愛立信：小站非視距微波回傳解決方案

愛立信：小站非視距微波回傳解決方案在紛繁的都市環(huán)境中,更高密度的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)為微波回傳帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。節(jié)點(diǎn)間直接可視距傳輸并非一直可行---這就提出了接近或完全非視距微波回傳的需求。在建設(shè)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，使用非視距（NLOS）傳播已被證明是可行的探討。但是，在不能直接可視的地方部署高性能的微波回傳網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)仍然是新挑戰(zhàn)。通信行業(yè)傳統(tǒng)的觀念是6Ghz以下的微波可以確保NLOS環(huán)境下的性能。本文將利用20GHz以上頻段盡管在并非直接可視的位置上，證明其實(shí)際更優(yōu)于6Ghz的性能，本文驗(yàn)證了這類觀念，提供了一般原理，關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)和簡(jiǎn)單的工程指導(dǎo)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波是靈活快速部署回傳網(wǎng)到幾乎任和站點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)。它是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中主要的回傳方式，同時(shí)也在移動(dòng)寬帶演進(jìn)過(guò)程中依舊保持同樣重要的地位。微波技術(shù)發(fā)展迅猛，現(xiàn)已能夠支持多個(gè)吉比特的回傳容量[1]。無(wú)線接入網(wǎng)中通過(guò)把小站加入到RAN中而實(shí)現(xiàn)宏站層面優(yōu)化部署會(huì)使回傳網(wǎng)面臨新挑戰(zhàn)。典型的全戶外小站是安裝在街道裝飾物或建筑物表面上，距街道高3-6米，站間距離在50-300米之間。由于小站數(shù)量眾多，所以它們需要更經(jīng)濟(jì)，可升級(jí)并易于安裝的回傳方案。方案需支持在整個(gè)無(wú)線接入網(wǎng)中更加統(tǒng)一的用戶經(jīng)驗(yàn)[2]。傳統(tǒng)的回傳技術(shù)如經(jīng)濟(jì)有效的視距微波，光纖和銅線正滿足這一方案新要求。盡管如此，由于小站位置低于建筑物頂高度，仍將會(huì)有大量小站不具備通過(guò)有線連接或與宏站，遠(yuǎn)端光傳輸點(diǎn)視距連接的條件。由于位置的限制，不具備清晰可視的傳輸條件并非微波工程師的新問題。工程師們現(xiàn)有的方法可以克服非視距傳輸?shù)挠绊憽Ｔ谏絽^(qū)地勢(shì)下，會(huì)使用無(wú)源反射和中繼站方案，但方案對(duì)于成本敏感小站由于增加更多站點(diǎn)而成為非理想方案。在都市，每日都在變化的建筑使接入理想站點(diǎn)很困難，而理想站點(diǎn)恰是小站回傳的最有效方案。盡管如此，將會(huì)有一定數(shù)量的站點(diǎn)難以接入，因此需要非視距的微波回傳方案，如圖1所示。在復(fù)雜的位置梅花鏈?zhǔn)峭ǔ１皇褂玫慕尤胝军c(diǎn)方式—也是小站回傳的有效方案(見圖1)。

圖1小站部署的微波回傳場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃師目標(biāo)是規(guī)劃回傳網(wǎng)絡(luò)支持蜂窩峰值容量---目前可達(dá)到100Mbs或更高。然而，在事實(shí)上，在成本，容量和覆蓋之間存在一個(gè)權(quán)衡，這一權(quán)衡使回傳容量至少即支持忙時(shí)預(yù)期話務(wù)量又滿足未來(lái)發(fā)展統(tǒng)計(jì)冗余的需要，當(dāng)可用性指標(biāo)放寬至99-99.9%時(shí)，實(shí)際大約是50Mbps。這一可靠性指標(biāo)在短距鏈路時(shí)僅需幾個(gè)dB的冗余。小站回傳簡(jiǎn)單化和頻率許可證成本是建網(wǎng)的重要因素。使用輕牌照或模塊化分配牌照相比于逐條鏈路發(fā)放牌照方式更具有吸引力，因?yàn)檫@給予運(yùn)營(yíng)商布網(wǎng)的靈活性。使用無(wú)需牌照的頻帶可能是很誘人，但卻存在不可預(yù)知干擾且降低網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。使用無(wú)需牌照的57-64GHz頻帶預(yù)計(jì)比5.8Ghz頻段存在更低的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槠浞浅８叩拇髿馑p、稀疏的初始部署和使用窄波束天線均可有效減少干擾的可能性。移動(dòng)寬帶及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，沒有清晰可視條件的無(wú)線接入在每天的日常生活中被我們所熟悉。然而，也許因?yàn)榇?，才使公眾普遍存在?duì)非視距微波誤傳和誤解。比如認(rèn)為，非視距微波回傳為滿足覆蓋和容量的需求僅限于使用

6GHz頻率以下，使用寬束天線和必須使用基于OFDM的無(wú)線電技術(shù)。但是，使用基于6Ghz以上的頻譜用于非視距固定無(wú)線接入[5]和移動(dòng)接入[6]已經(jīng)進(jìn)行了研究。Coldreyetal證實(shí)使用24GHz頻譜，一對(duì)50MHz帶寬可以完成90%的小站部署，容量超過(guò)100Mbps[7]。NLOS原理如圖1所示，任何NLOS傳播場(chǎng)景都可以是下列一種或多種傳播現(xiàn)象組合：衍射反射透射所有的電波當(dāng)遭遇障礙物時(shí)都會(huì)發(fā)生改變。

當(dāng)電磁波觸擊一座建筑物的邊緣時(shí)，衍射即已發(fā)生—現(xiàn)象是常被描述為彎曲信號(hào)。在現(xiàn)實(shí)中，波的能量被分散到與建筑邊緣垂直的平面?？梢韵胂蟮氖?，能量損失是與"彎曲"尖銳度及電波頻率成比例對(duì)應(yīng)的[8]。反射，尤其是隨機(jī)的多徑反射，對(duì)使用寬束天線的移動(dòng)寬帶是必然現(xiàn)象。然而，使用窄波束天線的單一路徑反射是更難施工，因?yàn)樾枰业椒瓷湮锴∏墒蛊涮峁┧璧娜肷浣嵌取．?dāng)電波通過(guò)完全或部分阻礙視線的對(duì)象時(shí)，將發(fā)生透射。通常大家的共識(shí)是透射導(dǎo)致的路徑損耗更多取決于電波頻率。然而，研究表明實(shí)際由于透射產(chǎn)生的路徑損耗，頻率只是有很小的影響，而阻擋物的厚度和類型本身將對(duì)穿透量產(chǎn)生影響[9][10]。薄的非金屬的物質(zhì)，例如稀疏的樹葉，盡管針對(duì)高頻段電波也只是增加相對(duì)較小的損耗（如圖1所示）?；谏鲜鋈N傳輸影響的應(yīng)用和對(duì)它們的正確理解，部署指南將為網(wǎng)絡(luò)工程師針對(duì)任意場(chǎng)景性能估算提供簡(jiǎn)單規(guī)則。NLOS系統(tǒng)特性以傳統(tǒng)的視距微波的鏈路指標(biāo)的計(jì)算公式再加入非視距的衰耗(ΔLNLOS)即可以得到簡(jiǎn)單的NLOS微波鏈路指標(biāo)計(jì)算公式1:公式1：PRX=PTX+GTX+GRX-92-20log(d)-20log(f)-LF-ΔLNLOS這里PRX和PTX是接收和發(fā)射電平（dBm-相對(duì)1毫瓦的功率dB值）；GTX和GRX分別是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)端天線增益(dBi-全向性dB相對(duì)值)；d是鏈路距離(公里)；f是頻率(GHz)；LF是任何衰落損耗(以dB計(jì))；而ΔLNLOS是由于非視距傳播的額外損耗(以dB計(jì))。上述公式中并未明確指出的是理論上天線增益決定于頻率，固定尺寸天線的天線增益以20log(f)增加，因而實(shí)際的接收電平PRX也將隨頻率的增加而以20log(f)值增加(天線大小不變)。這種關(guān)系表明在小天線占有重要組成因素的小站傳輸中，使用更高頻率將會(huì)帶來(lái)更多的性能優(yōu)勢(shì)。為了說(shuō)明非視距傳輸?shù)囊恍┲匾到y(tǒng)性能，愛立信專門測(cè)量了目前商用的兩種不同頻段微波回傳系統(tǒng)（見表1）。第一個(gè)系統(tǒng)是在無(wú)需牌照的5.8GHz頻段商用產(chǎn)品，產(chǎn)品基于TDD和OFDM技術(shù)使用64QAM調(diào)制方式，利用2×2MIMO（交叉極化)配置在40MHz信道帶寬中提供100Mbps全雙工峰值吞吐量(匯聚200Mbps)。第二個(gè)系統(tǒng)是需牌照的28GHz頻段愛立信MINI-LINKPT2010商用產(chǎn)品，基于FDD，56MHz信道和單載波技術(shù)達(dá)到512QAM調(diào)制方式。它在提供400Mbps全雙工峰值吞吐量（800Mbps匯聚）。兩個(gè)系統(tǒng)均使用自適應(yīng)調(diào)制,基于接收信號(hào)質(zhì)量來(lái)適應(yīng)吞吐量。兩個(gè)系統(tǒng)使用天線的物理尺寸相近，但由于頻率決定天線增益和28Ghz的拋物面天線類型，28GHz系統(tǒng)天線增益是38dBi,而5.8GHz系統(tǒng)的平板天線增益達(dá)到17dBi。圖2表示了在不同鏈路距離下的鏈路冗余與吞吐量比較,冗余定義是接收功率（依據(jù)公式1）與一個(gè)特定的調(diào)制方式（吞吐量）的接收器閾值之間的差值—在視距條件下無(wú)衰落（LF=0）。如果我們可以預(yù)測(cè)由于非視距場(chǎng)景產(chǎn)生的額外損失ΔLNLOS，圖2中的曲線就可以估算吞吐量。天線尺寸相近的條件下,使用更高頻率的優(yōu)勢(shì)很明顯。28GHz系統(tǒng)400Mbps峰值速率時(shí)的鏈路冗余比5.8GHz系統(tǒng)100Mbps峰值速率時(shí)的鏈路冗余高出約20dB。

圖2

鏈路冗余，吞吐量與站距測(cè)試衍射通常人們認(rèn)為高于6Ghz頻率的電波衍射損耗絕對(duì)地高，因而使用高頻率部署NLOS傳播的系統(tǒng)是不可行的。然而，盡管在30°衍射角時(shí)，28GHz的絕對(duì)損耗40dB高于5.8GHz的34dB的絕對(duì)損耗，但相對(duì)差值也只有6dB[8]。盡管將28Ghz較高的自由空間損耗也列入考慮之列，這6dB差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相當(dāng)尺寸天線的增益差值(見圖2)。圖3A和圖3B分別演示了建立設(shè)計(jì)測(cè)量衍射的場(chǎng)景和測(cè)量結(jié)果。第一個(gè)收發(fā)信機(jī)放置于辦公樓頂上（圖3A中以白色圓圈標(biāo)出）。第二個(gè)收發(fā)信機(jī)放置于移動(dòng)升降機(jī)上，升降機(jī)放置于13米高的停車樓后面的11米處。通過(guò)降低移動(dòng)升降機(jī)來(lái)測(cè)量第二個(gè)收發(fā)信機(jī)的接收功率的影響。如圖3B演示了兩套被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量接收功率值與低于可視線距離的對(duì)比，以及通過(guò)“刀鋒”模型衍射理論計(jì)算的理論接收電平[8]。兩套系統(tǒng)發(fā)射功率均為19dBm,但5.8Ghz天線增益低21dBi，因而在NLOS傳播后其接收電平要比28GHz的接收功率低20dB。28GHz的實(shí)測(cè)功率與理論接收電平吻合很好，盡管有少量dB數(shù)的偏差。這種偏差是可以預(yù)見的這是因?yàn)槟Ｐ偷暮?jiǎn)化。總之，衍射損耗可以依據(jù)刃鋒模型估算[8]。盡管如此，由于模型的簡(jiǎn)單化，計(jì)算出的損耗有一點(diǎn)被低估了。這可以在規(guī)劃過(guò)程中簡(jiǎn)單地在損耗冗余上加上幾個(gè)dB作為補(bǔ)償。由于28GHz系統(tǒng)預(yù)期鏈路冗余高,它比5.8GHz系統(tǒng)在更深的非視距時(shí)保持全部吞吐量。28GHz系統(tǒng)在距視距條件6米以內(nèi)的NLOS條件下可傳輸全部400Mbps吞吐量，對(duì)應(yīng)衍射角度為30度。而5.8GHz只在距視距3米以內(nèi)的NLOS條件下才可達(dá)到50Mbps。鏈路冗余是非視距傳播的系統(tǒng)的唯一最重要的系統(tǒng)參數(shù)。與我們預(yù)期相同，在天線尺寸相近的條件下，28GHz系統(tǒng)在衍射場(chǎng)景下實(shí)際比5.8GHz系統(tǒng)的性能表現(xiàn)要好得多。反射圖4A所示是金屬和磚墻構(gòu)成的平面作為在單一反射點(diǎn)時(shí)，5.8GHz和28GHz系統(tǒng)性能均進(jìn)行了測(cè)試。第一個(gè)收發(fā)信機(jī)置于辦公樓樓頂位置（以白色圓圈標(biāo)示），其高出地面18米，第二個(gè)收發(fā)信機(jī)置于同一辦公樓臨街的5米高的墻上。對(duì)面建筑的磚墻作為反射面，總鏈路長(zhǎng)度大約100米。反射損耗依入射角的不同而不同，本試驗(yàn)中反射點(diǎn)入射角大約15度，28GHz和5.8GHz的ΔLNLOS的測(cè)試結(jié)果分別是24dB和16dB。此數(shù)據(jù)與早前研究結(jié)論[11]相吻合。反射損耗與反射物材料有著非常決定性的關(guān)系，作為比較，以鄰近的金屬墻面作為反射點(diǎn)同時(shí)入射角相近時(shí)，兩套系統(tǒng)的ΔLNLOS均為大約5dB。總之，原則上使用多個(gè)反射點(diǎn)傳輸很難達(dá)到的地點(diǎn)是可行的。盡管如此，由于有限的冗余限制和尋找合適反射點(diǎn)的困難，使使用兩個(gè)以上的反射點(diǎn)是實(shí)際難以實(shí)現(xiàn)的。ΔLNLOS在28GHz在測(cè)試區(qū)域的單點(diǎn)反射損耗在5至25dB之間變化，而5.8GHz系統(tǒng)在5至20dB之間。圖4B所示是兩個(gè)系統(tǒng)測(cè)試16個(gè)小時(shí)以上的吞吐量。28GHz系統(tǒng)保持400Mbps穩(wěn)定的吞吐量，而使用寬波束天線的5.8Ghz系統(tǒng)吞吐量在100Mbps和70Mbps之間浮動(dòng)。這種浮動(dòng)預(yù)期因?yàn)閷挷ㄊ膹?qiáng)多徑傳輸所致。OFDM是針對(duì)多徑傳播的有效的抑制衰落技術(shù)。如圖所示嚴(yán)重的多徑衰落導(dǎo)致逐級(jí)降低的吞吐量。然而采用窄波瓣的28GHz天線，結(jié)合高性能MINI—LINK收發(fā)信機(jī)的先進(jìn)的均衡器可以有效抑制多徑衰落，使單載波QAM技術(shù)可以用于非視距條件，甚至包括使用512QAM和56MHz信道帶寬。透射與NLOS反射的場(chǎng)景一樣，透射產(chǎn)生的路徑損耗絕對(duì)取決于阻擋視距的障礙物的材料。圖5A和5B所示是兩套測(cè)試系統(tǒng)的場(chǎng)景和性能。兩個(gè)收發(fā)信機(jī)分別置于距離150米的兩端，中間有一棵高大的稀疏的樹和一顆高密度矮樹，樹木造成視距阻斷。調(diào)整置于移動(dòng)升降機(jī)上的收發(fā)信機(jī)位置，分別測(cè)量透射稀疏樹木和更高密度樹木的波束，如圖A所示。圓圈和三角標(biāo)示分別代表波束穿透點(diǎn)。測(cè)試是在降雨和刮風(fēng)的條件下進(jìn)行的，28GHz鏈路接收信號(hào)范圍反映了NLOS路徑衰耗變化，如圖5A。NLOS條件下，幅頻包絡(luò)可達(dá)-50dBm。經(jīng)過(guò)超過(guò)5分鐘的測(cè)試，結(jié)果是，單一樹木（稀疏的樹木）場(chǎng)景下，增加的路徑損耗在0和6dB之間不同。在兩棵樹（高密度樹木）場(chǎng)景下，增加路徑損耗會(huì)在8dB甚至超過(guò)28dB。補(bǔ)充的測(cè)試證明5.8GHz系統(tǒng)增加了相似的路徑損耗。結(jié)論是，一般的大眾的誤解相反，是28GHz可以用在稀疏綠植的NLOS的條件下，同時(shí)達(dá)到相當(dāng)好的性能指標(biāo)。部署指南到目前為止，本文討論了NLOS傳播，衍射，反射及透射的關(guān)鍵系統(tǒng)指標(biāo)，批駁了只有6Ghz以下才可以使用的誤解。下一步是應(yīng)用理論和測(cè)試結(jié)果指導(dǎo)微波回傳實(shí)際場(chǎng)景的部署。表2是針對(duì)每一個(gè)NLOS場(chǎng)景，使用測(cè)得的損耗同時(shí)結(jié)合圖2的曲線圖得出的指導(dǎo)性吞吐量。圖6所示是試驗(yàn)站點(diǎn)，用來(lái)測(cè)量NLOS回傳部署場(chǎng)景的覆蓋范圍。測(cè)試區(qū)域以4-6層的辦公樓為主，

建筑墻面由磚面，玻璃及金屬混合組成。NLOS無(wú)線回傳系統(tǒng)的匯聚站點(diǎn)(主站)

是在高出地面13米的車庫(kù)的一角，位于這一測(cè)試區(qū)域的南端。應(yīng)用衍射，反射和透射的損耗測(cè)量值，作為經(jīng)驗(yàn)法則；根據(jù)圖2的曲線圖讀出指導(dǎo)性吞吐量，并總結(jié)在表2之中。圖6中的彩色區(qū)域是測(cè)試區(qū)域的可視條件。黃色區(qū)域代表單點(diǎn)反射區(qū)域，藍(lán)色代表衍射區(qū)域，紅色區(qū)域代表需要雙反射點(diǎn)，未上色的區(qū)域表示預(yù)計(jì)沒有吞吐量或它是測(cè)量區(qū)域之外。白色虛線指示對(duì)其作了測(cè)量的區(qū)域。依據(jù)表2，5.8Ghz在距離匯聚站半徑250米范圍內(nèi)滿足小站回傳需要（）50Mbps）是可行的；而28Ghz系統(tǒng)在距匯聚站500米的范圍內(nèi)全雙工吞吐量可大于100Mbps。為了準(zhǔn)確測(cè)量主站與接收機(jī)間的全雙工的吞吐量，放置在移動(dòng)升降機(jī)上的接收機(jī)距地面3米高，接收機(jī)隨移動(dòng)升降機(jī)沿主街道和鄰近街道移動(dòng)。由于5.8GHz采用寬束天線，測(cè)量