WiMax非视距传播及相关技术

前言：目前的许多宽带无线接入技术只支持视距条件的通信，如LMDS，3.5GHzMMDS等，而WiMax802.16e标准在频段及调制方式上进行了优化，因此可以支持最远50km的视距通信及8km范围内的非视距通信。这对宽带无线接入技术来说是一大进步，WiMax因此有着广泛的市场应用前景。

1.非视距及视距条件下的无线传播

我们通常将无线通信系统的传播条件分成视距(LOS)和非视距(NLOS)两种环境。视距条件下，无线信号无遮挡地在发信端与接收端之间直线传播，这要求在第一菲涅尔区(First Fresnel zone)内没有对无线电波造成遮挡的物体，如果条件不满足，信号强度就会明显下降。菲涅尔区的大小取决于无线电波的频率及收发信机间距离。

视距通信应保证第一菲涅尔区0.6倍焦距内无障碍物

图一视距传播与第一菲涅尔区

而在有障碍物的情况下，无线信号只能通过反射，散射和衍射方式到达接收端，我们称之为非视距通信。此时的无线信号通过多种途径被接收，而多径效应会带来时延不同步、信号衰减、极化改变、链路不稳定等一系列问题。

图二非视距传播

多径信号传播过程中会引起信号极化角的改变。而另一方面基站常使用不同极化方式进行频率复用，因此多径效应引起的极化角改变，就会产生问题。

如何把多径传播的不利因素变化有利因素，是实现非视距通信的关键。一种简单的方法就是提高发射功率，以使信号穿透障碍物，变非视距传播为准视距传播，但这不是真正的解决之道，只能一定程度的解决问题。无线覆盖总是要受制于地理环境、空中损耗、链路预算等条件。某些情况要求无线传播条件一定是非视距的，如规划的要求、高度的限制，不允许天线安装在视距范围内。小区连续覆盖时，频率复用要求很严格，降低天线高度可有效减少相邻小区的同频干扰。所以基站与终端经常是在非视距条件下通信。而视距通信环境中天线过高、过密反而会带来问题。

非视距通信同样可以降低网络建设成本。例如：无线规划仿真更加精确，勘察选址的工作量降低，CPE设备的安装难度也相应减少。

图三视距/非视距CPE室外安装

WiMax的非视距通信特点使得CPE射频部分可以室内安装。不过，这之前还要解决两个问题：其一是克服建筑物衰减；其二，在发射功率、天线增益一定的情况下，CPE的位置、工况与通信距离之间存在着矛盾。下文主要介绍为解决这些问题，WiMax所采用的新技术。

2.非视距通信解决方案

为解决非视距通信中的问题，WiMax采用了以下一些主要技术：

OFDM调制

子信道化

方向性天线

发射与接收分集

自适应调制

多重纠错技术

功率控制

2.1 OFDM调制

OFDM（正交频分复用技术）可有效克服非视距传播产生的问题。WiMax采用OFDM方案解决非视距传播的多径时延问题。OFDM符号间隔随时调整，配合循环前缀的使用，其波形消除了码间串扰，也降低了自适应均衡复杂度。因为OFDM的波形是由多个相互正交的窄带波形集合而成，选择性衰落只会对其中某个子集产生影响，接收端比较容易消除这种影响。下图对OFDM调制的码元并行传送方式与单载波信号的码元串行传送方式作对比说明。

图四 单载波与OFDM符号传送方式对比

图中左边一列为单载波方式，信道只含一个载波。每个符号以串行方式依次调制，占用全部信道，传送时间短。右边一列为OFDM方式，信道含有多个子载波，各子载波并行传送不同的符号。每个符号传送时间变长，但占用的带宽下降了。

在接收端对窄带子载波进行均衡补偿比对宽频载波容易得多。这样一来，有效提高了信道利用率，减少了传播时延，也克服了多径产生的串扰问题。

图五 单载波与多载波在接收端的波形对比

2.2子信道化

在WiMax规范中，上行链路的子信道化是可选功能。虽然其好处很多，但CPE由于成本或其他的限制可能不具备子信道功能，这会导致上下行链路预算不对称、小区内干扰加大，从而减少基站覆盖范围与系统容量。如果CPE上行链路也分多个子信道，上下行链路预算就能保持一致，上行能量集中在几个子信道内，减少了小区内干扰，上下行增益都可获得提高，这对增强建筑物穿透能力，减少CPE功耗都有好处。

CPE的子信道化功能，即OFDMA，带来的优势可通过下图做很好的说明。

图六子信道在实际使用中的优势

2.3固定无线接入中天线的应用

方向性天线相对全向天线来说可有效提高增益。基站与CPE如使用方向性天线都可以减少干扰。因为它具有方向图特征，旁瓣与后瓣区域中的多径信号会被抑制掉。在非视距环境的实际应用中，这一特征已被多次验证。

自适应天线系统（AAS）也是802.16标准的可选功能。AAS波束赋形功能对于发射来说，可保证信号能量集中于某一个或几个较窄区域内，同时保证接收端只接收某一特定方向的来波。AAS在提高WiMax无线网络的频率复用率方面也有很有帮助。

2.4发射与接收分集

分集技术可以将非视距通信中的多径信号、反射信号变害为宝。目前，在WiMax规范中它也是可选功能。WiMax发射分集采用空时编码（STC）技术，空时编码是空间传输信号和时间传输信号的结合，实质上就是空间和时间二维处理相结合的方法：在空间上采用MIMO天线的分集来提高系统的容量和信息率；在时间上把不同信号在不同时隙内使用同一个天线发射，使接收端分集接收。用这样的方法使系统获得额外的分集和编码增益，它减小了系统抗衰落储备，从而实现容量的提高。

2.5自适应调制

引入这一机制，WiMax可根据链路信噪比变化实时调整信号调制方式，以保证稳定的链路质量及误码率。这一功能对克服时间选择性衰落非常有效。通过此功能，系统可在保证质量的情况最大限度地提高容量，而不必为最坏情况预留太多功率储备。

图七覆盖半径与SNR/调制方式对应关系

2.6纠错方式

WiMax引入多种纠错方式降低接收门限。系统采用了瑞德-索罗门码、卷积码、交织算法进行纠错。错误帧无法还原时，系统发自动重传请求(ARQ)要求重发。接收端通过MRC（最大比合并）减少重发包次数，提高信道效率。

2.7功率控制

功控算法全面提升了系统的性能。它的工作过程是：基站对CPE的初始发射功率进行控制，基站侧由此接收到每个CPE（不论距离基站远近）的信号基本相同，并根据信号的变化对CPE发射功率实时调整。这保证了小区内、相邻小区间干扰比较小，也减小了CPE的功耗。在视距条件下，功控算法主要参考CPE与基站的距离，在非视距条件下，则还要考虑到遮挡物等地形条件。

3．非视距传播模型

前面我们讲到，在非视距传播过程中，信号会发生散射、衍射、极化角的改变。这些都会影响到信号的接收。

3.1非视距模型

人们不断提出各种无线模型，以适应非视距环境下的传输特点，并希望对信号覆盖做出准确预测。而且这些模型已在移动网络的无线规划中得到了广泛应用。它们一般都会分析无线信号空中传输损耗、地形因素、收发天线高度、小区频率等特征参数。不过，这些模型工具要完全满足WiMax的要求，还需做进一步的完善。

AT&T为此开展了大量工作，他们在美国的几个地区采集了丰富的外场测试数据，以完善宽带无线接入RF模型，测试采用了符合802.16标准的WiMax产品。这一无线模型现在被IEEE采纳为参考标准，编号为802.16.3C-01/29R4。

3.2斯坦福大学(SUI)模型

SUI模型是对早期的AT&T模型的扩展。在其基础上增加了三种地域类型：

l A类：丘陵/中密度植被覆盖区

l B类：丘陵/低密度植被覆盖区或平原/中密度植被覆盖区

l C类：平原/低密度植被覆盖区

经过实际模拟测试对比，人们发现SUI模型对非视距条件的空中损耗模拟与实际值已非常接近了。

SUI中定义了6种适用于WiMax的信道模型，SUI-1至SUI-6。这比以往的其他信道模型种类更多，也更精确。通过3维数字地图的配合，在网络规划与覆盖分析中，可有效降低同频干扰，提高覆盖连续性。

3.3覆盖区域预测

在视距条件下，覆盖范围取决于第一菲涅尔区范围。在非视距条件下，有一个覆盖可用性的概念，它用百分比来表示。表示给定区域、给定门限下用户可用性的统计值。举例来说，90%覆盖率表示某规划区域内90%的地点满足用户接入门限要求。RF规划软件会将不同信号条件的区域用不同颜色加以区分。除了地形条件外，RF规划及覆盖分析与上述的调制技术、编码方案也是密切相关的。

4.WiMax覆盖范围

这部分介绍以下两种基站的覆盖半径、容量等指标

具备WiMax标准中强制要求功能及正常RF输出功率的标准基站

具备WiMax标准中强制与可选功能的增强型基站，如拥有更高的RF功率、支持收发分集、时空编码（STC）、最大比合并(MRC)；支持子信道化、自动重传。

标准型与增强型基站都满足WiMax规范定义，但两者性能指标不同（详见下表）。需要强调的是，WiMax规范提供许多可选功能，这样运营商可根据不同的需求选择具有不同功能的产品，以经济的成本，建设最适用的网络。

基本条件：3.5GHz工作频段

3.5MHz信道带宽

*:上行链路最大速率是不使用多个子信道条件下的值。

图8增强型基站与标准基站的覆盖范围对比

总结

WiMax技术支持视距与非视距两种环境下的覆盖。利用非视距通信技术，运营商可以在增加基站覆盖范围的同时提高系统容量。在WiMax规范中定义了非视距解决方案，通过引入OFDM、自适应调制及多种纠错编码技术，以及划分子信道、分集、SPC编码等技术，它可以提供与有线网络相媲美的高质量业务。通过WiMax标准认证的基站及CPE产品都具有兼容性高，部署灵活快速的优点。这一切，都将使WiMax拥有良好的市场前景。