WiMAX無線接入系統(tǒng)的規(guī)劃方法

摘要分析WiMAX無線接入系統(tǒng)與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的差異，對(duì)WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃、干擾抑制分析、鏈路預(yù)算和容量分析等問題進(jìn)行了闡述，為WiMAX無線接入網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)和工程建設(shè)提供參考和幫助。

0、引言

寬帶無線接入技術(shù)作為下一代通信網(wǎng)中最具發(fā)展?jié)摿Φ慕尤爰夹g(shù)之一，正受到業(yè)界越來越多的關(guān)注。WiMAX作為新興的寬帶無線接入技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、傳輸帶寬大的特點(diǎn)，已經(jīng)成為電信業(yè)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。尤其是WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的下一版本802.16e可以同時(shí)支持固定和移動(dòng)寬帶無線接入，可支持車載高速移動(dòng)終端。事實(shí)上，在中國3G牌照未明的情況下，包括移動(dòng)、網(wǎng)通在內(nèi)的中國四大電信運(yùn)營商都在對(duì)WiMAX進(jìn)行測(cè)試。因此，WiMAX無線接入系統(tǒng)的組網(wǎng)問題及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法將成為一個(gè)重要的課題。

1、WiMAX網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

WiMAX無線接入系統(tǒng)主要由中心站和客戶端兩部分組成。WiMAX中心站設(shè)備為二層設(shè)備，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3 Ethernet 10/100 BaseT接口與交換機(jī)相連，其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過IP城域網(wǎng)承載，語音業(yè)務(wù)通過NGN軟交換承載，與Internet、PLMN和PSTN等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。客戶端通過無線信號(hào)與中心站相連，客戶端下連數(shù)據(jù)設(shè)備提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，下連IAD（綜合接入設(shè)備）提供語音業(yè)務(wù)。WiMAX系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1WiMAX無線接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WiMAX無線接入系統(tǒng)是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)，以蜂窩模式覆蓋多個(gè)扇區(qū)。與傳統(tǒng)的GSM和CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，WiMAX無線接入系統(tǒng)有其自身獨(dú)特的特點(diǎn)：

WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)與GSM、CDMA不同，每個(gè)小區(qū)只有一個(gè)載頻，每個(gè)小區(qū)使用不同的載頻進(jìn)行頻率復(fù)用；

與CDMA技術(shù)不同，WiMAX技術(shù)在物理層采用TDMA和OFDM技術(shù)相結(jié)合，沒有呼吸效應(yīng)；

WiMAX無線接入系統(tǒng)的客戶端CPE與其他移動(dòng)終端不同，其定向天線只有13°，具有很強(qiáng)的方向性；

客戶端CPE的高度與移動(dòng)終端不同，其高度是變化的，且相差很大；

WiMAX技術(shù)與GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò)不同，上下行采用多種調(diào)制方式，且不同的調(diào)制方式能夠提供不同的吞吐量，采用何種調(diào)制方式由信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和C/I共同決定；

與CDMA可以提供多種業(yè)務(wù)速率不同，對(duì)于某個(gè)具體的客戶端而言，其吞吐量是固定不變的；

我國在3.5G頻段用于固定無線接入的頻率資源僅為10.5MHz帶寬，WiMAX每個(gè)頻點(diǎn)帶寬為3.5MHz，故只有3個(gè)頻點(diǎn)，頻率資源相對(duì)較少。

由于WiMAX與GSM、CDMA技術(shù)有很多不同之處，因此，WiMAX網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法也有其自身的特點(diǎn)。在大范圍組網(wǎng)進(jìn)行全面覆蓋時(shí)，其頻率規(guī)劃和干擾抑制在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程中占有極其重要的地位。為了提高小區(qū)吞吐量，需在覆蓋場(chǎng)強(qiáng)不變的前提下，最大程度的降低干擾，合理的分配頻率資源，是WiMAX網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重點(diǎn)。

2、頻率規(guī)劃策略

2.1頻率規(guī)劃原則

設(shè)計(jì)初期，確定合理的扇區(qū)極化方向，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)擴(kuò)容時(shí)，扇區(qū)天線極化方向不變，以前的客戶端不需要變化；

相鄰扇區(qū)最好使用不同頻率，當(dāng)無法避免使用相同頻率時(shí)，可以考慮采用極化隔離+方向隔離來達(dá)到隔離度的要求；

載波帶寬和調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)性能有著很大的影響，因此，選擇適當(dāng)?shù)妮d波帶寬及調(diào)制技術(shù)十分關(guān)鍵；

根據(jù)干擾源的距離、方位以及天線的方向圖等計(jì)算信噪比，從而配置合適的頻點(diǎn)、極化方式和復(fù)用次數(shù)；

隨著用戶接入帶寬需求的增加，可通過采用中心站扇區(qū)分裂方式，提高單中心站的容量，提高投資效益。

綜合各種有利因素，如合理的頻率復(fù)用方案、相鄰扇區(qū)間用戶的合理劃分、單載頻內(nèi)業(yè)務(wù)合理復(fù)用等，以使網(wǎng)絡(luò)在使用頻率資源最省的情況下，達(dá)到最大程度的用戶需求。

2.2頻率復(fù)用方案

由于WiMAX無線接入系統(tǒng)可用的頻率資源很少，所以頻率規(guī)劃是WiMAX網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中重要的問題。根據(jù)上述降低干擾的方法以及頻率規(guī)劃原則，可以有如下幾種頻率復(fù)用方式：

采用120°定向天線，每個(gè)站址使用3個(gè)扇區(qū)進(jìn)行覆蓋，這種方式適用于業(yè)務(wù)量較小的郊區(qū)（見圖2）。

圖2三扇區(qū)定向覆蓋

采用90°定向天線，每個(gè)站址使用4個(gè)扇區(qū)進(jìn)行覆蓋，這種方式適用于業(yè)務(wù)量較大的一般城區(qū)（參見圖3）。

圖3扇區(qū)定向覆蓋

采用60°定向天線，每個(gè)站址使用6個(gè)扇區(qū)進(jìn)行覆蓋，這種方式適用于業(yè)務(wù)量大的密集市區(qū)（參見圖4）。

圖4六扇區(qū)定向覆蓋

3、干擾分析

3.1參數(shù)取定

WiAMX無線接入系統(tǒng)設(shè)備的射頻參數(shù)取值如下：

①中心站發(fā)射功率范圍：13-28 dBm。

②中心站發(fā)射機(jī)頻譜模板：（見表1）

③客戶端最大發(fā)射功率：20dBm。

④客戶端同頻干擾靈敏度：（見表2）

⑤鄰道干擾抑制：（見表3）

表1中心站發(fā)射機(jī)頻譜模板

表2客戶端同頻干擾靈敏度（BER=10-6）

表3鄰道干擾抑制

3.2干擾分析

考慮到客戶端位置的不確定性，在這里，我們只考慮中心站對(duì)客戶端的干擾。下面利用MCL分析方法對(duì)不同情況的干擾進(jìn)行分析：

①單站不同扇區(qū)間的干擾分析

同一站址多扇區(qū)間的干擾包括相鄰扇區(qū)間的鄰頻不同極化干擾、鄰頻同極化干擾、相隔扇區(qū)間的鄰頻同極化干擾和背向扇區(qū)間的同頻不同極化干擾四種。

上述四種干擾，以鄰頻同極化干擾最為嚴(yán)重，以圖2中的站址1的F2V和F3V為例，兩扇區(qū)使用相鄰的載F2、F3，二者為相鄰頻率，采用相同的極化方式。考慮最壞的情況，戶端位于兩個(gè)扇區(qū)的交界處，沒有方向隔離。

從中心站發(fā)射機(jī)頻譜模板可以看出，頻率隔離度為38dB左右。當(dāng)調(diào)制方式為64QAM時(shí)，系統(tǒng)設(shè)備抗鄰頻干擾能力在BER=10-6時(shí)為-34dB，同頻干擾靈敏度為22dB，因此，只要兩個(gè)中心站的發(fā)射功率差不大于16dB，系統(tǒng)之間就不會(huì)產(chǎn)生干擾。

鄰頻不同極化干擾還要考慮到20dB左右的極化隔離度，隔扇區(qū)間的鄰頻同極化干擾還要考慮10dB左右的方向隔離度，背向扇區(qū)間的同頻不同極化干擾還有20dB左右前后比，因此，設(shè)備指標(biāo)完全可以滿足通信載干比的要求而正常工作。

②多中心站不同扇區(qū)間的干擾分析

下面對(duì)兩種較為嚴(yán)重的干擾進(jìn)行分析：

同頻同極化同向的頻率干擾

以圖4站址1和站址5的F1H小區(qū)為例，這兩個(gè)小區(qū)會(huì)產(chǎn)生同頻同極化同向的頻率干擾。兩個(gè)信號(hào)沒有頻率隔離度，方向隔離度也不大，因此只能依靠距離來提供隔離度。根據(jù)由空間頻率衰耗公式：

L=92.45+20lgd+20lgf

其中：系統(tǒng)傳輸距離d，分別取d1 km和d2 km，f為工作頻率，取3.5GHz，可以計(jì)算出遠(yuǎn)端站接收中心站5和中心站1的信號(hào)電平分別為L1和L2。

P1=P-(92.45+20lgd1+20lg3.5)

P2=P-(92.45+20lgd2+20lg3.5)

其中：P為中心站發(fā)射功率。

為了滿足客戶端系統(tǒng)的可靠工作，應(yīng)滿足同頻干擾靈敏度要求，整個(gè)系統(tǒng)才可正常工作，即L2與L1電平之差應(yīng)大于22dB：

P2-P1=20lg(d1/d2)=22dB

由此可得出d1=10d2的結(jié)論。但在具體應(yīng)用中考慮到城市中建筑物及樹木的阻擋的情況以及ATPC控制扇區(qū)的覆蓋范圍等措施，一般取d1=4d2即可。

同頻不同極化不同向的頻率干擾

以圖3站址2和站址3的F3V和F3H小區(qū)為例，兩個(gè)小區(qū)將產(chǎn)生同頻不同極化不同向的頻率干擾。兩個(gè)信號(hào)沒有頻率隔離度，兩扇區(qū)天線覆蓋角度相差較大，一般在90°左右，方向隔離度為15dB左右，極化隔離度為20dB，總的隔離度為35dB，為了滿足客戶端系統(tǒng)的可靠工作，同頻干擾應(yīng)小于22dB，因此，系統(tǒng)不需要其他手段就可以正常工作。

3.3干擾抑制方法

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，WiMAX無線接入系統(tǒng)需避免三個(gè)方面的干擾：

①系統(tǒng)內(nèi)部干擾：由于發(fā)射機(jī)的非線性會(huì)產(chǎn)生帶外干擾、互調(diào)干擾和阻塞干擾；相鄰的扇區(qū)使用相鄰的頻率，會(huì)出現(xiàn)鄰頻干擾。對(duì)于帶外干擾，通過設(shè)備自身濾波器就可抑制；對(duì)互調(diào)干擾，WiMAX系統(tǒng)本身頻點(diǎn)較少不會(huì)產(chǎn)生；對(duì)阻塞干擾，通過設(shè)備的自動(dòng)功率控制功能及設(shè)備自身濾波器可抑制；對(duì)鄰頻干擾，可以通過頻率隔離和極化隔離手段進(jìn)行抑制，目前系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的頻譜模板和接收機(jī)的相鄰信道選擇性均可做到30dB左右，頻率隔離是最好的抗干擾手段之一；

②相鄰系統(tǒng)間的干擾：由于中心站的頻率復(fù)用，會(huì)造成同頻干擾。同頻干擾主要取決于系統(tǒng)的載干比（C/I）指標(biāo)，對(duì)使用相同頻率的中心站可以使用距離隔離和方向隔離等手段，通過調(diào)整扇區(qū)天線的方向、俯仰角以及利用ATPC控制扇區(qū)的覆蓋范圍等措施，對(duì)同頻干擾進(jìn)行抑制；

③系統(tǒng)外部的干擾：主要來自于不同運(yùn)營商所獲得的各段頻譜的相鄰頻點(diǎn)的干擾。這類干擾需要運(yùn)營商之間進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)，盡量在重疊的區(qū)域，采用相隔較遠(yuǎn)的頻段，優(yōu)先使用與其他運(yùn)營商非相鄰的頻點(diǎn)，相鄰載頻采用不同極化方式，中心站和客戶端嚴(yán)格控制其發(fā)射功率。

4、WiMAX系統(tǒng)覆蓋半徑計(jì)算

4.1傳播模型取定

WiMAX系統(tǒng)工作在3.5G頻段，COST231和HATA等傳播模型在這個(gè)頻段并不適用，因此，WiMAX論壇推薦使用SUI傳播模型。SUI傳播模型如下所示：

S為陰影衰落余量，do=100米。

SUI模型適用于以下三種地形，不同地形a，b，c的值如表4所示。

表4SUI傳播模型取值

假定密集城區(qū)選擇A：Hilly/moderateto heavy tree density；普通城區(qū)選擇B：Hilly/light tree density模型，郊區(qū)選擇C：Flat terrain/light tree density。

4.2鏈路預(yù)算參數(shù)取定

WiMAX無線接入系統(tǒng)為上行受限系統(tǒng)，因此，計(jì)算小區(qū)半徑時(shí)，只需計(jì)算上行鏈路的覆蓋距離。根據(jù)WiAMX無線接入系統(tǒng)設(shè)備的射頻參數(shù)，得到鏈路預(yù)算參數(shù)如表5所示：

表5BPSK1/2鏈路預(yù)算表

各種調(diào)制編碼情況下的小區(qū)半徑及吞吐量見表6所示。

表6各種調(diào)制編碼情況下小區(qū)半徑（單位：米）

5、WiMAX無線接入系統(tǒng)容量分析

WiMAX無線接入系統(tǒng)單小區(qū)吞吐量與客戶端分布有關(guān)，當(dāng)小區(qū)內(nèi)的客戶端無線鏈路條件較好時(shí)，即可使用更高的調(diào)制方式，從而達(dá)到更高的吞吐量。假定客戶端分布比例如圖5所示，計(jì)算出單小區(qū)提供的吞吐量參見表7。

圖5假定客戶端分布比例

表7各種調(diào)制編碼情況下小區(qū)吞吐量（單位：Mbit/s）

6、總結(jié)

目前WiMAX無線接入技術(shù)在我國還沒有大規(guī)模組網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)還處于摸索階段。本文重點(diǎn)對(duì)WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究，包括頻率復(fù)用、干擾分析、鏈路預(yù)算和容量分析，為WiMAX無線接入網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)和工程建設(shè)提供參考和幫助。