WiMAX無線網絡規劃

WiMAX無線網絡規劃

摘要本文結合WiMAX的技術特性，主要探討了IEEE 802.16d和802.16e無線網絡的覆蓋、容量和頻率規劃特點，并分析了WiMAX的系統干擾，為運營商的網絡建設提供了參考與建議。

WiMAX是一項新興的寬帶無線接入技術，能提供面向互聯網的高速連接，信號理論傳輸距離最遠可達50km。WiMAX還具有QoS保障、傳輸速率高、業務豐富多樣等優點。WiMAX的技術起點較高，采用了代表未來通信技術發展方向的OFDM/OFDMA、AAS等先進技術，隨著技術標準的發展，WiMAX將逐步實現寬帶業務的移動化，而3G則將實現移動業務的寬帶化，兩種網絡的融合程度將會越來越高。

WiMAX與3G無線網絡的規劃流程比較相似，如圖1所示。

圖1WiMAX無線網絡規劃流程

與3G無線網絡規劃相比，WiMAX預規劃階段的覆蓋、容量規劃，和詳細規劃階段的頻率規劃、系統干擾分析等最具代表性。

1、覆蓋規劃特點

WiMAX的覆蓋規劃主要內容為：通過鏈路預算得出各類型業務的覆蓋半徑和基站覆蓋面積，再根據運營商的無線網絡覆蓋策略，得出在目標覆蓋區域內的基站需求數目。進行WiMAX覆蓋規劃時應注意以下幾個特點。

1.1影響鏈路預算的因素

由于無線信道環境的復雜性，IEEE 802.16系列標準的實際覆蓋半徑從幾公里至十幾公里不等。在進行無線網絡規劃和設計時都需要進行鏈路預算以得到合理的無線覆蓋預測結果。與3G業務相似，WiMAX能夠提供豐富的話音和數據等業務，其上、下行業務量是非對稱的，鏈路預算時也必須計算兩個不同方向的值。

影響WiMAX覆蓋的因素主要有以下兩點。

1.1.1載波帶寬和調制方式的多樣性

IEEE 802.16系列標準載波帶寬及調制方式如表1所示。

表1IEEE 802.16系列標準載波帶寬及調制方式

由表1可知，WiMAX支持多種編碼調制方式與編碼速率的組合。根據接收機靈敏度方程，調制階數越高時，對SNR的要求越高，接收機靈敏度越低；載波帶寬越寬時，接收機靈敏度也越低。而接收機靈敏度越低，上行允許最大路徑損耗就相應減少，覆蓋距離和覆蓋面積也減小了。由此可見，WiMAX的編碼調制方式和載波帶寬的選擇與基站覆蓋面積相關聯。

當載波帶寬一定時，64QAM-3/4調制方式下的基站接收機靈敏度比BPSK-1/2調制方式下的靈敏度低18dB左右；當調制方式一定時，7MHz帶寬下的基站接收機靈敏度比1.75MHz帶寬下的靈敏度低6dB左右。

在實際應用中，WiMAX一般采用AMC（自適應調制編碼），以保證在覆蓋區域內SS能夠根據無線環境的不同選擇合適的調制方式，從而成功實現業務接入。WiMAX調制方式的不同對覆蓋范圍的影響，可以作為覆蓋規劃的重要參考依據。

1.1.2新技術帶來的影響

WiMAX協議提供實現AAS（智能天線）、MIMO（多輸入多輸出）和STC（空時編碼）等增強型天線技術的途徑，以應對NLOS造成的深衰落，提高了WiMAX無線數據的傳輸能力。

1.2覆蓋規劃原則

當WiMAX采用各種編碼調制方式時，調制階數越高，小區半徑越小，如圖2所示。

圖2WiMAX無線覆蓋特性

在IEEE 802.16標準中，在MAC層定義了較為完整的QoS機制。MAC層針對每個連接可以分別設置不同的QoS參數，包括速率、延時等指標。不同的業務的QoS要求不一樣，對信號質量和強度的要求不同，覆蓋半徑也不同。

根據上述分析，可以將編碼調制方式作為WiMAX無線網絡的覆蓋層次的劃分依據，因此，WiMAX的無線網絡覆蓋原則如下。

（1）以QPSK調制信號為覆蓋的基本要求，在WiMAX的覆蓋區域實現QPSK調制信號的連續覆蓋；

（2）在數據熱點地區實現QAM64調制信號的覆蓋以保證高速業務的開通。

1.3業務覆蓋方案

WiMAX的覆蓋場景主要有城區（密集城區、普通城區）、郊區、農村、交通干線、旅游景點等。由于各場景的覆蓋特點各異，并且802.16d主要提供固定數據接入業務，而802.16e支持移動數據接入業務，因此在提供WiMAX業務覆蓋時，主要有以下3種業務覆蓋形式。

（1）提供802.16d或802.16e業務覆蓋：城區、郊區和旅游景點的業務密度較大、用戶行為多樣，可根據通信運營商的運營策略同時提供802.16d和802.16e業務或者僅其中之一；

（2）以802.16d業務覆蓋為主：農村的業務密度低、建筑物穿透損耗小，建議以802.16d業務覆蓋為主，發揮802.16d覆蓋距離遠的優勢；

（3）以802.16e業務覆蓋為主：交通干線的業務密度較低，用戶主要處于移動狀態，以802.16e業務覆蓋為主。

目前802.16d設備的成熟度較高，而802.16e設備正處于發展階段?？梢允紫仍赪iMAX目標覆蓋區域提供802.16d業務覆蓋，當802.16e設備及市場環境成熟后，在802.16e的業務需求區域對已建的802.16d網絡進行升級，并向下兼容802.16d業務。

2、容量規劃特點

WiMAX的容量規劃主要內容是通過對用戶類型及比例、用戶數、業務類型的預測分析，得出網絡容量需求，并計算出所需的基站個數。再與按照覆蓋需求得到的基站個數進行平衡分析，最終可以得出實際所需的基站個數。進行WiMAX容量規劃時應注意以下幾個特點。

2.1業務模型

對各種業務特性進行分析研究是開展WiMAX多業務網絡規劃的基礎。首先，系統的許多關鍵性能參數與業務特性直接相關，如覆蓋容量指標等；其次，不同的WiMAX業務往往具有不同的特性。WiMAX業務種類繁多，一般可按QoS特征進行分類，WiMAX按不同的QoS類型劃分的代表業務如表2所示。

表2WiMAX業務分類

在進行系統容量預測時，需要建立業務分析模型，以預測單個用戶的業務量情況。以下便給出一種業務預測參考模型：

上（下）行忙時每用戶數據吞吐量（bit/s）=[忙時會話次數×每次會話包含的數據呼叫次數×每次數據呼叫包含的平均數據量（bit）]/3600（s）

其中，忙時會話次數=業務使用滲透率×（每月使用業務次數/30）×忙日不均衡系數×忙時集中系數

注：忙時集中系數指全天總業務量與一天當中最忙的1h內的業務量的比率。

為了保證用戶在任何時段、任何地點都能通信暢通，無線網絡的容量配置要考慮到滿足小區忙時容量需求。當全天總業務量一定時，忙時集中系數越低，表明用戶使用時間越集中，無線網絡容量配置也就越大。

2.2用戶預測

影響WiMAX用戶規模的主要因素包括WiMAX網絡的質量、終端設備的價格、業務的種類、業務的資費等。對運營商而言，尤其在WiMAX的發展初期，發展WiMAX的戰略選擇是影響其用戶數量的最關鍵因素。

WiMAX用戶只是整個運營商用戶群的一部分，在發展初期，其用戶主要是從原有的其它業務網絡用戶滲透而來，并且，運營商的用戶發展目標與其市場定位和發展策略密切相關。根據現有用戶ARPU值的分布情況進行分類分析和預測，是較為可行的方法。

2.3影響網絡容量的因素

影響WiMAX容量的因素主要有基站端發射功率、調制方式、鄰區干擾、業務類型、終端性能、無線環境、用戶分布等。

WiMAX采用高效的無線資源管理技術、先進天線技術、小區分裂等來提高系統頻譜效率，提高系統容量。

在進行網絡建設時主要的提高系統容量的方法就是增加基站小區，使每個扇區的可用子信道數量增加，從而增加基站容量。

3、頻率規劃特點

3.1頻譜利用

國際上現有的BWA（寬帶無線接入）系統中已經較廣泛被使用的頻段主要有2.5GHz、3.5GHz和5.8GHz頻段。3.5GHz頻段是較常見的BWA許可管制頻段，在所有BWA市場中占有最大的市場應用份額。另外，我國也把3330～3400MHz頻段劃分給了BWA實驗系統使用，工作于TDD模式。

鑒于我國目前2～6GHz頻段劃分及分配現狀，WiMAX可能使用的目標頻段有3.3GHz、3.5GHz等。802.16d商用設備基本都支持3.5GHz頻段，支持3.3GHz的TDD設備研發稍微滯后，少數廠商具有支持5.8GHz頻段的設備。

3.2頻率規劃

WiMAX為了應對無線信道在非視距情況下的復雜性，必須采用OFDM或OFDMA多載波調制技術，通過時間或子信道來區分用戶。因此如何合理分配和復用有限的頻段，而達到減少小區間、信道間的干擾是WiMAX頻率規劃需要解決的主要問題。

對于WiMAX的應用，一般認為每個運營商最少需要2×21 MHz（FDD方式）的頻點，并在未來可以擴充到2×28MHz甚至更高。同時，針對潛在的多運營商的市場環境，還需要額外的頻率保護間隔以屏蔽不同運營商之間的工作頻點。在信道帶寬的選擇上，WiMAX各標準支持多種信道帶寬，WirelessMAN OFDM的可選帶寬一般包括1.75/3.5/7/14MHz，其中又以3.5MHz信道帶寬的應用最為普遍。

WiMAX在頻率復用模型上遵循普遍的無線網絡規劃模型，WiMAX的頻點可被分成幾個頻點組再分配給小區使用，相鄰小區不能使用同一頻點組。同時，采用不同極化天線的方法可以進一步優化頻率復用機制，水平極化和垂直極化交替模式可以使相鄰小區得到較好的干擾隔離。

WiMAX在本質上不采用CDMA技術，但是未來的SOFDMA（Scalable OFDMA）等增強型物理層技術可以進一步地提高頻譜利用率，有可能實現頻率復用系數為1。

根據實測經驗，建議WiMAX的頻率規劃遵循以下原則。

（1）相鄰小區不能采用同頻或鄰頻；

（2）同頻復用最小距離為基站覆蓋半徑的1～2個倍程；

（3）背向小區不能同頻同極化，但可以使用鄰頻同極化或同頻異極化以減小干擾。

4、系統干擾分析

4.1系統內干擾

（1）同頻、鄰頻干擾：WiMAX支持先進天線技術，例如AAS，可以給有用信號帶來最大增益，有效地減少多徑效應所帶來的影響，同時達到對干擾信號刪除和抑制的目的，從而獲得SNR增益和減少同頻、鄰頻干擾；

（2）符號間干擾（ISI）和信道間干擾（ICI）：由于無線信道存在時延擴展，并且高速數據流的符號寬度又相對較短，所以符號之間會存在較嚴重的ISI。WiMAX采用了OFDM/OFDMA技術，可以減輕由無線信道的多徑時延擴展所產生的時間彌散性對系統造成的影響，同時最大限度地消除由于多徑而帶來的ISI和ICI；

（3）TDD系統的特有干擾：若WiMAX系統采用TDD雙工方式，則還會產生時隙間干擾、幀同步偏移干擾等TDD系統的特有干擾。為了降低干擾，TDD系統對同步的要求很高。

4.2系統間干擾

有源無線設備在發射有用信號的同時，由于器件本身的原因和濾波器帶外抑制的限制，在它的工作頻帶外還會產生雜散、諧波、互調等無用信號，這些信號落到其它無線系統的工作頻帶內，就會對其形成干擾。

在BWA的頻段內，Wi-Fi以及支持多頻段的SCDMA等其它無線接入系統容易對使用相同頻段的WiMAX造成干擾。根據信息產業部頒布的《無線電發射設備型號核準檢測檢驗依據》，與WiMAX之間可能會產生干擾的其它主要無線系統如表3所示，系統之間的實際干擾情況尚有待于試驗驗證。

表3可能與WiMAX相互干擾的其它無線系統

在實際工程應用中，可以通過保持一定的水平隔離度和垂直隔離度來減小系統間的干擾。

5、WiMAX的發展前景

WiMAX可能成為固定電話運營商與移動通信運營商進行競爭的有力武器，可以改善企業與服務供應商的認知度。2007年10月，WiMAX被ITU正式納為新的3G標準，對已有的三大主流3G標準構成了挑戰。由于技術成熟度、運營牌照發放等原因，當前國內各通信運營商對WiMAX的態度主要以跟蹤或試驗為主。

目前，WiMAX的不足之處尚較為明顯：WiMAX技術在發展初期是作為一種長距離無線數據傳輸方式，要建設全面的無線移動系統非常復雜，WiMAX在這方面還需進一步發展。與其它3G主流技術相比，WiMAX的質量保證和安全性問題也有待提高，這將成為影響該技術大規模應用的一項主要因素。另外，由于對設備能力要求高和產業總體成熟度較低等因素，WiMAX的系統成本并不一定低于3G，可能會阻礙其用戶的發展，影響運營商的投資回報。

但是放眼全球，WiMAX已經開始逐步在通信市場掀起革命。2006年，韓國第一個被稱為“WiBro”的商用移動WiMAX網絡已正式開始投入運營，Intel公司也從2007年開始，在部分迅馳（Centrino）版本中加入WiMAX功能，從而加速WiMAX的全球推廣。隨著WiMAX技術的革新和發展進程，WiMAX的無線網絡規劃方法也將不斷得到創新并逐步改進。