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前言：目前的許多寬帶無線接入技術(shù)只支持視距條件的通信，如LMDS，3.5GHzMMDS等，而WiMax802.16e標準在頻段及調(diào)制方式上進行了優(yōu)化，因此可以支持最遠50km的視距通信及8km范圍內(nèi)的非視距通信。這對寬帶無線接入技術(shù)來說是一大進步，WiMax因此有著廣泛的市場應(yīng)用前景。
1.非視距及視距條件下的無線傳播
我們通常將無線通信系統(tǒng)的傳播條件分成視距(LOS)和非視距(NLOS)兩種環(huán)境。視距條件下，無線信號無遮擋地在發(fā)信端與接收端之間直線傳播，這要求在第一菲涅爾區(qū)(First Fresnel zone)內(nèi)沒有對無線電波造成遮擋的物體，如果條件不滿足，信號強度就會明顯下降。菲涅爾區(qū)的大小取決于無線電波的頻率及收發(fā)信機間距離。
視距通信應(yīng)保證第一菲涅爾區(qū)0.6倍焦距內(nèi)無障礙物
圖一視距傳播與第一菲涅爾區(qū)
而在有障礙物的情況下，無線信號只能通過反射，散射和衍射方式到達接收端，我們稱之為非視距通信。此時的無線信號通過多種途徑被接收，而多徑效應(yīng)會帶來時延不同步、信號衰減、極化改變、鏈路不穩(wěn)定等一系列問題。
圖二非視距傳播
多徑信號傳播過程中會引起信號極化角的改變。而另一方面基站常使用不同極化方式進行頻率復(fù)用，因此多徑效應(yīng)引起的極化角改變，就會產(chǎn)生問題。
如何把多徑傳播的不利因素變化有利因素，是實現(xiàn)非視距通信的關(guān)鍵。一種簡單的方法就是提高發(fā)射功率，以使信號穿透障礙物，變非視距傳播為準視距傳播，但這不是真正的解決之道，只能一定程度的解決問題。無線覆蓋總是要受制于地理環(huán)境、空中損耗、鏈路預(yù)算等條件。某些情況要求無線傳播條件一定是非視距的，如規(guī)劃的要求、高度的限制，不允許天線安裝在視距范圍內(nèi)。小區(qū)連續(xù)覆蓋時，頻率復(fù)用要求很嚴格，降低天線高度可有效減少相鄰小區(qū)的同頻干擾。所以基站與終端經(jīng)常是在非視距條件下通信。而視距通信環(huán)境中天線過高、過密反而會帶來問題。
非視距通信同樣可以降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。例如：無線規(guī)劃仿真更加精確，勘察選址的工作量降低，CPE設(shè)備的安裝難度也相應(yīng)減少。
圖三視距/非視距CPE室外安裝
WiMax的非視距通信特點使得CPE射頻部分可以室內(nèi)安裝。不過，這之前還要解決兩個問題：其一是克服建筑物衰減；其二，在發(fā)射功率、天線增益一定的情況下，CPE的位置、工況與通信距離之間存在著矛盾。下文主要介紹為解決這些問題，WiMax所采用的新技術(shù)。
2.非視距通信解決方案
為解決非視距通信中的問題，WiMax采用了以下一些主要技術(shù)：
OFDM調(diào)制
子信道化
方向性天線
發(fā)射與接收分集
自適應(yīng)調(diào)制
多重糾錯技術(shù)
功率控制
2.1 OFDM調(diào)制
OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）可有效克服非視距傳播產(chǎn)生的問題。WiMax采用OFDM方案解決非視距傳播的多徑時延問題。OFDM符號間隔隨時調(diào)整，配合循環(huán)前綴的使用，其波形消除了碼間串擾，也降低了自適應(yīng)均衡復(fù)雜度。因為OFDM的波形是由多個相互正交的窄帶波形集合而成，選擇性衰落只會對其中某個子集產(chǎn)生影響，接收端比較容易消除這種影響。下圖對OFDM調(diào)制的碼元并行傳送方式與單載波信號的碼元串行傳送方式作對比說明。
圖四 單載波與OFDM符號傳送方式對比
圖中左邊一列為單載波方式，信道只含一個載波。每個符號以串行方式依次調(diào)制，占用全部信道，傳送時間短。右邊一列為OFDM方式，信道含有多個子載波，各子載波并行傳送不同的符號。每個符號傳送時間變長，但占用的帶寬下降了。
在接收端對窄帶子載波進行均衡補償比對寬頻載波容易得多。這樣一來，有效提高了信道利用率，減少了傳播時延，也克服了多徑產(chǎn)生的串擾問題。
圖五 單載波與多載波在接收端的波形對比
2.2子信道化
在WiMax規(guī)范中，上行鏈路的子信道化是可選功能。雖然其好處很多，但CPE由于成本或其他的限制可能不具備子信道功能，這會導(dǎo)致上下行鏈路預(yù)算不對稱、小區(qū)內(nèi)干擾加大，從而減少基站覆蓋范圍與系統(tǒng)容量。如果CPE上行鏈路也分多個子信道，上下行鏈路預(yù)算就能保持一致，上行能量集中在幾個子信道內(nèi)，減少了小區(qū)內(nèi)干擾，上下行增益都可獲得提高，這對增強建筑物穿透能力，減少CPE功耗都有好處。
CPE的子信道化功能，即OFDMA，帶來的優(yōu)勢可通過下圖做很好的說明。
圖六子信道在實際使用中的優(yōu)勢
2.3固定無線接入中天線的應(yīng)用
方向性天線相對全向天線來說可有效提高增益�；九cCPE如使用方向性天線都可以減少干擾。因為它具有方向圖特征，旁瓣與后瓣區(qū)域中的多徑信號會被抑制掉。在非視距環(huán)境的實際應(yīng)用中，這一特征已被多次驗證。
自適應(yīng)天線系統(tǒng)（AAS）也是802.16標準的可選功能。AAS波束賦形功能對于發(fā)射來說，可保證信號能量集中于某一個或幾個較窄區(qū)域內(nèi)，同時保證接收端只接收某一特定方向的來波。AAS在提高WiMax無線網(wǎng)絡(luò)的頻率復(fù)用率方面也有很有幫助。
2.4發(fā)射與接收分集
分集技術(shù)可以將非視距通信中的多徑信號、反射信號變害為寶。目前，在WiMax規(guī)范中它也是可選功能。WiMax發(fā)射分集采用空時編碼（STC）技術(shù)，空時編碼是空間傳輸信號和時間傳輸信號的結(jié)合，實質(zhì)上就是空間和時間二維處理相結(jié)合的方法：在空間上采用MIMO天線的分集來提高系統(tǒng)的容量和信息率；在時間上把不同信號在不同時隙內(nèi)使用同一個天線發(fā)射，使接收端分集接收。用這樣的方法使系統(tǒng)獲得額外的分集和編碼增益，它減小了系統(tǒng)抗衰落儲備，從而實現(xiàn)容量的提高。
2.5自適應(yīng)調(diào)制
引入這一機制，WiMax可根據(jù)鏈路信噪比變化實時調(diào)整信號調(diào)制方式，以保證穩(wěn)定的鏈路質(zhì)量及誤碼率。這一功能對克服時間選擇性衰落非常有效。通過此功能，系統(tǒng)可在保證質(zhì)量的情況最大限度地提高容量，而不必為最壞情況預(yù)留太多功率儲備。
圖七覆蓋半徑與SNR/調(diào)制方式對應(yīng)關(guān)系
2.6糾錯方式
WiMax引入多種糾錯方式降低接收門限。系統(tǒng)采用了瑞德-索羅門碼、卷積碼、交織算法進行糾錯。錯誤幀無法還原時，系統(tǒng)發(fā)自動重傳請求(ARQ)要求重發(fā)。接收端通過MRC（最大比合并）減少重發(fā)包次數(shù)，提高信道效率。
2.7功率控制
功控算法全面提升了系統(tǒng)的性能。它的工作過程是：基站對CPE的初始發(fā)射功率進行控制，基站側(cè)由此接收到每個CPE（不論距離基站遠近）的信號基本相同，并根據(jù)信號的變化對CPE發(fā)射功率實時調(diào)整。這保證了小區(qū)內(nèi)、相鄰小區(qū)間干擾比較小，也減小了CPE的功耗。在視距條件下，功控算法主要參考CPE與基站的距離，在非視距條件下，則還要考慮到遮擋物等地形條件。
3．非視距傳播模型
前面我們講到，在非視距傳播過程中，信號會發(fā)生散射、衍射、極化角的改變。這些都會影響到信號的接收。
3.1非視距模型
人們不斷提出各種無線模型，以適應(yīng)非視距環(huán)境下的傳輸特點，并希望對信號覆蓋做出準確預(yù)測。而且這些模型已在移動網(wǎng)絡(luò)的無線規(guī)劃中得到了廣泛應(yīng)用。它們一般都會分析無線信號空中傳輸損耗、地形因素、收發(fā)天線高度、小區(qū)頻率等特征參數(shù)。不過，這些模型工具要完全滿足WiMax的要求，還需做進一步的完善。
AT&T為此開展了大量工作，他們在美國的幾個地區(qū)采集了豐富的外場測試數(shù)據(jù)，以完善寬帶無線接入RF模型，測試采用了符合802.16標準的WiMax產(chǎn)品。這一無線模型現(xiàn)在被IEEE采納為參考標準，編號為802.16.3C-01/29R4。
3.2斯坦福大學(SUI)模型
SUI模型是對早期的AT&T模型的擴展。在其基礎(chǔ)上增加了三種地域類型：
l A類：丘陵/中密度植被覆蓋區(qū)
l B類：丘陵/低密度植被覆蓋區(qū)或平原/中密度植被覆蓋區(qū)
l C類：平原/低密度植被覆蓋區(qū)
經(jīng)過實際模擬測試對比，人們發(fā)現(xiàn)SUI模型對非視距條件的空中損耗模擬與實際值已非常接近了。
SUI中定義了6種適用于WiMax的信道模型，SUI-1至SUI-6。這比以往的其他信道模型種類更多，也更精確。通過3維數(shù)字地圖的配合，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與覆蓋分析中，可有效降低同頻干擾，提高覆蓋連續(xù)性。
3.3覆蓋區(qū)域預(yù)測
在視距條件下，覆蓋范圍取決于第一菲涅爾區(qū)范圍。在非視距條件下，有一個覆蓋可用性的概念，它用百分比來表示。表示給定區(qū)域、給定門限下用戶可用性的統(tǒng)計值。舉例來說，90%覆蓋率表示某規(guī)劃區(qū)域內(nèi)90%的地點滿足用戶接入門限要求。RF規(guī)劃軟件會將不同信號條件的區(qū)域用不同顏色加以區(qū)分。除了地形條件外，RF規(guī)劃及覆蓋分析與上述的調(diào)制技術(shù)、編碼方案也是密切相關(guān)的。
4.WiMax覆蓋范圍
這部分介紹以下兩種基站的覆蓋半徑、容量等指標
具備WiMax標準中強制要求功能及正常RF輸出功率的標準基站
具備WiMax標準中強制與可選功能的增強型基站，如擁有更高的RF功率、支持收發(fā)分集、時空編碼（STC）、最大比合并(MRC)；支持子信道化、自動重傳。
標準型與增強型基站都滿足WiMax規(guī)范定義，但兩者性能指標不同（詳見下表）。需要強調(diào)的是，WiMax規(guī)范提供許多可選功能，這樣運營商可根據(jù)不同的需求選擇具有不同功能的產(chǎn)品，以經(jīng)濟的成本，建設(shè)最適用的網(wǎng)絡(luò)。
基本條件：3.5GHz工作頻段
3.5MHz信道帶寬
*:上行鏈路最大速率是不使用多個子信道條件下的值。
圖8增強型基站與標準基站的覆蓋范圍對比
總結(jié)
WiMax技術(shù)支持視距與非視距兩種環(huán)境下的覆蓋。利用非視距通信技術(shù)，運營商可以在增加基站覆蓋范圍的同時提高系統(tǒng)容量。在WiMax規(guī)范中定義了非視距解決方案，通過引入OFDM、自適應(yīng)調(diào)制及多種糾錯編碼技術(shù)，以及劃分子信道、分集、SPC編碼等技術(shù)，它可以提供與有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的高質(zhì)量業(yè)務(wù)。通過WiMax標準認證的基站及CPE產(chǎn)品都具有兼容性高，部署靈活快速的優(yōu)點。這一切，都將使WiMax擁有良好的市場前景。
