WiMAX无线接入系统的规划方法

chenweiguo-1250

摘要　分析WiMAX无线接入系统与传统蜂窝网络的差异，对WiMAX无线网络的频率规划、干扰抑制分析、链路预算和容量分析等问题进行了阐述，为WiMAX无线接入网络的规划、工程设计和工程建设提供参考和帮助。
0、引言
宽带无线接入技术作为下一代通信网中最具发展潜力的接入技术之一，正受到业界越来越多的关注。WiMAX作为新兴的宽带无线接入技术，具有覆盖范围广、传输带宽大的特点，已经成为电信业普遍关注的热点。尤其是WiMAX标准的下一版本802.16e可以同时支持固定和移动宽带无线接入，可支持车载高速移动终端。事实上，在中国3G牌照未明的情况下，包括移动、网通在内的中国四大电信运营商都在对WiMAX进行测试。因此，WiMAX无线接入系统的组网问题及网络规划方法将成为一个重要的课题。
1、WiMAX网络结构及特点
WiMAX无线接入系统主要由中心站和客户端两部分组成。WiMAX中心站设备为二层设备，可以通过标准的IEEE 802.3 Ethernet 10/100 BaseT接口与交换机相连，其数据业务通过IP城域网承载，语音业务通过NGN软交换承载，与Internet、PLMN和PSTN等网络进行业务交互。客户端通过无线信号与中心站相连，客户端下连数据设备提供数据业务，下连IAD（综合接入设备）提供语音业务。WiMAX系统网络结构框图见图1。

图1　WiMAX无线接入系统网络结构

WiMAX无线接入系统是一种点对多点系统，以蜂窝模式覆盖多个扇区。与传统的GSM和CDMA蜂窝网络相比，WiMAX无线接入系统有其自身独特的特点：
WiMAX无线网络与GSM、CDMA不同，每个小区只有一个载频，每个小区使用不同的载频进行频率复用；
与CDMA技术不同，WiMAX技术在物理层采用TDMA和OFDM技术相结合，没有呼吸效应；
WiMAX无线接入系统的客户端CPE与其他移动终端不同，其定向天线只有13°，具有很强的方向性；
客户端CPE的高度与移动终端不同，其高度是变化的，且相差很大；
WiMAX技术与GSM和CDMA网络不同，上下行采用多种调制方式，且不同的调制方式能够提供不同的吞吐量，采用何种调制方式由信号场强和C/I共同决定；
与CDMA可以提供多种业务速率不同，对于某个具体的客户端而言，其吞吐量是固定不变的；
我国在3.5G频段用于固定无线接入的频率资源仅为10.5MHz带宽，WiMAX每个频点带宽为3.5MHz，故只有3个频点，频率资源相对较少。
由于WiMAX与GSM、CDMA技术有很多不同之处，因此，WiMAX网络规划方法也有其自身的特点。在大范围组网进行全面覆盖时，其频率规划和干扰抑制在网络规划过程中占有极其重要的地位。为了提高小区吞吐量，需在覆盖场强不变的前提下，最大程度的降低干扰，合理的分配频率资源，是WiMAX网络规划的重点。

chenweiguo-1250

2、频率规划策略
2.1　频率规划原则
设计初期，确定合理的扇区极化方向，当网络升级扩容时，扇区天线极化方向不变，以前的客户端不需要变化；
相邻扇区最好使用不同频率，当无法避免使用相同频率时，可以考虑采用极化隔离+方向隔离来达到隔离度的要求；
载波带宽和调制方式对系统性能有着很大的影响，因此，选择适当的载波带宽及调制技术十分关键；
根据干扰源的距离、方位以及天线的方向图等计算信噪比，从而配置合适的频点、极化方式和复用次数；
随着用户接入带宽需求的增加，可通过采用中心站扇区分裂方式，提高单中心站的容量，提高投资效益。
综合各种有利因素，如合理的频率复用方案、相邻扇区间用户的合理划分、单载频内业务合理复用等，以使网络在使用频率资源最省的情况下，达到最大程度的用户需求。
2.2　频率复用方案
由于WiMAX无线接入系统可用的频率资源很少，所以频率规划是WiMAX网络设计中重要的问题。根据上述降低干扰的方法以及频率规划原则，可以有如下几种频率复用方式：
采用120°定向天线，每个站址使用3个扇区进行覆盖，这种方式适用于业务量较小的郊区（见图2）。

图2　三扇区定向覆盖

采用90°定向天线，每个站址使用4个扇区进行覆盖，这种方式适用于业务量较大的一般城区（参见图3）。

图3　扇区定向覆盖

采用60°定向天线，每个站址使用6个扇区进行覆盖，这种方式适用于业务量大的密集市区（参见图4）。

图4　六扇区定向覆盖

3、干扰分析
3.1　参数取定
WiAMX无线接入系统设备的射频参数取值如下：
①中心站发射功率范围：13-28 dBm。
②中心站发射机频谱模板：（见表1）
③客户端最大发射功率：20dBm。
④客户端同频干扰灵敏度：（见表2）
⑤邻道干扰抑制：（见表3）

表1　中心站发射机频谱模板

表2　客户端同频干扰灵敏度（BER=10-6）

表3　邻道干扰抑制

chenweiguo-1250

3.2　干扰分析
考虑到客户端位置的不确定性，在这里，我们只考虑中心站对客户端的干扰。下面利用MCL分析方法对不同情况的干扰进行分析：
①单站不同扇区间的干扰分析
同一站址多扇区间的干扰包括相邻扇区间的邻频不同极化干扰、邻频同极化干扰、相隔扇区间的邻频同极化干扰和背向扇区间的同频不同极化干扰四种。
上述四种干扰，以邻频同极化干扰最为严重，以图2中的站址1的F2V和F3V为例，两扇区使用相邻的载F2、F3，二者为相邻频率，采用相同的极化方式。考虑最坏的情况，户端位于两个扇区的交界处，没有方向隔离。
从中心站发射机频谱模板可以看出，频率隔离度为38dB左右。当调制方式为64QAM时，系统设备抗邻频干扰能力在BER=10-6时为-34dB，同频干扰灵敏度为22dB，因此，只要两个中心站的发射功率差不大于16dB，系统之间就不会产生干扰。
邻频不同极化干扰还要考虑到20dB左右的极化隔离度，隔扇区间的邻频同极化干扰还要考虑10dB左右的方向隔离度，背向扇区间的同频不同极化干扰还有20dB左右前后比，因此，设备指标完全可以满足通信载干比的要求而正常工作。
②多中心站不同扇区间的干扰分析
下面对两种较为严重的干扰进行分析：
同频同极化同向的频率干扰
以图4站址1和站址5的F1H小区为例，这两个小区会产生同频同极化同向的频率干扰。两个信号没有频率隔离度，方向隔离度也不大，因此只能依靠距离来提供隔离度。根据由空间频率衰耗公式：
L=92.45+20lgd+20lgf
其中：系统传输距离d，分别取d1 km和d2 km，f为工作频率，取3.5GHz，可以计算出远端站接收中心站5和中心站1的信号电平分别为L1和L2。
P1=P-(92.45+20lgd1+20lg3.5)
P2=P-(92.45+20lgd2+20lg3.5)
其中：P为中心站发射功率。
为了满足客户端系统的可靠工作，应满足同频干扰灵敏度要求，整个系统才可正常工作，即L2与L1电平之差应大于22dB：
P2-P1=20lg(d1/d2)=22dB
由此可得出d1=10d2的结论。但在具体应用中考虑到城市中建筑物及树木的阻挡的情况以及ATPC控制扇区的覆盖范围等措施，一般取d1=4d2即可。
同频不同极化不同向的频率干扰
以图3站址2和站址3的F3V和F3H小区为例，两个小区将产生同频不同极化不同向的频率干扰。两个信号没有频率隔离度，两扇区天线覆盖角度相差较大，一般在90°左右，方向隔离度为15dB左右，极化隔离度为20dB，总的隔离度为35dB，为了满足客户端系统的可靠工作，同频干扰应小于22dB，因此，系统不需要其他手段就可以正常工作。
3.3　干扰抑制方法
根据国标规定，WiMAX无线接入系统需避免三个方面的干扰：
①系统内部干扰：由于发射机的非线性会产生带外干扰、互调干扰和阻塞干扰；相邻的扇区使用相邻的频率，会出现邻频干扰。对于带外干扰，通过设备自身滤波器就可抑制；对互调干扰，WiMAX系统本身频点较少不会产生；对阻塞干扰，通过设备的自动功率控制功能及设备自身滤波器可抑制；对邻频干扰，可以通过频率隔离和极化隔离手段进行抑制，目前系统发射机的频谱模板和接收机的相邻信道选择性均可做到30dB左右，频率隔离是最好的抗干扰手段之一；
②相邻系统间的干扰：由于中心站的频率复用，会造成同频干扰。同频干扰主要取决于系统的载干比（C/I）指标，对使用相同频率的中心站可以使用距离隔离和方向隔离等手段，通过调整扇区天线的方向、俯仰角以及利用ATPC控制扇区的覆盖范围等措施，对同频干扰进行抑制；
③系统外部的干扰：主要来自于不同运营商所获得的各段频谱的相邻频点的干扰。这类干扰需要运营商之间进行有效的协调，尽量在重叠的区域，采用相隔较远的频段，优先使用与其他运营商非相邻的频点，相邻载频采用不同极化方式，中心站和客户端严格控制其发射功率。
4、WiMAX系统覆盖半径计算
4.1　传播模型取定
WiMAX系统工作在3.5G频段，COST231和HATA等传播模型在这个频段并不适用，因此，WiMAX论坛推荐使用SUI传播模型。SUI传播模型如下所示：

S为阴影衰落余量，do=100米。
SUI模型适用于以下三种地形，不同地形a，b，c的值如表4所示。

表4　SUI传播模型取值

假定密集城区选择A：Hilly/moderate　to heavy tree density；普通城区选择B：Hilly/light tree density模型，郊区选择C：Flat terrain/light tree density。

chenweiguo-1250

4.2　链路预算参数取定
WiMAX无线接入系统为上行受限系统，因此，计算小区半径时，只需计算上行链路的覆盖距离。根据WiAMX无线接入系统设备的射频参数，得到链路预算参数如表5所示：

表5　BPSK1/2链路预算表

各种调制编码情况下的小区半径及吞吐量见表6所示。

表6　各种调制编码情况下小区半径（单位：米）

chenweiguo-1250

5、WiMAX无线接入系统容量分析
WiMAX无线接入系统单小区吞吐量与客户端分布有关，当小区内的客户端无线链路条件较好时，即可使用更高的调制方式，从而达到更高的吞吐量。假定客户端分布比例如图5所示，计算出单小区提供的吞吐量参见表7。

图5　假定客户端分布比例

表7　各种调制编码情况下小区吞吐量（单位：Mbit/s）

6、总结
目前WiMAX无线接入技术在我国还没有大规模组网的经验，其网络规划设计还处于摸索阶段。本文重点对WiMAX无线网络规划设计进行了分析研究，包括频率复用、干扰分析、链路预算和容量分析，为WiMAX无线接入网络的规划、工程设计和工程建设提供参考和帮助。