WiMAX無線接入系統的規劃方法

摘要分析WiMAX無線接入系統與傳統蜂窩網絡的差異，對WiMAX無線網絡的頻率規劃、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無線接入網絡的規劃、工程設計和工程建設提供參考和幫助。

0、引言

寬帶無線接入技術作為下一代通信網中最具發展潛力的接入技術之一，正受到業界越來越多的關注。WiMAX作為新興的寬帶無線接入技術，具有覆蓋范圍廣、傳輸帶寬大的特點，已經成為電信業普遍關注的熱點。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、網通在內的中國四大電信運營商都在對WiMAX進行測試。因此，WiMAX無線接入系統的組網問題及網絡規劃方法將成為一個重要的課題。

1、WiMAX網絡結構及特點

WiMAX無線接入系統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，其數據業務通過IP城域網承載，語音業務通過NGN軟交換承載，與Internet、PLMN和PSTN等網絡進行業務交互。客戶端通過無線信號與中心站相連，客戶端下連數據設備提供數據業務，下連IAD（綜合接入設備）提供語音業務。WiMAX系統網絡結構框圖見圖1。

圖1WiMAX無線接入系統網絡結構

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

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

與CDMA技術不同，WiMAX技術在物理層采用TDMA和OFDM技術相結合，沒有呼吸效應；

WiMAX無線接入系統的客戶端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技術與GSM和CDMA網絡不同，上下行采用多種調制方式，且不同的調制方式能夠提供不同的吞吐量，采用何種調制方式由信號場強和C/I共同決定；

與CDMA可以提供多種業務速率不同，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技術有很多不同之處，因此，WiMAX網絡規劃方法也有其自身的特點。在大范圍組網進行全面覆蓋時，其頻率規劃和干擾抑制在網絡規劃過程中占有極其重要的地位。為了提高小區吞吐量，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網絡規劃的重點。

2、頻率規劃策略

2.1頻率規劃原則

設計初期，確定合理的扇區極化方向，當網絡升級擴容時，扇區天線極化方向不變，以前的客戶端不需要變化；

相鄰扇區最好使用不同頻率，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；

載波帶寬和調制方式對系統性能有著很大的影響，因此，選擇適當的載波帶寬及調制技術十分關鍵；

根據干擾源的距離、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；

隨著用戶接入帶寬需求的增加，可通過采用中心站扇區分裂方式，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、相鄰扇區間用戶的合理劃分、單載頻內業務合理復用等，以使網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無線接入系統可用的頻率資源很少，所以頻率規劃是WiMAX網絡設計中重要的問題。根據上述降低干擾的方法以及頻率規劃原則，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個扇區進行覆蓋，這種方式適用于業務量較小的郊區（見圖2）。

圖2三扇區定向覆蓋

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

圖3扇區定向覆蓋

采用60°定向天線，每個站址使用6個扇區進行覆蓋，這種方式適用于業務量大的密集市區（參見圖4）。

圖4六扇區定向覆蓋

3、干擾分析

3.1參數取定

WiAMX無線接入系統設備的射頻參數取值如下：

①中心站發射功率范圍：13-28 dBm。

②中心站發射機頻譜模板：（見表1）

③客戶端最大發射功率：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單站不同扇區間的干擾分析

同一站址多扇區間的干擾包括相鄰扇區間的鄰頻不同極化干擾、鄰頻同極化干擾、相隔扇區間的鄰頻同極化干擾和背向扇區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，兩扇區使用相鄰的載F2、F3，二者為相鄰頻率，采用相同的極化方式。考慮最壞的情況，戶端位于兩個扇區的交界處，沒有方向隔離。

從中心站發射機頻譜模板可以看出，頻率隔離度為38dB左右。當調制方式為64QAM時，系統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射功率差不大于16dB，系統之間就不會產生干擾。

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小區為例，這兩個小區會產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。根據由空間頻率衰耗公式：

L=92.45+20lgd+20lgf

其中：系統傳輸距離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為中心站發射功率。

為了滿足客戶端系統的可靠工作，應滿足同頻干擾靈敏度要求，整個系統才可正常工作，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小區為例，兩個小區將產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的可靠工作，同頻干擾應小于22dB，因此，系統不需要其他手段就可以正常工作。

3.3干擾抑制方法

根據國標規定，WiMAX無線接入系統需避免三個方面的干擾：

①系統內部干擾：由于發射機的非線性會產生帶外干擾、互調干擾和阻塞干擾；相鄰的扇區使用相鄰的頻率，會出現鄰頻干擾。對于帶外干擾，通過設備自身濾波器就可抑制；對互調干擾，WiMAX系統本身頻點較少不會產生；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，目前系統發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，通過調整扇區天線的方向、俯仰角以及利用ATPC控制扇區的覆蓋范圍等措施，對同頻干擾進行抑制；

③系統外部的干擾：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調，盡量在重疊的區域，采用相隔較遠的頻段，優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射功率。

4、WiMAX系統覆蓋半徑計算

4.1傳播模型取定

WiMAX系統工作在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

假定密集城區選擇A：Hilly/moderateto heavy tree density；普通城區選擇B：Hilly/light tree density模型，郊區選擇C：Flat terrain/light tree density。

4.2鏈路預算參數取定

WiMAX無線接入系統為上行受限系統，因此，計算小區半徑時，只需計算上行鏈路的覆蓋距離。根據WiAMX無線接入系統設備的射頻參數，得到鏈路預算參數如表5所示：

表5BPSK1/2鏈路預算表

各種調制編碼情況下的小區半徑及吞吐量見表6所示。

表6各種調制編碼情況下小區半徑（單位：米）

5、WiMAX無線接入系統容量分析

WiMAX無線接入系統單小區吞吐量與客戶端分布有關，當小區內的客戶端無線鏈路條件較好時，即可使用更高的調制方式，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各種調制編碼情況下小區吞吐量（單位：Mbit/s）

6、總結

目前WiMAX無線接入技術在我國還沒有大規模組網的經驗，其網絡規劃設計還處于摸索階段。本文重點對WiMAX無線網絡規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無線接入網絡的規劃、工程設計和工程建設提供參考和幫助。