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)絡的差異，對WiMAX無線網(wǎng)絡的頻率規(guī)劃、干擾抑制分析、鏈路預算和容量分析等問題進行了闡述，為WiMAX無線接入網(wǎng)絡的規(guī)劃、工程設計和工程建設提供參考和幫助。

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，已經(jīng)成為電信業(yè)普遍關(guān)注的熱點。尤其是WiMAX標準的下一版本802.16e可以同時支持固定和移動寬帶無線接入，可支持車載高速移動終端。事實上，在中國3G牌照未明的情況下，包括移動、網(wǎng)通在內(nèi)的中國四大電信運營商都在對WiMAX進行測試。因此，WiMAX無線接入系統(tǒng)的組網(wǎng)問題及網(wǎng)絡規(guī)劃方法將成為一個重要的課題。

1、WiMAX網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及特點

WiMAX無線接入系統(tǒng)主要由中心站和客戶端兩部分組成。WiMAX中心站設備為二層設備，可以通過標準的IEEE 802.3 Ethernet 10/100 BaseT接口與交換機相連，其數(shù)據(jù)業(yè)務通過IP城域網(wǎng)承載，語音業(yè)務通過NGN軟交換承載，與Internet、PLMN和PSTN等網(wǎng)絡進行業(yè)務交互?？蛻舳送ㄟ^無線信號與中心站相連，客戶端下連數(shù)據(jù)設備提供數(shù)據(jù)業(yè)務，下連IAD（綜合接入設備）提供語音業(yè)務。WiMAX系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

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

WiMAX無線接入系統(tǒng)是一種點對多點系統(tǒng)，以蜂窩模式覆蓋多個扇區(qū)。與傳統(tǒng)的GSM和CDMA蜂窩網(wǎng)絡相比，WiMAX無線接入系統(tǒng)有其自身獨特的特點：

WiMAX無線網(wǎng)絡與GSM、CDMA不同，每個小區(qū)只有一個載頻，每個小區(qū)使用不同的載頻進行頻率復用；

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；

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

客戶端CPE的高度與移動終端不同，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)制方式由信號場強和C/I共同決定；

與CDMA可以提供多種業(yè)務速率不同，對于某個具體的客戶端而言，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每個頻點帶寬為3.5MHz，故只有3個頻點，頻率資源相對較少。

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

2、頻率規(guī)劃策略

2.1頻率規(guī)劃原則

設計初期，確定合理的扇區(qū)極化方向，當網(wǎng)絡升級擴容時，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，當無法避免使用相同頻率時，可以考慮采用極化隔離+方向隔離來達到隔離度的要求；

載波帶寬和調(diào)制方式對系統(tǒng)性能有著很大的影響，因此，選擇適當?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算信噪比，從而配置合適的頻點、極化方式和復用次數(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，如合理的頻率復用方案、相鄰扇區(qū)間用戶的合理劃分、單載頻內(nèi)業(yè)務合理復用等，以使網(wǎng)絡在使用頻率資源最省的情況下，達到最大程度的用戶需求。

2.2頻率復用方案

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)絡設計中重要的問題。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用方式：

采用120°定向天線，每個站址使用3個扇區(qū)進行覆蓋，這種方式適用于業(yè)務量較小的郊區(qū)（見圖2）。

圖2三扇區(qū)定向覆蓋

采用90°定向天線，每個站址使用4個扇區(qū)進行覆蓋，這種方式適用于業(yè)務量較大的一般城區(qū)（參見圖3）。

圖3扇區(qū)定向覆蓋

采用60°定向天線，每個站址使用6個扇區(qū)進行覆蓋，這種方式適用于業(yè)務量大的密集市區(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客戶端的干擾。下面利用MCL分析方法對不同情況的干擾進行分析：

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?？紤]最壞的情況，戶端位于兩個扇區(qū)的交界處，沒有方向隔離。

從中心站發(fā)射機頻譜模板可以看出，頻率隔離度為38dB左右。當調(diào)制方式為64QAM時，系統(tǒng)設備抗鄰頻干擾能力在BER=10-6時為-34dB，同頻干擾靈敏度為22dB，因此，只要兩個中心站的發(fā)射功率差不大于16dB，系統(tǒng)之間就不會產(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，設備指標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

下面對兩種較為嚴重的干擾進行分析：

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，這兩個小區(qū)會產(chǎn)生同頻同極化同向的頻率干擾。兩個信號沒有頻率隔離度，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，可以計算出遠端站接收中心站5和中心站1的信號電平分別為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，應滿足同頻干擾靈敏度要求，整個系統(tǒng)才可正常工作，即L2與L1電平之差應大于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，兩個小區(qū)將產(chǎn)生同頻不同極化不同向的頻率干擾。兩個信號沒有頻率隔離度，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)國標規(guī)定，WiMAX無線接入系統(tǒng)需避免三個方面的干擾：

①系統(tǒng)內(nèi)部干擾：由于發(fā)射機的非線性會產(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，會出現(xiàn)鄰頻干擾。對于帶外干擾，通過設備自身濾波器就可抑制；對互調(diào)干擾，WiMAX系統(tǒng)本身頻點較少不會產(chǎn)生；對阻塞干擾，通過設備的自動功率控制功能及設備自身濾波器可抑制；對鄰頻干擾，可以通過頻率隔離和極化隔離手段進行抑制，目前系統(tǒng)發(fā)射機的頻譜模板和接收機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用，會造成同頻干擾。同頻干擾主要取決于系統(tǒng)的載干比（C/I）指標，對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，對同頻干擾進行抑制；

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

4、WiMAX系統(tǒng)覆蓋半徑計算

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，計算小區(qū)半徑時，只需計算上行鏈路的覆蓋距離。根據(jù)WiAMX無線接入系統(tǒng)設備的射頻參數(shù)，得到鏈路預算參數(shù)如表5所示：

表5BPSK1/2鏈路預算表

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)，當小區(qū)內(nèi)的客戶端無線鏈路條件較好時，即可使用更高的調(diào)制方式，從而達到更高的吞吐量。假定客戶端分布比例如圖5所示，計算出單小區(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，其網(wǎng)絡規(guī)劃設計還處于摸索階段。本文重點對WiMAX無線網(wǎng)絡規(guī)劃設計進行了分析研究，包括頻率復用、干擾分析、鏈路預算和容量分析，為WiMAX無線接入網(wǎng)絡的規(guī)劃、工程設計和工程建設提供參考和幫助。