WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

摘要　本文結(jié)合WiMAX的技術(shù)特性，主要探討了IEEE 802.16d和802.16e無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、容量和頻率規(guī)劃特點(diǎn)，并分析了WiMAX的系統(tǒng)干擾，為運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了參考與建議。

WiMAX是一項(xiàng)新興的寬帶無線接入技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，信號理論傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50km。WiMAX還具有QoS保障、傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富多樣等優(yōu)點(diǎn)。WiMAX的技術(shù)起點(diǎn)較高，采用了代表未來通信技術(shù)發(fā)展方向的OFDM/OFDMA、AAS等先進(jìn)技術(shù)，隨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，WiMAX將逐步實(shí)現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的移動化，而3G則將實(shí)現(xiàn)移動業(yè)務(wù)的寬帶化，兩種網(wǎng)絡(luò)的融合程度將會越來越高。

WiMAX與3G無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃流程比較相似，如圖1所示。

圖1　WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程

與3G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃相比，WiMAX預(yù)規(guī)劃階段的覆蓋、容量規(guī)劃，和詳細(xì)規(guī)劃階段的頻率規(guī)劃、系統(tǒng)干擾分析等最具代表性。

1、覆蓋規(guī)劃特點(diǎn)

WiMAX的覆蓋規(guī)劃主要內(nèi)容為：通過鏈路預(yù)算得出各類型業(yè)務(wù)的覆蓋半徑和基站覆蓋面積，再根據(jù)運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋策略，得出在目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)的基站需求數(shù)目。進(jìn)行WiMAX覆蓋規(guī)劃時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1.1　影響鏈路預(yù)算的因素

由于無線信道環(huán)境的復(fù)雜性，IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際覆蓋半徑從幾公里至十幾公里不等。在進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)都需要進(jìn)行鏈路預(yù)算以得到合理的無線覆蓋預(yù)測結(jié)果。與3G業(yè)務(wù)相似，WiMAX能夠提供豐富的話音和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，其上、下行業(yè)務(wù)量是非對稱的，鏈路預(yù)算時(shí)也必須計(jì)算兩個(gè)不同方向的值。

影響WiMAX覆蓋的因素主要有以下兩點(diǎn)。

1.1.1　載波帶寬和調(diào)制方式的多樣性

IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)載波帶寬及調(diào)制方式如表1所示。

表1　IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)載波帶寬及調(diào)制方式

由表1可知，WiMAX支持多種編碼調(diào)制方式與編碼速率的組合。根據(jù)接收機(jī)靈敏度方程，調(diào)制階數(shù)越高時(shí)，對SNR的要求越高，接收機(jī)靈敏度越低；載波帶寬越寬時(shí)，接收機(jī)靈敏度也越低。而接收機(jī)靈敏度越低，上行允許最大路徑損耗就相應(yīng)減少，覆蓋距離和覆蓋面積也減小了。由此可見，WiMAX的編碼調(diào)制方式和載波帶寬的選擇與基站覆蓋面積相關(guān)聯(lián)。

當(dāng)載波帶寬一定時(shí)，64QAM-3/4調(diào)制方式下的基站接收機(jī)靈敏度比BPSK-1/2調(diào)制方式下的靈敏度低18dB左右；當(dāng)調(diào)制方式一定時(shí)，7MHz帶寬下的基站接收機(jī)靈敏度比1.75MHz帶寬下的靈敏度低6dB左右。

在實(shí)際應(yīng)用中，WiMAX一般采用AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼），以保證在覆蓋區(qū)域內(nèi)SS能夠根據(jù)無線環(huán)境的不同選擇合適的調(diào)制方式，從而成功實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)接入。WiMAX調(diào)制方式的不同對覆蓋范圍的影響，可以作為覆蓋規(guī)劃的重要參考依據(jù)。

1.1.2　新技術(shù)帶來的影響

WiMAX協(xié)議提供實(shí)現(xiàn)AAS（智能天線）、MIMO（多輸入多輸出）和STC（空時(shí)編碼）等增強(qiáng)型天線技術(shù)的途徑，以應(yīng)對NLOS造成的深衰落，提高了WiMAX無線數(shù)據(jù)的傳輸能力。

1.2　覆蓋規(guī)劃原則

當(dāng)WiMAX采用各種編碼調(diào)制方式時(shí)，調(diào)制階數(shù)越高，小區(qū)半徑越小，如圖2所示。

圖2　WiMAX無線覆蓋特性

在IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)中，在MAC層定義了較為完整的QoS機(jī)制。MAC層針對每個(gè)連接可以分別設(shè)置不同的QoS參數(shù)，包括速率、延時(shí)等指標(biāo)。不同的業(yè)務(wù)的QoS要求不一樣，對信號質(zhì)量和強(qiáng)度的要求不同，覆蓋半徑也不同。

根據(jù)上述分析，可以將編碼調(diào)制方式作為WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋層次的劃分依據(jù)，因此，WiMAX的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋原則如下。

（1）以QPSK調(diào)制信號為覆蓋的基本要求，在WiMAX的覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)QPSK調(diào)制信號的連續(xù)覆蓋；

（2）在數(shù)據(jù)熱點(diǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)QAM64調(diào)制信號的覆蓋以保證高速業(yè)務(wù)的開通。

1.3　業(yè)務(wù)覆蓋方案

WiMAX的覆蓋場景主要有城區(qū)（密集城區(qū)、普通城區(qū)）、郊區(qū)、農(nóng)村、交通干線、旅游景點(diǎn)等。由于各場景的覆蓋特點(diǎn)各異，并且802.16d主要提供固定數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，而802.16e支持移動數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，因此在提供WiMAX業(yè)務(wù)覆蓋時(shí)，主要有以下3種業(yè)務(wù)覆蓋形式。

（1）提供802.16d或802.16e業(yè)務(wù)覆蓋：城區(qū)、郊區(qū)和旅游景點(diǎn)的業(yè)務(wù)密度較大、用戶行為多樣，可根據(jù)通信運(yùn)營商的運(yùn)營策略同時(shí)提供802.16d和802.16e業(yè)務(wù)或者僅其中之一；

（2）以802.16d業(yè)務(wù)覆蓋為主：農(nóng)村的業(yè)務(wù)密度低、建筑物穿透損耗小，建議以802.16d業(yè)務(wù)覆蓋為主，發(fā)揮802.16d覆蓋距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢；

（3）以802.16e業(yè)務(wù)覆蓋為主：交通干線的業(yè)務(wù)密度較低，用戶主要處于移動狀態(tài)，以802.16e業(yè)務(wù)覆蓋為主。

目前802.16d設(shè)備的成熟度較高，而802.16e設(shè)備正處于發(fā)展階段�？梢允紫仍赪iMAX目標(biāo)覆蓋區(qū)域提供802.16d業(yè)務(wù)覆蓋，當(dāng)802.16e設(shè)備及市場環(huán)境成熟后，在802.16e的業(yè)務(wù)需求區(qū)域?qū)σ呀ǖ?02.16d網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級，并向下兼容802.16d業(yè)務(wù)。

2、容量規(guī)劃特點(diǎn)

WiMAX的容量規(guī)劃主要內(nèi)容是通過對用戶類型及比例、用戶數(shù)、業(yè)務(wù)類型的預(yù)測分析，得出網(wǎng)絡(luò)容量需求，并計(jì)算出所需的基站個(gè)數(shù)。再與按照覆蓋需求得到的基站個(gè)數(shù)進(jìn)行平衡分析，最終可以得出實(shí)際所需的基站個(gè)數(shù)。進(jìn)行WiMAX容量規(guī)劃時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)特點(diǎn)。

2.1　業(yè)務(wù)模型

對各種業(yè)務(wù)特性進(jìn)行分析研究是開展WiMAX多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)。首先，系統(tǒng)的許多關(guān)鍵性能參數(shù)與業(yè)務(wù)特性直接相關(guān)，如覆蓋容量指標(biāo)等；其次，不同的WiMAX業(yè)務(wù)往往具有不同的特性。WiMAX業(yè)務(wù)種類繁多，一般可按QoS特征進(jìn)行分類，WiMAX按不同的QoS類型劃分的代表業(yè)務(wù)如表2所示。

表2　WiMAX業(yè)務(wù)分類

在進(jìn)行系統(tǒng)容量預(yù)測時(shí)，需要建立業(yè)務(wù)分析模型，以預(yù)測單個(gè)用戶的業(yè)務(wù)量情況。以下便給出一種業(yè)務(wù)預(yù)測參考模型：

上（下）行忙時(shí)每用戶數(shù)據(jù)吞吐量（bit/s）=[忙時(shí)會話次數(shù)×每次會話包含的數(shù)據(jù)呼叫次數(shù)×每次數(shù)據(jù)呼叫包含的平均數(shù)據(jù)量（bit）]/3600（s）

其中，忙時(shí)會話次數(shù)=業(yè)務(wù)使用滲透率×（每月使用業(yè)務(wù)次數(shù)/30）×忙日不均衡系數(shù)×忙時(shí)集中系數(shù)

注：忙時(shí)集中系數(shù)指全天總業(yè)務(wù)量與一天當(dāng)中最忙的1h內(nèi)的業(yè)務(wù)量的比率。

為了保證用戶在任何時(shí)段、任何地點(diǎn)都能通信暢通，無線網(wǎng)絡(luò)的容量配置要考慮到滿足小區(qū)忙時(shí)容量需求。當(dāng)全天總業(yè)務(wù)量一定時(shí)，忙時(shí)集中系數(shù)越低，表明用戶使用時(shí)間越集中，無線網(wǎng)絡(luò)容量配置也就越大。

2.2　用戶預(yù)測

影響WiMAX用戶規(guī)模的主要因素包括WiMAX網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量、終端設(shè)備的價(jià)格、業(yè)務(wù)的種類、業(yè)務(wù)的資費(fèi)等。對運(yùn)營商而言，尤其在WiMAX的發(fā)展初期，發(fā)展WiMAX的戰(zhàn)略選擇是影響其用戶數(shù)量的最關(guān)鍵因素。

WiMAX用戶只是整個(gè)運(yùn)營商用戶群的一部分，在發(fā)展初期，其用戶主要是從原有的其它業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)用戶滲透而來，并且，運(yùn)營商的用戶發(fā)展目標(biāo)與其市場定位和發(fā)展策略密切相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)有用戶ARPU值的分布情況進(jìn)行分類分析和預(yù)測，是較為可行的方法。

2.3　影響網(wǎng)絡(luò)容量的因素

影響WiMAX容量的因素主要有基站端發(fā)射功率、調(diào)制方式、鄰區(qū)干擾、業(yè)務(wù)類型、終端性能、無線環(huán)境、用戶分布等。

WiMAX采用高效的無線資源管理技術(shù)、先進(jìn)天線技術(shù)、小區(qū)分裂等來提高系統(tǒng)頻譜效率，提高系統(tǒng)容量。

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)主要的提高系統(tǒng)容量的方法就是增加基站小區(qū)，使每個(gè)扇區(qū)的可用子信道數(shù)量增加，從而增加基站容量。

3、頻率規(guī)劃特點(diǎn)

3.1　頻譜利用

國際上現(xiàn)有的BWA（寬帶無線接入）系統(tǒng)中已經(jīng)較廣泛被使用的頻段主要有2.5GHz、3.5GHz和5.8GHz頻段。3.5GHz頻段是較常見的BWA許可管制頻段，在所有BWA市場中占有最大的市場應(yīng)用份額。另外，我國也把3330～3400MHz頻段劃分給了BWA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用，工作于TDD模式。

鑒于我國目前2～6GHz頻段劃分及分配現(xiàn)狀，WiMAX可能使用的目標(biāo)頻段有3.3GHz、3.5GHz等。802.16d商用設(shè)備基本都支持3.5GHz頻段，支持3.3GHz的TDD設(shè)備研發(fā)稍微滯后，少數(shù)廠商具有支持5.8GHz頻段的設(shè)備。

3.2　頻率規(guī)劃

WiMAX為了應(yīng)對無線信道在非視距情況下的復(fù)雜性，必須采用OFDM或OFDMA多載波調(diào)制技術(shù)，通過時(shí)間或子信道來區(qū)分用戶。因此如何合理分配和復(fù)用有限的頻段，而達(dá)到減少小區(qū)間、信道間的干擾是WiMAX頻率規(guī)劃需要解決的主要問題。

對于WiMAX的應(yīng)用，一般認(rèn)為每個(gè)運(yùn)營商最少需要2×21 MHz（FDD方式）的頻點(diǎn)，并在未來可以擴(kuò)充到2×28MHz甚至更高。同時(shí)，針對潛在的多運(yùn)營商的市場環(huán)境，還需要額外的頻率保護(hù)間隔以屏蔽不同運(yùn)營商之間的工作頻點(diǎn)。在信道帶寬的選擇上，WiMAX各標(biāo)準(zhǔn)支持多種信道帶寬，WirelessMAN OFDM的可選帶寬一般包括1.75/3.5/7/14MHz，其中又以3.5MHz信道帶寬的應(yīng)用最為普遍。

WiMAX在頻率復(fù)用模型上遵循普遍的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型，WiMAX的頻點(diǎn)可被分成幾個(gè)頻點(diǎn)組再分配給小區(qū)使用，相鄰小區(qū)不能使用同一頻點(diǎn)組。同時(shí)，采用不同極化天線的方法可以進(jìn)一步優(yōu)化頻率復(fù)用機(jī)制，水平極化和垂直極化交替模式可以使相鄰小區(qū)得到較好的干擾隔離。

WiMAX在本質(zhì)上不采用CDMA技術(shù)，但是未來的SOFDMA（Scalable OFDMA）等增強(qiáng)型物理層技術(shù)可以進(jìn)一步地提高頻譜利用率，有可能實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用系數(shù)為1。

根據(jù)實(shí)測經(jīng)驗(yàn)，建議WiMAX的頻率規(guī)劃遵循以下原則。

（1）相鄰小區(qū)不能采用同頻或鄰頻；

（2）同頻復(fù)用最小距離為基站覆蓋半徑的1～2個(gè)倍程；

（3）背向小區(qū)不能同頻同極化，但可以使用鄰頻同極化或同頻異極化以減小干擾。

4、系統(tǒng)干擾分析

4.1　系統(tǒng)內(nèi)干擾

（1）同頻、鄰頻干擾：WiMAX支持先進(jìn)天線技術(shù)，例如AAS，可以給有用信號帶來最大增益，有效地減少多徑效應(yīng)所帶來的影響，同時(shí)達(dá)到對干擾信號刪除和抑制的目的，從而獲得SNR增益和減少同頻、鄰頻干擾；

（2）符號間干擾（ISI）和信道間干擾（ICI）：由于無線信道存在時(shí)延擴(kuò)展，并且高速數(shù)據(jù)流的符號寬度又相對較短，所以符號之間會存在較嚴(yán)重的ISI。WiMAX采用了OFDM/OFDMA技術(shù)，可以減輕由無線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對系統(tǒng)造成的影響，同時(shí)最大限度地消除由于多徑而帶來的ISI和ICI；

（3）TDD系統(tǒng)的特有干擾：若WiMAX系統(tǒng)采用TDD雙工方式，則還會產(chǎn)生時(shí)隙間干擾、幀同步偏移干擾等TDD系統(tǒng)的特有干擾。為了降低干擾，TDD系統(tǒng)對同步的要求很高。

4.2　系統(tǒng)間干擾

有源無線設(shè)備在發(fā)射有用信號的同時(shí)，由于器件本身的原因和濾波器帶外抑制的限制，在它的工作頻帶外還會產(chǎn)生雜散、諧波、互調(diào)等無用信號，這些信號落到其它無線系統(tǒng)的工作頻帶內(nèi)，就會對其形成干擾。

在BWA的頻段內(nèi)，Wi-Fi以及支持多頻段的SCDMA等其它無線接入系統(tǒng)容易對使用相同頻段的WiMAX造成干擾。根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部頒布的《無線電發(fā)射設(shè)備型號核準(zhǔn)檢測檢驗(yàn)依據(jù)》，與WiMAX之間可能會產(chǎn)生干擾的其它主要無線系統(tǒng)如表3所示，系統(tǒng)之間的實(shí)際干擾情況尚有待于試驗(yàn)驗(yàn)證。

表3　可能與WiMAX相互干擾的其它無線系統(tǒng)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過保持一定的水平隔離度和垂直隔離度來減小系統(tǒng)間的干擾。

5、WiMAX的發(fā)展前景

WiMAX可能成為固定電話運(yùn)營商與移動通信運(yùn)營商進(jìn)行競爭的有力武器，可以改善企業(yè)與服務(wù)供應(yīng)商的認(rèn)知度。2007年10月，WiMAX被ITU正式納為新的3G標(biāo)準(zhǔn)，對已有的三大主流3G標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。由于技術(shù)成熟度、運(yùn)營牌照發(fā)放等原因，當(dāng)前國內(nèi)各通信運(yùn)營商對WiMAX的態(tài)度主要以跟蹤或試驗(yàn)為主。

目前，WiMAX的不足之處尚較為明顯：WiMAX技術(shù)在發(fā)展初期是作為一種長距離無線數(shù)據(jù)傳輸方式，要建設(shè)全面的無線移動系統(tǒng)非常復(fù)雜，WiMAX在這方面還需進(jìn)一步發(fā)展。與其它3G主流技術(shù)相比，WiMAX的質(zhì)量保證和安全性問題也有待提高，這將成為影響該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的一項(xiàng)主要因素。另外，由于對設(shè)備能力要求高和產(chǎn)業(yè)總體成熟度較低等因素，WiMAX的系統(tǒng)成本并不一定低于3G，可能會阻礙其用戶的發(fā)展，影響運(yùn)營商的投資回報(bào)。

但是放眼全球，WiMAX已經(jīng)開始逐步在通信市場掀起革命。2006年，韓國第一個(gè)被稱為“WiBro”的商用移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)已正式開始投入運(yùn)營，Intel公司也從2007年開始，在部分迅馳（Centrino）版本中加入WiMAX功能，從而加速WiMAX的全球推廣。隨著WiMAX技術(shù)的革新和發(fā)展進(jìn)程，WiMAX的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法也將不斷得到創(chuàng)新并逐步改進(jìn)。