小区分簇方法及其在3G网络规划与优化中的应用

http://www.c114.net ( 2009/11/2 16:40 )

0 前言

对于规模较大的移动通信网络，从全网角度实施规划和优化非常复杂，可以通过将所有基站分为不同的基站簇进行简化。在基于CDMA技术的3G网络中，由于频率复用因子为1，系统内小区间的相互干扰比较严重，分簇问题更为关键。同时，簇优化的策略体现了先局部后整体的系统运筹学思想以及在竞争环境下快速布网所要求的边建设、边优化的理念，这与3G网络分步实施的总体原则也是一致的。

本文首先介绍了小区分簇的应用背景，然后总结了当前小区分簇的主要思路和影响因素，并提出了1种新颖的小区分簇量化方法，最后介绍了小区分簇在网络规划和网络优化中的2个应用实例。

1 应用背景

从海外3G商用网和国内3G试验网的经验来看，簇的集成与优化是整个3G网络工程建设的重要环节。具体而言，小区分簇具有如下现实意义。

1.1 有助于保障3G网络规划与优化进度

3G网络工程选址的困难导致规划设计原定的一些站址难以获取或发生调整，通过簇优化，利用簇内基站在覆盖和容量上的互补性可以部分解决这个问题；同时，3G网络工程选址的困难导致站点谈判进度慢，通过簇优化，连通一片，优化一片，也有利于保证工程进度；此外，从增加基站选址灵活性的角度来看，3G系统的建设需要成簇考虑。
1.2 有助于控制3G系统内干扰

对于3G系统而言，在网络建设后期维护以及对单站进行调整时，都需要注意预测对周围基站的影响，成簇地实施优化。

GSM网络的优化流程为“单站优化→全局优化”；3G网络的优化流程则为“单站优化→簇优化→全局优化”。基于CDMA技术的3G网络普遍存在系统内干扰现象。实践中，邻区加载引起的上行底噪抬升可认为是系统内干扰的一种具体体现。TD-SCDMA外场的测试数据表明，来自相邻小区的干扰使得本小区的上行接收总功率抬升了3 dB甚至更高，从而能够证明3G网络优化时需考虑相邻小区的影响。因此，从控制系统内干扰的角度来看，基于CDMA技术的3G系统也需要簇优化。

1.3 有助于推广应用小区参数模板

如果能够根据一定条件将网络区域内的小区划分为若干簇，然后利用每一簇内性能最佳的小区性能参数值调整该簇内其他小区的性能参数值，那么将极大地提高网络运维效率。

2 小区分簇的实用方法

2.1 小区分簇的主要思路

工程实践中业已涌现出不少小区分簇方法，本节首先介绍5种较为常见的思路，然后比较这些方法的各自特点（见表 1）。
a）两圈邻区论。仿真表明，对于标准蜂窝拓扑结构，来自第一圈邻区的干扰占总干扰的10％，来自第二圈邻区的干扰占总干扰的不足1％。分簇至少应包括两圈邻区。

b）独立环境论。有观点认为，在进行3G网络优化的时候，特别是在商用前的优化时，需要根据实际地理环境分簇，簇的大小取决于具体环境的独立性。

c）综合因素论。有观点认为，为了控制基站簇优化的难度，在分簇时一般将基站簇的规模控制在标准蜂窝结构中三层基站（约19个基站）之内，具体到实际的网络需要根据无线传播环境、站点分布、业务需求和前期发现的网络问题等进行基站簇的划分。为了确保后来优化基站簇的调整不会影响已经完成优化的基站簇，基站簇的边界需要相互重叠。

d）优化阶段论。有观点认为，分簇要结合网络的发展阶段和工程目的，可以分成：单纯的RF优化、基于RAB的优化和基于负荷的优化。RF优化时分簇主要根据地貌，基于RAB优化时要综合考虑地貌和业务覆盖目标，基于负荷优化时要考虑RNC和Iub的设置，使得簇之间的小区能实现负荷分担。

e）性能指标论。利用一段时间内收集的性能指标，将不同小区进行分簇，借助聚类算法可以将小区自动分配到各个簇中，簇的数目小于网络中小区的数目。在小区组内的每个小区可使用相同的配置参数值，以提高网络优化的效率。

2.2 小区分簇的定性分析

基于表 1所述的各种思路，小区分簇时应当综合考虑以下因素。

a）干扰程度的限制。从中国移动3G试验网优化的实践来看，簇内含有15~25个基站的经验在业内得到一定认同。

b）传播环境的相似性。从网优管理和实施的角度来看，地域临近是现实要求。当然，地貌的相似性也会带来很大方便。

c）业务的连续性。尤其是非连续覆盖时，分簇应当照顾到业务（或承载）的连续性，以便于路测工作的开展。

d） 2G网络管理的延续性。在2G网络已存在一定分簇方案的前提下，考虑到人员管理的方便性，应当借鉴已有方法。

e）网元管理的范围。考虑到有些厂家关键无线参数的粒度是RNC级别，为了避免借助Iur接口均衡负荷，分簇时最好不要跨RNC。

f） RAC/LAC区域的设定。这些区域影响到寻呼和寻址，也不宜跨区分簇。

g）参数模板的推广。从操作性的角度来看，性能指标相近的小区分为一簇，便于复制参数模板。

建议分一定的优先级综合考虑这些因素（见图 1）。其中，地貌相似、业务相似和性能指标相似等因素可以使用统计分析方法定量考虑，其余都是定性因素，需依据经验把握。

2.3 小区分簇的定量方法

目前，小区分簇较多地依赖于工程师的实际经验，为方便经验的传承与积累并推动网络运维的自动化进程，本文提出一种小区分簇的定量方法[1]。

根据小区分簇影响因素的分析可知，地貌和承载的相似度是决定簇划分的重要因素，并且可以分别结合电子地图和网络统计得到相关的基础数据。因此，根据网络区域内的小区承载条件和/或地物条件就能将网络区域内具有相对较强相似度的小区归为一簇（见图 2），这种分簇方法充分考虑了网络发展中面临的地形地物环境以及业务发展状况。

当网络范围扩大，有新的小区需要分簇时，可以使用下述3类公式直接判定该新小区应当划入网络中现有的哪一簇。所以使用本技术方案，当相同小区中包含多种承载类型以及当网络范围内包含了多种地物类型的区域时，并且在网络范围不断发展的情况下，可以对小区进行定量的自动分簇。

2.3.1 每2个小区之间相似度的计算

网络区域中每2个小区之间相似度的计算方法为
Rij=Ws■fk（1-|gik-gjk|）+Wt■cl（1-|mil-mjl|）（1）

式中：

Rij——每2个小区之间的相似度
        Ws——承载类型的权重
        Wt——地物类型的权重
        M——网络区域内承载类型的数目
        N——网络区域内地物类型的数目
        fk——第k种承载类型的权重
        cl——第l种地物类型的权重
        gik——第i个小区中使用第k种承载的用户数比例
        gjk——第j个小区中使用第k种承载的用户数比例
        mil——第i个小区中第l种地物区域的面积比例
        mjl——第j个小区中第l种地物区域的面积比例
        Ws，Wt，fk，cl∈[0，1]

2.3.2 每h个小区之间相似度的计算

根据设定值h（h≥2），计算网络区域中每h个小区之间的相似度，其计算方法为

式中：
gik——h个小区的第i个小区中使用第k种承载的用户数比例

mil——h个小区的第j个小区中第l种地物类型在该小区中所占的面积比例

根据计算所得Rh值，划分若干由h个相似度较大的小区组成的簇，不同簇不包含相同小区。

2.3.3 每个未被选取的小区与每簇之间相似度的计算

每个未被选取的小区与每簇之间相似度的计算方法为
Rix=Ws■fk（1-|gik-gxk|）+Wt■cl（1-|mil-mxl|）（3）

式中：

Rix——第i个小区与第x簇的相似度
        gxk——第x簇中对应第k种承载类型的设定值
        mxl——第x簇中对应第l种地物类型的设定值
        gxk，mxl∈[0，1]
        若计算所得的Rix大于设定值，则将所述第i个小区划入所述第x簇。

与传统的聚类算法（如k-means）相比，本方法可以方便地调整地物因素和承载因素的各自权重，并可以通过预先依据关键承载类型分组而后再分簇的方法减少计算量。但二者都需要按照经验或多次试验预先设定合理的分簇数目，而且单纯使用这2种方法时都无法保证所分簇的地域连续性，可进一步结合自组织图技术以实现更复杂的分簇要求[2]。

3 小区分簇的实际应用

当前，小区分簇的观念已经在网络规划和优化实践中得到广泛应用，尤其在RF优化中小区分簇已经成为常见的重要步骤，以下介绍2个相对较为新颖的应用思路。

3.1 基于小区分簇进行网络规划

传统GSM网络中，覆盖与容量并不直接相关，其规划可以分步进行。基于CDMA技术的3G网络具有两大突出特点：小区呼吸和远近效应，使得3G网络的覆盖和容量密切关联。为了模拟这种动态平衡效果，基于静态仿真技术的网络规划软件已经在业界得到普遍应用[3]。

网络规划软件的仿真计算速度一直是工程上的一大难题，3G网络规划的计算时间将随着规模非线性增加。也有人提出加强服务器配置、采用分布式计算等方法，但是对于“时间紧、任务重”的工程而言，这些方法并不能很好地解决问题。

有鉴于此，本文提出一种基于小区分簇的网络规划方法，可以有效解决这一困难。其基本思路是：将较大的网络分割成若干子区域（即基站簇），子区域之间具有一定“交叠”区域；然后针对各子区域分别进行规划仿真[4]。

为验证这种方法的效果，本文使用密集城区的典型配置进行静态仿真（见表 2）。假设一个6 km×6 km的区域，分布有若干候选基站和若干移动台（见图 3）。网络规划的目标在于从全体候选基站中筛选全部或一部分，形成一个优化后的方案。该方案应当满足下列条件。