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近年來移動(dòng)通信發(fā)展呈現(xiàn)數(shù)字化、寬帶化的趨勢(shì)，WiMAX作為一種寬帶無線接入技術(shù)，從其誕生之日起，就備受人們的關(guān)注和爭(zhēng)議。提到WiMAX，我們聽到最多的就是它能提供75Mbit/s的速率，能提供50km的覆蓋范圍。那么，WiMAX究竟有沒有這么大的覆蓋能力，這可能是許多人心中的疑問。本文從鏈路預(yù)算的角度出發(fā)，分別對(duì)WiMAX的兩個(gè)主流標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16d和IEEE802.16e的覆蓋能力進(jìn)行分析。
一、鏈路預(yù)算
鏈路預(yù)算是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基本工具，通過鏈路預(yù)算，我們可以預(yù)測(cè)小區(qū)的覆蓋半徑。鏈路預(yù)算通過對(duì)搜集到的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的設(shè)備參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)及各種裕量進(jìn)行處理，得到滿足系統(tǒng)性能要求時(shí)允許的最大路徑損耗，利用鏈路預(yù)算得出的最大路徑損耗和相應(yīng)的傳播模型可以計(jì)算出特定區(qū)域下的覆蓋半徑。下面將對(duì)基于 IEEE802.16d和IEEE802.16e兩種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈路預(yù)算。
1．系統(tǒng)參數(shù)
系統(tǒng)參數(shù)主要包括系統(tǒng)帶寬、工作頻率、抽樣頻率等�？紤]到WiMAX帶寬靈活性強(qiáng)和頻段不固定的特點(diǎn)，本文將以其中的一種配置為例來分析，對(duì)于 IEEE802.16d，本文以3.5GHz頻段、3.5MHz帶寬為例。對(duì)于IEEE802.16e，本文以2.5GHz頻段、10MHz帶寬為例，具體參數(shù)如表1和表2所示。
表1系統(tǒng)配置
表2OFDM參數(shù)表
2．接收機(jī)靈敏度
接收機(jī)靈敏度是指接收機(jī)輸入端為保證信號(hào)能成功的監(jiān)測(cè)和解調(diào)(或保持所需要的FER)所需要的業(yè)務(wù)信道的最小輸入功率電平。IEEE802.16d標(biāo)準(zhǔn)中給出了接收機(jī)靈敏度計(jì)算的參考方法。
IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)中也給出了接收機(jī)靈敏度的計(jì)算方法建議。
SNRRx隨著不同的調(diào)制編碼方式而變化，規(guī)范建議SNRRx的取值由表3、4給出。
與802.16d相比，802.16e中采用了重復(fù)技術(shù)，這是有增益的。
表3IEEE802.16d不同調(diào)制編碼方式下的SNR值
表4IEEE802.16e不同調(diào)制編碼方式下的SNR值
3．儲(chǔ)備裕量
（1）陰影衰落儲(chǔ)備
由于存在陰影衰落的影響，為了保證一定的覆蓋概率，必須保留一定的陰影衰落裕量，其大小與陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)方差和覆蓋概率有關(guān)。在實(shí)際工程中，一般以75％的邊緣覆蓋概率為目標(biāo)，它對(duì)應(yīng)的區(qū)域覆蓋概率為90％，標(biāo)準(zhǔn)差σ一般取值為5～12dB，宏蜂窩一般取8dB，因此這里σ取8dB，由此可以計(jì)算出陰影衰落儲(chǔ)備為5.39dB。
（2）快衰落儲(chǔ)備
快衰落儲(chǔ)備是為功率控制預(yù)留的功率裕量，功率控制可以在一定程度上抵抗快衰落，因此需要給功控預(yù)留功率裕量。由于802.16d中沒有閉環(huán)功控措施，只有簡(jiǎn)單的初始測(cè)距，802.16d又是固定接入，因而不需要預(yù)留快衰落儲(chǔ)備。而在802.16e網(wǎng)絡(luò)中，由于終端可以移動(dòng)接入，而移動(dòng)會(huì)帶來一定的衰落，通過功控可以彌補(bǔ)這個(gè)衰落，因此需要給功控留一定的裕量，但是由于802.16e網(wǎng)絡(luò)功控的頻率比較低，所以不需要預(yù)留太多的快衰落儲(chǔ)備，這里取2dB。
（3）干擾儲(chǔ)備
與GSM系統(tǒng)類似，WiMAX網(wǎng)絡(luò)存在小區(qū)間的鄰頻和同頻干擾，干擾的大小與站距的大小、頻率的規(guī)劃、天線的朝向等因素有關(guān)，為了使小區(qū)內(nèi)干擾嚴(yán)重的區(qū)域能正常通信，就要留一部分裕量。如果頻率復(fù)用模式為1/3/1，上行預(yù)留干擾儲(chǔ)備3dB，下行2dB；如果頻率復(fù)用模式為1/3/3,干擾儲(chǔ)備可以減小為 0.2dB，但是這樣會(huì)帶來頻譜效率降低的后果。
4．傳播模型的選擇
在3.5GHz頻段，常用的傳播模型有SUI模型、Cost-231Hata模型、ECC-33模型等。相關(guān)文獻(xiàn)曾經(jīng)對(duì)三種模型做過測(cè)試研究，得出以下結(jié)論：SUI模型所預(yù)測(cè)的中值路徑損耗的誤差最大，一般都過大地預(yù)測(cè)了中值路徑損耗，該模型需要通過進(jìn)一步的參數(shù)優(yōu)化來適用于3.5GHz頻段；Cost- 231Hata模型也過大地預(yù)測(cè)了中值路徑損耗，尤其當(dāng)天線高度比較高時(shí)，隨著終端天線高度的增加，該模型越來越不適用于3.5GHz頻段。因此，這兩個(gè)模型需要進(jìn)一步地優(yōu)化來適用于3.5GHz頻段。而ECC-33模型則與測(cè)試結(jié)果保持了比較好的一致性，因此ECC-33模型可以用作3.5GHz頻段的傳播模型。但是由于ECC-33模型對(duì)于郊區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)沒有修正因子，因而建議只作為一般市區(qū)環(huán)境的傳播模型。在2.5GHz頻段，通常采用Cost- 231 Hata模型。本文就以Cost-231 Hata模型來預(yù)測(cè)覆蓋半徑，鏈路預(yù)算如表5。
表5鏈路預(yù)算
二、覆蓋分析
1．IEEE802.16d覆蓋分析
通過上一節(jié)的分析，我們可以看出802.16d下行鏈路的總增益(QPSK1/2)為152.7dB，如果不考慮儲(chǔ)備，在視距傳輸?shù)那闆r下，假設(shè)CPE天線高度為10m，基站天線高度40m，用ECC-33模型預(yù)測(cè)的小區(qū)半徑為9.09km，如果考慮了9.6dB的儲(chǔ)備，計(jì)算出來的小區(qū)半徑為 5.72km；對(duì)于非視距環(huán)境，考慮10dB的穿透損耗，系統(tǒng)允許的最大路徑損耗為135.1dB，預(yù)測(cè)小區(qū)半徑為2.99km。表6給出了不同調(diào)制編碼方式下的小區(qū)半徑預(yù)測(cè)情況。
上行鏈路的總增益(QPSK1/2，1/8子信道化)為152.7dB，如果不考慮儲(chǔ)備和視距傳輸?shù)那闆r，假設(shè)CPE天線高度為10m，基站天線高度 40m，用ECC-33模型預(yù)測(cè)的小區(qū)半徑為9.11km。如果考慮了10.6dB的儲(chǔ)備，計(jì)算出來的小區(qū)半徑為4.74km；對(duì)于非視距環(huán)境，考慮 10dB的穿透損耗，系統(tǒng)允許的最大路徑損耗為132.1dB，預(yù)測(cè)小區(qū)半徑為2.44km。表7給出了不同調(diào)制編碼方式下的小區(qū)半徑預(yù)測(cè)情況。
顯而易見，上行鏈路的最大允許路徑損耗比下行鏈路小10個(gè)dB，從而使上行覆蓋半徑遠(yuǎn)小于下行鏈路。為了解決這個(gè)問題，使上下行鏈路平衡，WiMAX在上行鏈路采用了子信道化技術(shù)，來彌補(bǔ)上行鏈路的覆蓋不足。表8給出了子信道化的增益。
2．IEEE802.16e覆蓋分析
通過上面的分析我們可以看出，802.16e下行鏈路的總增益(QPSK1/2)為148.67dB，如果不考慮儲(chǔ)備視距傳輸?shù)那闆r下，假設(shè)終端天線高度為1.5m，基站天線高度32m，用COST-231模型預(yù)測(cè)的小區(qū)半徑為1.70km，如果考慮了9.6dB的儲(chǔ)備，計(jì)算出來的小區(qū)半徑為 0.90km。
對(duì)于非視距環(huán)境，考慮10dB的穿透損耗，系統(tǒng)允許的最大路徑損耗為129.11dB，預(yù)測(cè)小區(qū)半徑為0.47km。表９給出了不同調(diào)制編碼方式下的小區(qū)半徑預(yù)測(cè)情況。
上行鏈路的總增益(QPSK1/2,1/16子信道化)為148.41dB，如果不考慮儲(chǔ)備和視距傳輸?shù)那闆r，假設(shè)終端天線高度為1.5m，基站天線高度 32m，用COST-231模型預(yù)測(cè)的小區(qū)半徑為1.67km，如果考慮了9.6dB的儲(chǔ)備，計(jì)算出來的小區(qū)半徑為0.83km；對(duì)于非視距環(huán)境，考慮 10dB的穿透損耗，系統(tǒng)允許的最大路徑損耗為126.8dB，預(yù)測(cè)小區(qū)半徑為0.43km。表10給出了不同調(diào)制編碼方式下的小區(qū)半徑預(yù)測(cè)情況。
3．WiMAX與3G覆蓋能力比較分析
從前面的鏈路預(yù)算結(jié)果來看，對(duì)于基站側(cè)，802.16d的發(fā)射功率比3G的大，802.16e的發(fā)射功率與3G相比相差不大；從接收機(jī)來看，由于3G采用了擴(kuò)頻技術(shù)，不論是802.16d還是802.16e的靈敏度都比3G系統(tǒng)的低，802.16d的終端可以采用定向天線，可以獲得比較大的增益。對(duì)于傳播頻段，WiMAX的頻段高于3G頻段，因此，在傳播環(huán)境方面，WiMAX也沒有太大的優(yōu)勢(shì)。
然而，WiMAX從誕生之日起就號(hào)稱能覆蓋幾十公里，具有很強(qiáng)的覆蓋能力。通過本文的分析可知，這樣的覆蓋能力只能針對(duì)802.16d了，802.16d 由于終端采用定向天線，并且終端可以掛得很高（可以高達(dá)10m以上），能夠視距傳輸，正是這些條件使得WiMAX有著很強(qiáng)的覆蓋能力。如果說 802.16d的覆蓋能力與3G的覆蓋能力還有優(yōu)勢(shì)的話，那么802.16e的覆蓋能力就沒有什么優(yōu)勢(shì)可言了。
表6 IEEE802.16d下行鏈路小區(qū)半徑預(yù)測(cè)
表7 IEEE 802.16d上行鏈路小區(qū)半徑預(yù)測(cè)
表8 子信道化增益
表9 IEEE 802.16e下行鏈路小區(qū)半徑預(yù)測(cè)
表10 IEEE 802.16e上行鏈路小區(qū)半徑預(yù)測(cè)
三、結(jié)論
本文從鏈路預(yù)算的角度分析了WiMAX的覆蓋能力。通過分析可以看出，WiMAX號(hào)稱能覆蓋幾十公里是沒有什么實(shí)際意義的，與3G技術(shù)相比，固定 WiMAX由于終端可以采用定向天線，并且可以掛得很高，能夠視距傳輸，可以有較遠(yuǎn)的覆蓋距離；而移動(dòng)WiMAX的覆蓋能力與3G技術(shù)相比，并沒有什么優(yōu)勢(shì)。
