天地共网WiMAX系统性能分析

2008-10-25 14:05| 查看: 681| 评论: 0|原作者: 佚名|来自: 计算机世界报

WiMAX是现今比较热的宽带无线接入技术,随着国际电联(ITU)接受其成为3G标准之一,WiMAX将得到新的发展机遇与应用空间。WiMAX标准中提出了的大容量、高带宽、支持固定与移动应用,运营商们对此技术寄予厚望,并已开始陆续建设地面的实验/商用网络。但各种地面无线网络因为受地理环境、频谱资源、站点高度等因素限制,至今仍不能满足全覆盖、高带宽的要求。

为了解决上述问题,ITU曾提出过相关建议:将HAPs置于20km的平流层中,提供3G等宽带接入服务。所谓平流层通信,指的是利用位于平流层的飞艇、气球等承载工具作为安置平台,在其上搭载高空基站(HAP)的通信方式。HAP一般距离地面17~22km,可以实现单站上千平方公里的覆盖面积。这不仅减少了全网基站数量,而且解决了现有地面网络无法覆盖地域的有效覆盖。由于地面无线基站密度过高、频率资源也很稀缺,所以天地一体化部署基站、使用同频组网的技术,对于实际应用尤为重要。那么,将平流层通信与WiMAX结合起来,是否可行呢?

对于WiMAX来说,地面建网与基于平流层建网各有优势。采用平流层基站(H-BS)部署的WiMAX网络,由于其基站高度更高,覆盖更广,可以有效减少基站数量,并保证大部分情况下的视距(LOS)条件通信。而相比卫星通信来说,H-BS因距地面较近,空间损耗更小,其所需的发射功率也小很多。另一方面,H-BS比T-BS (地面基站)覆盖范围大得多,也没有建筑物、树木遮档等非视距(NLOS)条件引起的衰落大。因此,在2-11GHz频段内,天地共网的WiMAX系统即可用于视距通信也可用于非视距通信。在城市,我们用地面建网方式保证热点区域容量;而在人烟稀少的地区,用平流层建网方式保证大面积覆盖。天地共网,互为补充,是WiMAX系统普及应用的重要途径。

本文讨论当平流层WiMAX基站与地面WiMAX基站的覆盖区域相互独立或有重叠两种情况下,基站间的相互影响及下行链路性能指标。这种影响由多种因素共同作用产生:如基站发射功率、天线波束带宽、地面热噪声、传播模型等等。为保证系统性能,需要对WiMAX HAPs下行功率进行控制,以减少对WiMAX系统中地面基站的干扰。通过本文实验结果,可得出以下结论:通过相应手段,天地共网的WiMAX基站可以使用同一频段对某一区域进行分层覆盖。

本文分别讨论基本系统参数及传播模型、评估不同条件下的系统性能,并介绍H-BS与T-BS覆盖区域之间距离固定情况下的相互干扰,通过对基站下行链路的载噪比 (CNR)、载波干扰噪声比(CINR)和干噪比 (INR)的比较,对系统性能做深入分析,还通过H-BS与T-BS覆盖区间距变化时三个参数的对比,讨论WiMAX天地共网的可行性,最后介绍如何通过对H-BS下行功率进行控制来改善网络性能。

系统参数与模型

我们设定的实验环境包括一个T-BS,一个H-BS,及一个测试接收站。T-BS与H-BS的覆盖区间距固定。我们定义H-BS与T-BS覆盖区间距为T-BS覆盖区右侧边缘到H-BS覆盖区左侧边缘间的距离,具体网络部署情况见图1。

图1:T-BS,H-BS及单个测试站的WiMAX系统网络配置。

H-BS天线增益为,为测试站到H-BS联线与H-BS垂线间夹角。测试站天线增益为,为来波方向与测试站天线焦线间的夹角。与功率滚降系数n成余弦函数关系。增益具体值可由公式(1)(2)得出。H-BS高度为17km。T-BS,H-BS均工作于3.5GHz频段。

式中GH与GU分别表示H-BS天线及测试站天线0度角增益。nH和nU分别表示两种天线的主瓣功率滚降因子。Sf表示天线第一副瓣最大增益,单位为dB,H-BS天线由于主瓣很宽,因此副瓣影响乎略不计。

为改善H-BS覆盖区边缘性能,本实验中H-BS选用10dB滚降的方向性天线。天线焦线指向H-BS地面投影中心点,覆盖区域为标准圆形,接收电平低于中心点10dB的一圈定义为覆盖区域边缘。即=(参见图2)

图2:B点的干扰来自H-BS,A点的干扰来自T-BS。

H-BS下行链路损耗按自由空间损耗模型计算:

H-BS的高度与T-BS相比大很多,因此,不考虑H-BS信号的衍射及阴影效应。

基于地面部署的WiMAX系统,其典型的基站覆盖半径是7km,基站初始发射功率一般为40dBm。考虑到WiMAX系统可用频段为2-11GHz,(目前国际通行为3.5GHz),而人们常用的Hata-Okumura 无线传播模型更适用于2GHz以下的频段,因此,本文采用郊区路损模型来计算WiMAX系统空间损耗PLT。计算公式如下:

PLT由3部分组成:正常空间损耗PLM,接收天线高度修正因子,频率修正因子。其中PLM由AT&T模型给出。IEEE802.16标准中,根据天线高度及工作频段,使用,两个因子对PLM进行修正。另外根据SUI模型的定义,采用T-BS地面WiMAX系统的空间损耗又分为A,B,C三类。本文使用C类模型(平原/低植被覆盖区域)作为T-BS的损耗模型。

其他系统参数的定义见表1:

表1

系统容量估算

分A,B两种情况(见图2)来讨论系统容量。

A:测试点与H-BS通信时受到T-BS的干扰

此时系统性能主要受下行链路CNR,CINR,INR影响。而这三个比值分别由下列公式计算得出:

式中,PH和PT分别表示H-BS,T-BS的初始发射功率,NF是白噪声电平,AT是T-BS基站天线增益。测试站天线指向H-BS,此时,θ=0,φ符合COS函数关系,PLH与PLT表示线性空间损耗值。

我们一般用INR来评估系统间的干扰。按照ITU标准所要求,系统干扰电平分贝值应小于总噪声电平分贝值的10%,就是说INRthreshold=-10dB,即INR门限值为-10dB。如果超过了这一门限值,就意味着两基站不能在同一覆盖区使用同一频段。

B:测试站与T-BS通信,此时H-BS对其造成干扰

测试站与T-BS通信时,H-BS对其会产生干扰(详见图2)

此时CNR,CINR,INR用下列三个公式得出:

覆盖区距离固定时的系统性能分析

图3给出了H-BS与T-BS覆盖区内CNR值的累积分布函数(CDF)。按照前述条件,H-BS,T-BS均位于各自覆盖区的中心点,覆盖区边缘相距13km。通过图3中两条曲线我们看到:H-BS覆盖区内90%的区域CNR值都要好于T-BS覆盖区。由于采用了一些非视距(NLOS)通信技术,T-BS覆盖区边缘CNR均大于17dB,但基于平流层的H-BS,因为与用户站多为视距(LOS)通信,因此可得到更好的CNR值(均大于24dB)。

图3:H-BS,T-BS覆盖区CNR累积分布函数图。

CINR值测量结果见图4、图5。从图4中可看到CINRH等值线为均匀圆形,而CINRT等值线为不均匀圆形分布。因为T-BS与测试站间的链路受测试站天线旁瓣干扰影响较大。从图5中我们看到,在左侧覆盖区内,CINRT等值线向中心点收缩,这就是H-BS信号对测试站干扰造成的结果。由于H-BS信号进入了测试站天线主瓣区域内,在不考虑阴影效应影响条件下,这种干扰还是比较大的。而在T-BS覆盖区的右侧,CINRT等值线没有变化,因为此区间内H-BS信号仅影响测试站天线旁瓣,干扰相对就小很多。

通过对图4、图5的对比,得出结论是:在同样发射功率前提下,位于平流层的H-BS不易受T-BS的干扰,而反之位于地面的T-BS易受H-BS干扰。

图4:H-BS覆盖区受T-BS干扰时的CINRH等值线分布。

图5:T-BS覆盖区受H-BS干扰时CINRT等值线分布。

覆盖区边缘距离变化时的系统性能分析

为满足业务需求,网络结构会不断变化,基站调整、新站入网等因素都会影响到H-BS与T-BS覆盖区边缘距离的变化。在这种情况下,如何保证系统性能是天地共网WiMAX系统能否实现宽带接入无缝覆盖的关键。图6对这一情况做出了说明。我们设定最初H-BS与T-BS覆盖区边缘距离为40km,然后将T-BS覆盖区移向H-BS覆盖区,逐渐减少覆盖区边缘距离。当这一数值为负值时,说明两覆盖区出现了重叠。实验配置3个测试站,它们始终处于T-BS覆盖区左侧与右侧边缘及H-BS覆盖区左侧边缘。我们将对各覆盖区边缘的CNR,CINR,INR等值进行测量比较。

图6:覆盖区边缘性能比较。

当覆盖区边缘(EOC)间距大于0时,CINRH变化很小。但当T-BS覆盖区与H-BS覆盖区出现重叠后,CINRH快速衰落到0dB以下,这是因为处于H-BS EOC的测试站在此时与T-BS的距离远小于到H-BS的距离,而T-BS信号产生的干扰迅速增强。当T-BS覆盖区完全包含在H-BS覆盖区内后,H-BS EOC位置的CINRH值又会快速恢复到原来水平。对于T-BS来说,在EOC间距逐渐减少的过程中,其左侧EOC的CINRT值总是低于右侧EOC的CINRT值,直至EOC间距等于-7km,既T-BS正好处于H-BS的左侧EOC上。这是因为H-BS的信号进入到了位于T-BS左侧EOC的测试站的天线主瓣区,从而引起了较大干扰,造成了CINR值的下降。

在图8中,我们给出了INR的变化情况,当T-BS覆盖区完全处于H-BS覆盖区之外时,H-BS EOC处的INRH值始终低于INRthresho。当EOC间距减少时,T-BS左侧EOC处的INRT值增大,而右侧EOC处的INRT值则低于INRthreshold。

图8:H-BS 与T-BS EOC减少时INR值的变化情况。

图9:H-BS EOC处CINR值及H-BS引入功率控制后T-BS的最佳INR变化。

H-BS功率控制对天地共网系统性能的改善

降低H-BS的下行发射功率可以直接地减少H-BS对T-BS的干扰。为此,我们在固定发射功率PH定义之外引入功率调整因子△PH。我们定义T-BS左侧EOC处的INR值为INRT-L,右侧EOC处的INR值为INRT-R。通过比较得出最优与最差的INR值。

H-BS功率调整的最小值为

当H-BS发射功率为(PH+△PH),(下文称之为受控PH),INRT-worst等于INRthreshold,这样可保证INTT-best始终低于INRthreshold。下图表明了此时CINR值变化情况。

从图中可以看出,H-BS EOC处的CINRH较之图7中有所下降,但仍可保证大于15dB(EOC变化过程中T-BS的发射功率保持40dB不变)。

图7:H-BS与 T-BS EOC间距减少造成的CINR值变化曲线。

图10、图10一给出了H-BS引入功率控制机制后,CINRH及CINRT的测量结果。从图中可以看到两种最差情况:

(1)H-BS与T-BS的EOC距离为0km时

(2)H-BS与T-BS的EOC距离为-37km时

既H-BS与T-BS的某一侧EOC重合时,CINR值显著降低。

当H-BS与T-BS覆盖区邻近时,由于H-BS为减少INR而降低了发射功率,导致H-BS覆盖区内信噪比平均下降10dB。当T-BS覆盖区完全处于H-BS覆盖区内时,位于H-BS EOC处的用户CINR值并不是最差的,处于覆盖区重叠区域中与H-BS通信的用户CINR值最差,但当这些用户选择与T-BS通信后,其CINR值就可明显上升。

图10:H-BS 与T-BS EOC距离=0km,-37km时,CINRH累积分布函数。

上面的实验结果表明,H-BS引入功率控制机制后,完全可以实现与T-BS的同频段、同区域的覆盖。

图11:H-BS T-BS EOC距离=0km和EOC距离=-37km时,CINRT累积分布函数。

从图中可以看到,H-BS引入功率控制机制后,T-BS的CINRT明显改善。但是当EOC间距为-37km时,H-BS不进行功率控制,则T-BS覆盖区内有20%的区域CINR低于10dB;H-BS进行功率控制后,T-BS覆盖区全部区域CINR均大于15dB。而前面我们提到H-BS功率控制主要目的是保证对T-BS的干扰INR优于门限值。所以H-BS功率控制的做法可谓一举两得。

结论

利用平流层部署WiMAX基站的方案实现了半径超过30km的大区覆盖,实验结果表明,平流层WiMAX基站并可与地面WiMAX基站进行同频、邻区、同区组网。这一组网方式最少可保证T-BS 8dB的CINR冗余和H-BS的24dB冗余。在同频工作条件下,T-BS INR值低于门限10dB。H-BS引入功率控制机制后,可确保INR处于较低水平。如果以频率复用方式进行全网规划,INR值还可进一步降低。理论发展与科技进步日新月异,随着人们对宽带无线接入的需求不断增长,有理由相信在不久的未来,天地共网的WiMAX系统将成为现实。


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