移动WiMAX无线网络规划

摘要　讨论移动WiMAX线网络规划流程和方法，阐述规划中需要考虑的重要问题。

0、前言

　　WiMAX是以IEEE 802.16系列标准为基础的一种宽带无线接入（BWA）技术。

　　IEEE 802.16-2004标准只支持固定宽带无线接入，中国已有多个运营商和不同设备商正在或已在多个地区建设了固定WiMAX技术试验网。IEEE 802.16e标准于2005年底获得批准，它能够支持移动（车速）宽带无线接入，预计在2006年底会有移动WiMAX设备进行试商用。

　　目前国内运营商对移动WiMAX网络颇为关注，因为它不但是有线接入方式的替代，而且很有可能是移动通信的替代，或者是移动通信强有力的竞争对手。

1、移动WiMAX网络架构

　　移动WiMAX网络架构在逻辑上可以分成用户终端（包括固定、便携和移动3类）、接入网（ASN）和核心网（CSN）3个部分，如图1所示。

图1　基于IP的移动WiMAX网络架构

2、移动WiMAX无线网络规划

　　移动WiMAX网络规划可以分成接入网规划、核心网规划和IP地址规划。本文重点讨论移动WiMAX网络的接入网，即移动WiMAX无线网络规划。

　　2.1　无线网络规划前期调研阶段

　　前期调研是网络规划的基础，是获得规划输入参数的过程。

　　2.1.1　前期调研阶段需要确定的项目

　　a）网络覆盖范围；

　　b）总用户数；

　　c）划定密集城区、普通城区、郊区和乡村的区域，并计算出各类区域的用户密度；

　　d）各类区域的网络负荷要求；

　　e）各类区域的覆盖要求和服务质量要求；

　　f）各类区域的用户业务模型；

　　g）各类区域的用户室内、室外和车内的比例；

　　h）各类区域中相对于地物的用户集中度等。

　　2.1.2　前期调研阶段需要考虑的问题

　　在调研过程中需要和运营商及设备商进行良好沟通，以确定目标规划区域、用户群，预期网络容量和质量，制定出适当的网络规划原则和长期发展策略。

　　无线网络规划通常是基于地形地物场景的，用户的分布、行为特性以及业务模型与区域类型密切相关，因此为了更好地支持无线网络的覆盖和容量规划，需要在覆盖目标区域内依据地形地物特征进行区域分类，如可以分为密集城区、普通城区、郊区、乡村、交通干线等几类。

　　移动WiMAX网络不但要为移动个人用户提供高速数据业务，还要为集团用户（通常为固定接入）提供高速数据接入服务。集团用户的业务模型明显不同于个人用户，需要较多的网络容量，因此在移动WiMAX前期调研阶段必须清楚了解规划目标区域内集团用户分布情况。此外还要了解2G和3G的高业务区域以及热点地区，因为这些区域也将是移动WiMAX网络的高业务区域。

　　一般来说，WiMAX网络应根据不同区域的重要程度分期规划和建设。网络规划遵从先覆盖后容量、先重点后连续，网络容量及质量应先重点地区后一般地区。

　　2.2　网络规模估算阶段

　　网络规模估算是基于前期调研的结果和对目标规划区域进行覆盖和容量方面的分析。最终获得网络的建设规模。

　　移动WiMAX无线网络采用蜂窝结构，因此覆盖方面的分析主要是通过链路预算，来确定小区半径和单个小区有效覆盖面积，最后计算出满足覆盖要求的网络建设规模。

　　移动WiMAX无线网络的工作频段在2-6 GHz之间，而2G、3G常用的传播模型适用频段均在2 GHz以下，因此应尽可能地对移动WiMAX网络使用频段进行CW测试，校正传播模型，以增加链路预算的可靠性。

　　移动WiMAX网络中的上下行链路均采用了自适应调制和编码（AMC）技术。调制方式有QPSK、16QAM和64QAM，另外还有多种具有不同编码效率（如1/2、2/3、3/4和5/6）的信道编码方式。

　　不同的调制方式以及不同的编码效率在一定的误比特率（BER）下，接收机正确接收信号时所需要的信噪比（SNR）是不同的，见表1。同样的基站发射功率下，不同的调制方式以及不同的信道编码效率也会有不同的小区覆盖半径，见图2（图2中也表示了16QAM调制时，由于信道编码效率不同引起的覆盖半径不同）。相同的调制方式具有相同的OFDM符号速率，但是如果信道编码效率不同，那么信息比特速率也是不同的，见表2。因此在网络规划的调研阶段必须明确各类规划区域将以什么信息比特速率进行连续覆盖。

表1　接收机正确接收信号时所需要的信噪比

图2　不同调制方式和信道编码效率下的小区覆盖半径

表2　PUSC子信道下移动WiMAX物理层数据速率

　　①CTC为卷积Turbo码；

　　②物理层数据速率=数据子载频波数×每符号代表信息比特数/符号周期；

　　③在上行链路中，64QAM调制方式为可选项。

　　a）确定了连续覆盖类型，也就确定了接收机的接收灵敏度（Rss），见式（1）。

　　　　（1）

　　式中：

　　c——热噪声，以10 MHz带宽计算，为-114

　　SNRRX——与表1所对应的调制方式和编码效率下，接收机正确接收信号（一定误码率）所需SNR

　　Fs——采样率（MHz）

　　LImp——实现损耗，主要包括信道估计误差、跟踪误差、量化误差和相位误差等非理想接收引起的损失，通常取5 dB

　　FN——接收机噪声系数，通常把接收机各部分的噪声系数统一折算到天线口，取8 dB

　　不同设备商的LImp和FN是不同的，具体体现了各个设备商的软硬件和算法水平。

　　b）最大路径损耗PL的计算见式（2）。

　　　　（2）

　　式中：

　　PT——机顶发射功率

　　GB——基站天线增益

　　GM——移动台天线增益

　　Gother——其他增益，本文未讨论AAS带来的增益

　　Mfade——衰落余量

　　Mother——其他余量

　　LA——天馈线等各种插入损耗

　　其中发射功率、干扰余量和接收灵敏度的上下行取值是不同的，最终保证上下行链路预算平衡。

　　c）把最大路径损耗代入传播模型公式就能得到小区半径R。相邻基站站间距D和小区有效覆盖面积S的计算与3G规划时的计算方法相同，见式（3）、式（4）。

　　D=1.5R　（3）

　　　　（4）

　　d）总覆盖区域的基站数量N为

　　　　（5）

　　式中：

　　Xi——各类覆盖区域的面积

　　Si——各类覆盖类型的小区覆盖面积

　　在移动WiMAX网络建设初期，业务量有限，通常为覆盖受限。实际的网络规模应该比覆盖估算规模大一点（覆盖估算时未考虑天线下倾角），即使这样仍有可能出现部分热点地区容量受限，特别是有集团用户接入的地区。因此必须对热点地区进行容量核算，如75%的小区上行最大容量（带宽）大于小区各类用户上行需求容量（带宽）之和；70%的小区下行最大容量（带宽）大于小区各类用户下行需求容量（带宽）之和。

　　另外，如个别孤立小区无法满足容量（带宽）需求，则应减小相应小区的半径（调整下倾角），空出的区域由周边小区兼顾；如出现成片小区无法满足容量需求或接近饱和容量，则该区域应增加基站数量，并修正最后基站数量；如小区容量需求特别大（集团用户较多），则可以增加载频。

　　需要说明的是用户需求容量一般是指应用层容量（带宽），而非物理层容量（带宽），因此在容量核算时，表2中的容量（带宽）须除去应用层及其以下各层的网络开销容量（带宽）。

　　2.3　无线网络详细规划阶段

　　移动WiMAX无线网络的详细规划包括基站站址选择和勘查、工程参数和系统参数配置、频率规划和仿真及规划效果预测。

　　基站站址应尽可能设置在业务热点地区的中心地带，但应避免在中小学校、医院和敬老院等场所设置基站。基站勘查时应注意无线传播模型类型、覆盖类型、业务热点地区、机房条件、天线挂高、有阻挡方向、周边其他无线发射站、天线安装点与机房的距离等情况，同时预测小区馈线长度、天线方向角和下倾角。

　　工程参数和系统参数是指与无线传播模型、天馈线和设备等有关的性能指标，与仿真软件相适应的业务模型和用户行为模型，以及其他相关参数。

　　移动WiMAX无线网络的频率规划采用与GSM网络规划相同的频率规划原则。

　　仿真与规划效果预测主要是通过系统级仿真和迭代调整，得到导频覆盖效果图、不同调制类型对应的覆盖效果图和最佳服务小区图等直观规划结果。仿真终止条件应该是导频污染、信号强度、不同调制类型所对应的覆盖效果和概率符合网络规划要求；每个小区都有主服务小区，避免越区覆盖。

3、结束语

　　移动WiMAX网络技术是当前BWA接入领域的重要研究课题，随着移动WiMAX网络应用的展开，其网络规划的重要性也日益突出。

　　移动WiMAX网络的规划与2G、3G网络规划有许多共性，但也有其显著特点。相信随着对移动WiMAX技术的深入研究和试验网的组建，有关问题将会一一得到解决，同时也应认识到网络规划只是网络建设的第一步。为使网络更具灵活性和强壮性。还必须进行不断的网络优化。