多址干扰对WCDMA网络性能的影响

摘要：在Okumura-Hata传播模型基础上，分析了多址干扰对宽带码分多址系统性能的影响，得出了多址干扰和宽带码分多址系统的覆盖范围、容量之间的关系式。经仿真分析后得知，多址干扰对宽带码分多址系统的覆盖面积和容量影响很大，干扰量增加1dB，宽带码分多址系统的覆盖面积减少12%。同样，干扰的增加降低了宽带码分多址系统的容量，且在不同的覆盖半径或NodeB发射功率下，干扰对宽带码分多址系统的容量影响不同。

关键词：多址干扰；宽带码分多址；容量

宽带码分多址(WCDMA)作为第三代移动通信主要标准之一倍受关注。与传统的GSM系统相比，WCDMA是一个干扰受限系统[1]，干扰是影响WCDMA系统性能的重要参数之一。在实际的CDMA通信系统中，各个用户之间存在一定的相关性，这就是多址干扰(MAI)存在的根源。由个别用户产生的MAI固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，MAI就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。在单用户检测中，MAI近似为白噪声。笔者从理论上讨论了干扰对WCDMA系统性能的影响，给出了干扰与WCDMA系统的覆盖面积、容量之间的定量关系，并通过具体的仿真结果来说明干扰对WCDMA系统的覆盖范围、容量的影响，为网络规划和实际建网提供理论依据。

干扰对WCDMA系统的覆盖范围、容量的影响分析

对小区覆盖面积影响分析
小区覆盖面积的大小主要取决于无线信号传播模型，通过路径损耗和传播距离的关系，可以得到小区的覆盖半径。一般来说，WCDMA系统UE的发射功率远小于NodeB的发射功率，因此，WCDMA的覆盖面积受限于上行链路的覆盖。在研究WCDMA的覆盖面积问题时，也主要考虑上行链路的覆盖。

WCDMA是一个自干扰系统，这主要是由于不同WCDMA码之间不是完全正交的，从另一个角度来说容量就是干扰。WCDMA链路预算不但要考虑系统的噪声、衰减情况，还要考虑系统容量设计、干扰分析。常见的WCDMA链路预算为

式中为UE发射功率，N为干扰噪声，G_p为处理增益，I_UL为干扰余量，为NodeB接收灵敏度，G为天馈线系统总的增益和损耗，E_b/N₀即所需的每比特能量与干扰比，S/N即所需的信干比，表示网络设计中可允许的路径损耗，L_design表示网络设计中身体损耗、车辆穿透损耗、建筑物穿透损耗等总设计损耗，M_desing表示网络设计中功控余量、慢衰落余量等总设计余量。

由公式(1)～(3)可得　

　
在无线传播频率为2000MHz，天线高度为1.5m时，常用来预测WCDMA无线信号传播的Okumura-Hata模型用经验公式表示为

式中H_b为基站高度，R为传播的距离。

由公式(4)，(5)可得到WCDMA系统网络设计的小区半径为

假定当N变为N′时，，R变为R′，联立式(4)，(6)可得

由上式可知，随着干扰N的增加，WCDMA系统网络设计的小区覆盖半径相应地减少，并且减少的快慢与NodeB的天线高度相关。

用户数越多，负载因子越大，干扰量也越大。在负载为η时，

增加的噪声：　，

总噪声：

再增加一个用户j，其负载因子为ηj，总负载为η′=η+ηj，

增加的噪声：，

总噪声：　；

则单用户j增加的噪声为

而上行链路

下行链路

不同业务情况下干扰与负载因子间的关系见图1。

图1　不同业务时干扰与系统负载间的关系

对容量性能的影响
与覆盖范围受限于上行链路相反，由于NodeB总发射功率有限，WCDMA系统容量受限于下行链路。为了简化WCDMA的容量分析，不考虑WCDMA系统的软切换，假定在半径为R小区k内，NodeB总发射功率为P，且对于小区k内的用户n，其所分配到NodeB的功率为P_n，业务的扩频因子为G_n，正交因子为a激活因子为v_n，邻小区的干扰为_In，背景噪声为N，NodeB到用户n间的路径损耗为L_n，且一般P_n远小于NodeB总发射功率P，则WCDMA系统的信干比可表示为

根据式(9)，可得小区k内NodeB总发射功率P的关系式为

假定小区k的相邻小区的发射功率也是P，并且邻小区j的NodeB到用户n的路径损耗为L_nj，则在J个邻小区中，小区k内的用户n所接收到邻小区总功率与本小区总功率比

于是，用户n所接收到邻小区的干扰 。同时，定义平均路径损耗、平均正交因子、平均邻小区与本小区干扰比如下：

根据式(13)～(15)，可变换等式(12)为

其中

表示下行负载因子，可由等式(13)求出。假定用户在小区k内均匀分布，并且对于小区内M种业务，各种业务在小区k内也均匀分布，m业务的个数为C_m，小区的半径为R，则根据等式(13)求得为

根据等式(5)可知

联立等式(17)，(18)可得平均路径损耗为

由等式(16)，(19)，解得小区负载与背景噪声关系式为

上式表示了小区负载和NodeB的发射功率、噪声及小区平均路损的相互关系。当小区的干扰和平均路损一定时，小区负载随着NodeB的发射功率增加而增加，小区负载的最大值即容量对应于NodeB的发射功率的最大值；而当NodeB的发射功率一定时，小区负载因干扰的增加而相应地减少，也就是说系统容量随着干扰的增加而相应地减少；并且小区的覆盖范围、NodeB的天线高度和干扰一起影响系统容量。当小区半径趋于0时，小区负载趋于最大值1。

干扰对WCDMA系统影响的仿真分析

根据前面的理论分析，由公式(7)对因干扰的增加，小区的覆盖半径、面积的减少百分比进行了仿真。仿真在NodeB天线分别为25m和40m两种不同高度时进行，仿真结果如图2所示。从图中可以看出，干扰增加1dB，小区覆盖半径减少6%左右，小区覆盖面积减少12%左右。当干扰增加到10dB时，小区覆盖半径减少将近50%，相应地，小区覆盖面积减少70%多，这意味着，当干扰增加1dB甚至10dB时，需要的基站数目将增加12%甚至70%之多。图中实线表示天线高度为25m，虚线表示天线高度为40m。

从图2可以看出，随着NodeB天线高度的增加，小区覆盖半径和面积因小区干扰的增加而减少度基本相差不大，但总的说来，NodeB天线越高，小区覆盖半径和面积减少得越快。

图2　不同天线高度时小区覆盖半径随干扰量增加和覆盖面积随干扰量增加的变化情况

图3　不同覆盖半径和天线高度时容量与干扰之间的关系

同样，根据等式(20)，在不同的干扰下对小区的最大负载进行仿真。在仿真中，，取经验值0.55，0.6[4]。在NodeB发射功率为20W情况下，将小区覆盖半径分为1000m和1500m两种情况，并对每种小区覆盖半径分NodeB天线高度30m，40m两种状况进行仿真。仿真结果见图3。

从图3可看出，小区的容量随干扰的不同而有所不同。总的说来，干扰越大，WCDMA系统容量越小。并且小区容量的减少和小区的覆盖半径相关，小区的覆盖半径越大，随着干扰的增加，小区容量减少得越大，在NodeB发射功率为20W时，对于覆盖半径1000m的小区，干扰在-93dBm时，系统的容量在70%左右，而对于1500m的小区，在干扰为-93dBm时，系统的容量只有30%多，在干扰为-86dBm时，系统的容量不到20%。还有，干扰越大，WCDMA系统容量越小，这种容量的减少不但和小区半径相关，而且当NodeB天线高度或NodeB发射功率不同时，容量的减少也有所不同。在相同覆盖半径下，容量随NodeB天线高度的增加而增加，也随着NodeB发射功率的增加而增加。

结论

通过前面仿真分析可知，干扰对WCDMA系统的性能影响很大，干扰增加1dB，WCDMA系统的覆盖面积减少12%，相应的基站数目将增加12%。干扰的增加还降低了WCDMA系统的容量，在不同的覆盖半径、NodeB发射功率下，干扰对系统容量的影响不一样。覆盖半径一定时，NodeB发射功率越低，随着干扰的增加，系统的容量的减少越大；而当NodeB发射功率一定时，覆盖半径越大，随着干扰的增加，系统容量的减少越大。因此，在网络设计时，应充分地考虑各个区域干扰的实际大小，以免因干扰的增加而导致覆盖空洞、容量超载。