源有限、用户容量受限、无线电波传输干扰等问题，通过包含基站子系统和移动交换子系统等设备的网络结构，以无线通道连接终端和网络设备，支持用户在移动中通信，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能，使得用户在信号覆盖范围内随时随地进行通信成为可能，提供了容纳众多用户和提供话音、数据、视频图像等业务的公众移动通信，极大地方便了人们的生活。随着技术的进步，其传输方式、组网方式、网络架构的不断