heyiWCDMA系统容量的估算

1、WCDMA系统容量的估算一、 概 述在第三代移动通信系统中，分组数据业务（非实时和实时的）和实时的话音业务并重，有许多参数可以表征系统的容量，如可以用吞吐量表示系统的数据传输能力，也可以用爱尔兰容量表示系统的话务处理能力。由于话音、图象等实时业务也是以数据帧形式传输的，以吞吐量来表征第三代移动通信系统的容量较为合理，即在以分组数据为主的数字通信系统中，可以用吞吐量来表示系统的容量和负荷量。但是，第三代移动通信系统是由第二代发展而来的，为了方便地与第一、第二代系统作比较，仍常常使用爱尔兰容量作为比较指标，来说明新一代系统所容纳的用户数是上一代系统的多少倍。下面用这两种方法分别进行计算和描述。二、

2、 以话音用户数表征的系统容量 为了与第二代移动通信系统容量进行直观的比较，假设系统接入的用户全部是话音用户。系统的容量是指系统能提供的可供同时通话的最大用户数。从同样的频带宽度来讲，CDMA系统的容量是GSM系统的4到7倍，是第一代模拟系统的10到20倍。WCDMA系统的单位频率容量与CDMA的基本相同，或略大一些，因为上下行均采用了相干检测技术，上下链路容量基本对称，而CDMA系统的上下链路容量不对称，只能按较小的上行链路容量计算（上行链路中基站无法采用相干检测技术，所需信噪比要大2dB左右，因而容量比下行的小一些）。由于WCDMA系统的通信频带比CDMA系统的要宽，且采用了更先进的无线传输

3、技术（RTT），所以WCDMA系统的总容量比CDMA系统的大。（1）话音业务与AMR模式在第三代WCDMA移动通信系统中使用了自适应多速率（Adaptive Multi Rate-AMR）语音编码技术。AMR语音编码器将8种源编码速率集为一体。8种速率分别是12.2kbps、10.2kbps、7.95kbps、7.40kbps、6.70kbps、5.90kbps、5.15kbps和4.75kbps。其中12.2kbps的速率与GSM-EFR对应；7.40kbps的速率与美国TDMA体制的IS-641对应；6.70kbps的速率与日本的PDC对应。自适应多速率（AMR）语音编码技术考虑了与第二代

4、移动通信系统的兼容和过渡问题，同时还考虑了系统负荷灵活调整和弹性容量的问题。而CDMA系统的源速率是：全速率时为8.6kbps（加上CRC校验、尾比特后是9.6kbps）、半速率时为4.0kbps（加上CRC校验、尾比特后是4.8kbps）、1/4速率时为2.0kbps（加上CRC校验、尾比特后是2.4kbps）、1/8速率时为0.8kbps（加上CRC校验、尾比特后是1.2kbps）。其中全速率时与WCDMA系统的7.95kbps接近。常用8kbps速率（G.729）作为典型值来估算话音用户数，用12.2kbps作最少可容纳的话音用户数，当话音编码速率达12.2kbps时，话音质量已经达到相

5、当好的效果。8种话音业务的源速率从4.75kbps到12.2kbps，与扩频因子SF 的关系又怎么样呢？上行链路是BPSK调制，SF=256时对应的空中速率为15kbps，下行链路是QPSK调制，SF=256对应的空中速率为30kbps。这样，下行时用SF=256的信道码承载一路话音。而上行时情况稍有不同，可以采用两种方法：一是对7.95kbps以下源速率的话音数据进行1/3速率的卷积编码，对10.2kbps、12.2kbps源速率的话音进行1/2 速率的卷积编码，最后统一用SF=128的信道码（对应速率为30kbps）来承载话音，这个方法的好处是对源速率较低的数据卷积编码增益大些，可以弥补低

6、速语音编码的不足；二是对7.95kbps以下的话音用1/2速率的卷积编码，用SF=256的信道码来承载，对编码后、发射前速率略大于15kbps的情况，可采用打孔的方法来进行速率匹配；对10.2kbps、12.2kbps源速率的话音进行1/2 速率的卷积编码，用SF=128的信道码（对应速率为30kbps）来承载话音。第二种方法的优点是可以通过改变语音源编码速率的方法来改变空中负荷。SF=512在切换等特殊情况下时才用到。（2）WCDMA系统的容量WCDMA系统是一个自扰系统，系统容量与处理增益及信噪比有关，每扇区的容量（通道数或信道数同时进行通信的用户数）为： （1） 式中G是处理增益，是码片

7、速率与信源速率之比，包括了卷积编码增益和扩频增益，Eb/No是信噪比， 是话音激活因子，一般取0.67。 （2）若话音速率为8kbps，处理增益是480倍（26.8dB），信噪比是6dB，对应误码率是，话音质量达到较高要求。话音激活因子是0.67，则容量估算结果是约180个用户。三个扇区的容量应该是单扇区容量的3倍，但考虑到天线的副波瓣影响及扇区间的非理想隔离，容量不到理想的3倍，一般认为是2.55倍，即一个小区的容量为2.55*180=460个。考虑周围小区的影响，容量下降到60%，也即WCDMA系统中，在周围小区满的情况下，每个小区可以允许460*0.6=275个用户同时通话。公式（3）考

8、虑了话音激活因子0.67、周围小区满的系数0.6、三个扇区系数2.55的因素： （3）计算结果是276，基本上相等。同时通信的话音用户数已定，那么爱尔兰容量又怎么定呢？同时通话的用户数与放号的用户数的关系取决于呼损率。假如设定呼损率为5%，那么可放号的数量是多少？设流入话务量为A，呼损率为B，信道数（同时通话的用户数）为N，则三者的关系有以下的爱尔兰B公式： （4）N条信道在一定的呼损率B条件下，对应的流入话务量为A。当每个用户忙时话务量在0.01到0.025Erl（爱尔兰）之间，一般取0.025爱尔兰。这样在信道数等于275时，考虑到切换的30%预留信道，另外，在动态分配信道时，考虑到无线通

9、信的每次接续呼叫中，信令传输时间是不占用信道的，信令交互时间比有线通信的长，总的来说信道利用率可达70%左右，那么实际中计算话务量时只能认为信道数在275*0.5=137左右。呼损率为5%时，对应的流入话务量A=132.2爱尔兰，每个用户忙时话务量取0.025爱尔兰，则在周围小区满的情况下，每一个小区（含3个扇区）能容纳132.2/0.025=5288个用户，也就是说系统中有Y个小区时，可放Y*5288个用户号。以上是一个载频的结果，若多个载频，通信带宽是5MHz的整数倍，那么系统容量还要大，基本上用户数也增长同样的倍数。以上所有指标不变，话音的信源编码速率从8kbpas提高到12.2kbps

10、，那么在同样的信噪比要求时，话音的质量更高了，另一方面扩频增益减小了，但有效的信道数变少了，从137降到91，流入的话务量从132.3Erls降到86.0erls，这样每个小区容纳的用户数从5288降到3440。从此可看到，WCDMA系统的容量与信噪比及话音的源速率有关。3440/5288=0.650，而8kbps/12.2kbps=0.656，两个比率接近，两者的比率有一定的关系（不一定是线性的）。（3）WCDMA系统的容量与第二代CDMA系统容量的比较在第二代窄带CDMA系统中，容量要小得多，一个小区才90个左右，是WCDMA系统的三分之一左右，与码片速率的比率基本相等（3.125倍），下

11、面是计算例子。 在CDMA系统中，由于上行没有供相干检测（解调）的导频信号，只能采用非相干解调方法，这样所需的信噪比Eb/No值较大，大约要大2dB左右；而下行链路有公共导频信道供相干检测和信道估计用，所需的信噪比Eb/No值较小，比上行链路的小，因而下行链路的容量比上行的大。假设系统业务是对称的（话音业务），即上下链路的业务速率是相同的，因此在考虑系统容量时只考虑容量较小的、受限的方向，也即考虑上行链路容量就可以了。在考虑容量问题时一个很重要的前提是相对于一定的信噪比Eb/No值来说的，所需的信噪比Eb/No值越低，系统的容量就越大，例如所需的Eb/No的值小2dB，那么=1.58，就是容量

12、高58%！在相同调制解调技术情况下，所需的Eb/No的差值来自两种情况：一是业务种类不同，所要求的信噪比不同，如话音要求误码率为的数量级，数据误码率为的数量级，误码率要求越低，所需的信噪比越高。二是在同样的误码率要求下，高速数据所需的信噪比要低一些，原因是数据速率越高，业务信道所发射的功率就越大，相应地，用于信道估计和相干检测的导频信道的功率也大，使得信道估计的精确度提高，相干检测效果更好，这两项好处等于获得了增益，例如12.2kbps话音需4到6dB的信噪比、64kbps实时数据仅需3dB、144kbps需2dB、384kbps需1.5dB、2048kbps需1.0dB。非实时数据（除了用前

13、向纠错编码FEC外还可用自动反馈重传ARQ）还可以降低信噪比要求。话音编码速率=8kbps，话音激活因子=3/8，周围小区满，信噪比取7dB（对应误码率为千分之一，因为是非相干解调，相干解调时取4到5dB），以99%的概率满足误码率要求时每个扇区可以容纳36个用户，一个小区分三个小区，考虑到小区之间的隔离不是十分理想，方向天线有旁瓣，那么一个小区的容量就不到扇区容量的3倍，这样一个小区可容纳2.55*36=92个用户。从码片速率上，WCDMA与CDMA有3840kcps/1228.8kcps=3.125倍的关系；从上可见，在8kbps的信源编码速率条件下，WCDMA系统一个小区的用户数大约为2

14、75个，这还没考虑WCDMA系统上行也可以采用相干检测的好处，这里有2dB的增益。从信道数275/92=3倍的关系来看，实际的信道数比值与码片速率的比值很接近，这也说明了计算结果是可信的。根据WCDMA系统中码树的结构，用于划分信道的正交码最多有253个SF=256的低速码用于传输业务数据，可以同时为253个低速用户（如话音业务用户）服务，实际上，每个扇区的容量仅能同时容纳100个左右的8kbps话音用户；另外，因为每个扇区的扰码不同，每个扇区的码树可以一样。总之，在合理地利用码资源的情况下，信道码是够用的。所需的信噪比Eb/No取决于比特速率的原因是DPCCH含有用于信道估计和功控信令比特的

15、参考符号（3到8比特的导频信号，用于相关检测的信道估计)，Eb/No取决于信道及SIR估计算法的精度，而这些估计又取决于DPCCH中的参考符号！分配给DPCCH的功率越大，信道估计就越精确，所需的Eb/No值就越小。DPCCH的功率比DPDCH的小，随着比特速率的提高，业务信道 DPDCH的功率提高，DPCCH的功率值也随着提高，即分配给DPCCH的功率增大了，信道估计就更精确了，因而所需的Eb/No的值就随着比特速率的提高而降低。三、 以话音、数据用户数表征的系统容量 第三代移动通信系统，即WCDMA系统的主要特点是支持高速数据业务，数据业务与传统的话音业务并重，为了全面衡量系统的能力，必须

16、考虑数据业务接入时系统容量的特性。 基于干扰受限时的系统容量计算公式为： （5）式中G是处理增益，是码片速率（3.84Mcps）与数据速率之比；F是频率复用系数，一般情况下取0.6；NR是噪声上升系数（以dB计），还可以用来表征系统的负荷，用于接纳控制判决依据；Eb/No（以dB计）是满足一定误码率要求所需的信噪比，随数据速率不同而略有差异。 基于干扰受限时的系统容量计算与物理层发射功率测量相对应。信道数与业务数据速率的关系是：速率越高，处理增益越低，在一定的负荷限制（NR一定）和一定信噪比条件下，信道数越少。软容量的概念是基于干扰的负荷统计方法，因为负荷统计时是考虑了周围小区干扰的影响的（负

17、荷乘上一个(1+)的因子），一般取干扰系数为0.55，当周围小区负荷较低时，干扰系数可以取小些，比如取0.3，结果是本小区的负荷下降了，负荷余量提高了，容量比周围小区满的情况下要大一些，即实现了软容量增益。一般来说，上行链路容量的统计是基于干扰的。 按公式（5）计算结果如下表所示： 表一 爱尔兰容量的计算 比特速率(Kbps)(dB)信道数（取整数）硬容量(Erlang)软容量(Erlang)软容量增益(%)2%阻塞率5%阻塞率2%阻塞率5%阻塞率2%阻塞率5%阻塞率话音：85.091.7(91)79.286.083.289.25.03.7话音：12.25.061.3(61)50.555.55

18、3.9数据：164.057.9(58)47.752.551.0数据：323.036.7(36)27.330.629.8数据：643.018.6(18)11.413.313.114.914.912.0数据：1443.08.62(8)3.624.544.435.3022.316.7数据：2562.55.66(5)1.6231.523.1数据：3842.53.97(4)1.091.521.762.2461.547.4数据：10241.82.09(2)0.200.350.360.5380.051.4数据：20481.8

19、1.34(1)0.09550342条件：码片速率=3.84Mcps，复用系数F=0.6，噪声上升系数NR=4dB（相当于负荷因子为60%）。结果分析：随着数据速率的提高，信道数减少，软容量增益增大。体现在数据速率提高时，所需的信噪比Eb/No变小。图 阻塞率为2%和5%情况下的不同速率业务的软容量增益 软容量的计算方法是：硬容量的计算是考虑周围小区负荷满的情况，且全部小区的负荷是均衡的，直接按照公式（5）计算信道数，然后按照Erlang B公式计算爱尔兰容量；软容量的计算是周围小区的负荷较轻时，本小区可以“借”周围小区的容量，“借”来的容量就是软容量。这是在基于干扰测量

20、衡量负荷时才适用，一般在上行链路的负荷估计时往往采用干扰功率来衡量，因此软容量一般是指上行链路的情况。具体计算软容量的方法是将信道数除以频率复用系数（F=0.6），用Erlang B公式计算爱尔兰容量，然后将容量乘以F，得到软容量的爱尔兰量。这个F是考虑周围小区干扰时引入的，在考虑从周围小区“借”容量时必然与这个F有关，即估算软容量增益时要用到F这个系数。当接入的是话音用户时话务强度按0.025爱尔兰计算；接入的为数据用户时，计算其话务强度按多少爱尔兰计算？不同的业务种类（在3G系统中分为四个类别）有不同的QoS和不同的话务强度，比如会话型业务、数据流型业务是实时业务；交互型业务和后台型业务是

21、尽力而为的业务。典型应用分别为话音、视频流、WWW浏览和E-mail。在实际中，数据速率较低的业务呼叫会频繁些，如上网游览，每次传输的时间长一些；对于高速数据的传输出现的概率较小，占用信道的时间长些，如视频流等。总的传输数据量大体相近。设平均每个数据用户每天发起呼叫次数为20次，每次占用信道的时间为5分钟，则每个数据用户的话务量强度等效为100分钟/24*60=0.07Erlang，则可计算出数据用户的爱尔兰容量。 表二 用户数容量的计算 比特速率(Kbps)(dB)信道数（取整数）硬容量(用户数)软容量(用户数)软容量增益(%)2%阻塞率5%阻塞率2%阻塞率5%阻塞率2%阻塞率5%阻塞率话音

22、：85.091.7(91)31683440336835966.34.5话音：12.25.061.3(61)20202220218823568.36.1数据：164.057.9(58)6807507387978.36.2数据：323.036.7(36)39043743547511.58.7数据：643.018.6(18)16219019521820.414.7数据：1443.08.62(8)5164708237.228.1数据：2562.55.66(5)2331364456.541.9数据：3842.53.97(4)1521253266.752.4数据：10241.82.09(2)2271035

23、0500数据：20481.81.34(1)11120100条件：码片速率=3.84Mcps，复用系数F=0.6，噪声上升系数NR=4dB（相当于负荷因子为60%）。 注：在表二中，计算用户数的时候，由于高速数据用户的信道数很少，计算中采用了取整的近似方法，不满足大数定律，故计算结果不是很精确。四、 三个计算方法的扇区容量对比系统负荷与噪声上升系数NR的关系有： （6） 统一条件：NR=4dB（负荷因子等于60%）,Eb/No=5dB（3.162倍），话音速率为8kbps，话音激活因子为0.67，周围小区干扰时的频率复用因子F=0.6，系统负荷60%，G=3840k/8k=480，则每个扇区的信

24、道数为： （1）=82（2）每个话音用户的负荷增量=0.0044，Eb/No=3.162，周围小区满的情况下考虑干扰，频率复用因子F=0.6，60%负荷时可以同时接纳136*0.6=82个8kbps的话音用户，即信道数是82。实际上，（1）与（2）是一个公式派生出来的，只是从不同的计算量来考虑的。（3）基于干扰受限时的扇区容量计算 =91从上面方法（1）和（2）是一样的，Eb/No按倍数的数值计算；方法（3）的Eb/No和NR按dB计，其结果比方法（1）和方法（2）宽松。方法（3）对应公式（5），似乎未考虑话音激活因子的作用，若考虑则结果差别更大。对比的结果也表明，用不同的公式和方法对系统的容量进行估算，其结果差别还是明显的，如上面的数据差别是9/82=11%左右。表四 下行传输的源数据（ATM）总速率/每扇区比特速率(Kbps)(dB)信道数（取整数）传输的源数据（ATM）总速率(kbps)话音：85.091.7(91)728话音：12.25.0