天地共網WiMAX系統性能分析

天地共網WiMAX系統性能分析

WiMAX是現今比較熱的寬帶無線接入技術，隨著國際電聯(ITU)接受其成為3G標準之一，WiMAX將得到新的發展機遇與應用空間。WiMAX標準中提出了的大容量、高帶寬、支持固定與移動應用，運營商們對此技術寄予厚望，并已開始陸續建設地面的實驗/商用網絡。但各種地面無線網絡因為受地理環境、頻譜資源、站點高度等因素限制，至今仍不能滿足全覆蓋、高帶寬的要求。

為了解決上述問題，ITU曾提出過相關建議：將HAPs置于20km的平流層中，提供3G等寬帶接入服務。所謂平流層通信，指的是利用位于平流層的飛艇、氣球等承載工具作為安置平臺，在其上搭載高空基站(HAP)的通信方式。HAP一般距離地面17～22km，可以實現單站上千平方公里的覆蓋面積。這不僅減少了全網基站數量，而且解決了現有地面網絡無法覆蓋地域的有效覆蓋。由于地面無線基站密度過高、頻率資源也很稀缺，所以天地一體化部署基站、使用同頻組網的技術，對于實際應用尤為重要。那么，將平流層通信與WiMAX結合起來，是否可行呢？

對于WiMAX來說，地面建網與基于平流層建網各有優勢。采用平流層基站(H-BS)部署的WiMAX網絡，由于其基站高度更高，覆蓋更廣，可以有效減少基站數量，并保證大部分情況下的視距(LOS)條件通信。而相比衛星通信來說，H-BS因距地面較近，空間損耗更小，其所需的發射功率也小很多。另一方面，H-BS比T-BS (地面基站)覆蓋范圍大得多，也沒有建筑物、樹木遮檔等非視距(NLOS)條件引起的衰落大。因此，在2-11GHz頻段內，天地共網的WiMAX系統即可用于視距通信也可用于非視距通信。在城市，我們用地面建網方式保證熱點區域容量；而在人煙稀少的地區，用平流層建網方式保證大面積覆蓋。天地共網，互為補充，是WiMAX系統普及應用的重要途徑。

本文討論當平流層WiMAX基站與地面WiMAX基站的覆蓋區域相互獨立或有重疊兩種情況下，基站間的相互影響及下行鏈路性能指標。這種影響由多種因素共同作用產生：如基站發射功率、天線波束帶寬、地面熱噪聲、傳播模型等等。為保證系統性能，需要對WiMAX HAPs下行功率進行控制，以減少對WiMAX系統中地面基站的干擾。通過本文實驗結果，可得出以下結論：通過相應手段，天地共網的WiMAX基站可以使用同一頻段對某一區域進行分層覆蓋。

本文分別討論基本系統參數及傳播模型、評估不同條件下的系統性能，并介紹H-BS與T-BS覆蓋區域之間距離固定情況下的相互干擾，通過對基站下行鏈路的載噪比 (CNR)、載波干擾噪聲比(CINR)和干噪比 (INR)的比較，對系統性能做深入分析，還通過H-BS與T-BS覆蓋區間距變化時三個參數的對比，討論WiMAX天地共網的可行性，最后介紹如何通過對H-BS下行功率進行控制來改善網絡性能。

系統參數與模型

我們設定的實驗環境包括一個T-BS，一個H-BS，及一個測試接收站。T-BS與H-BS的覆蓋區間距固定。我們定義H-BS與T-BS覆蓋區間距為T-BS覆蓋區右側邊緣到H-BS覆蓋區左側邊緣間的距離，具體網絡部署情況見圖1。

圖1：T-BS，H-BS及單個測試站的WiMAX系統網絡配置。

H-BS天線增益為，為測試站到H-BS聯線與H-BS垂線間夾角。測試站天線增益為，為來波方向與測試站天線焦線間的夾角。與功率滾降系數n成余弦函數關系。增益具體值可由公式(1)(2)得出。H-BS高度為17km。T-BS，H-BS均工作于3.5GHz頻段。

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式中GH與GU分別表示H-BS天線及測試站天線0度角增益。nH和nU分別表示兩種天線的主瓣功率滾降因子。Sf表示天線第一副瓣最大增益，單位為dB，H-BS天線由于主瓣很寬，因此副瓣影響乎略不計。

為改善H-BS覆蓋區邊緣性能，本實驗中H-BS選用10dB滾降的方向性天線。天線焦線指向H-BS地面投影中心點，覆蓋區域為標準圓形，接收電平低于中心點10dB的一圈定義為覆蓋區域邊緣。即=(參見圖2)

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圖2：B點的干擾來自H-BS，A點的干擾來自T-BS。

H-BS下行鏈路損耗按自由空間損耗模型計算：

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H-BS的高度與T-BS相比大很多，因此，不考慮H-BS信號的衍射及陰影效應。

基于地面部署的WiMAX系統，其典型的基站覆蓋半徑是7km，基站初始發射功率一般為40dBm?？紤]到WiMAX系統可用頻段為2-11GHz，(目前國際通行為3.5GHz)，而人們常用的Hata-Okumura 無線傳播模型更適用于2GHz以下的頻段，因此，本文采用郊區路損模型來計算WiMAX系統空間損耗PLT。計算公式如下：

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PLT由3部分組成：正?？臻g損耗PLM，接收天線高度修正因子，頻率修正因子。其中PLM由AT&T模型給出。IEEE802.16標準中，根據天線高度及工作頻段，使用，兩個因子對PLM進行修正。另外根據SUI模型的定義，采用T-BS地面WiMAX系統的空間損耗又分為A，B，C三類。本文使用C類模型(平原/低植被覆蓋區域)作為T-BS的損耗模型。

其他系統參數的定義見表1：

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表1

?系統容量估算

分A，B兩種情況(見圖2)來討論系統容量。

A：測試點與H-BS通信時受到T-BS的干擾

此時系統性能主要受下行鏈路CNR，CINR，INR影響。而這三個比值分別由下列公式計算得出：

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式中，PH和PT分別表示H-BS，T-BS的初始發射功率，NF是白噪聲電平，AT是T-BS基站天線增益。測試站天線指向H-BS，此時，θ=0，φ符合COS函數關系，PLH與PLT表示線性空間損耗值。

我們一般用INR來評估系統間的干擾。按照ITU標準所要求，系統干擾電平分貝值應小于總噪聲電平分貝值的10%，就是說INRthreshold=-10dB，即INR門限值為-10dB。如果超過了這一門限值，就意味著兩基站不能在同一覆蓋區使用同一頻段。

B：測試站與T-BS通信，此時H-BS對其造成干擾

測試站與T-BS通信時，H-BS對其會產生干擾(詳見圖2)

此時CNR，CINR，INR用下列三個公式得出：

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覆蓋區距離固定時的系統性能分析

圖3給出了H-BS與T-BS覆蓋區內CNR值的累積分布函數(CDF)。按照前述條件，H-BS，T-BS均位于各自覆蓋區的中心點，覆蓋區邊緣相距13km。通過圖3中兩條曲線我們看到：H-BS覆蓋區內90%的區域CNR值都要好于T-BS覆蓋區。由于采用了一些非視距(NLOS)通信技術，T-BS覆蓋區邊緣CNR均大于17dB，但基于平流層的H-BS，因為與用戶站多為視距(LOS)通信，因此可得到更好的CNR值(均大于24dB)。

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圖3：H-BS，T-BS覆蓋區CNR累積分布函數圖。

CINR值測量結果見圖4、圖5。從圖4中可看到CINRH等值線為均勻圓形，而CINRT等值線為不均勻圓形分布。因為T-BS與測試站間的鏈路受測試站天線旁瓣干擾影響較大。從圖5中我們看到，在左側覆蓋區內，CINRT等值線向中心點收縮，這就是H-BS信號對測試站干擾造成的結果。由于H-BS信號進入了測試站天線主瓣區域內，在不考慮陰影效應影響條件下，這種干擾還是比較大的。而在T-BS覆蓋區的右側，CINRT等值線沒有變化，因為此區間內H-BS信號僅影響測試站天線旁瓣，干擾相對就小很多。

通過對圖4、圖5的對比，得出結論是：在同樣發射功率前提下，位于平流層的H-BS不易受T-BS的干擾，而反之位于地面的T-BS易受H-BS干擾。

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圖4：H-BS覆蓋區受T-BS干擾時的CINRH等值線分布。

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圖5：T-BS覆蓋區受H-BS干擾時CINRT等值線分布。

覆蓋區邊緣距離變化時的系統性能分析

為滿足業務需求，網絡結構會不斷變化，基站調整、新站入網等因素都會影響到H-BS與T-BS覆蓋區邊緣距離的變化。在這種情況下，如何保證系統性能是天地共網WiMAX系統能否實現寬帶接入無縫覆蓋的關鍵。圖6對這一情況做出了說明。我們設定最初H-BS與T-BS覆蓋區邊緣距離為40km，然后將T-BS覆蓋區移向H-BS覆蓋區，逐漸減少覆蓋區邊緣距離。當這一數值為負值時，說明兩覆蓋區出現了重疊。實驗配置3個測試站，它們始終處于T-BS覆蓋區左側與右側邊緣及H-BS覆蓋區左側邊緣。我們將對各覆蓋區邊緣的CNR，CINR，INR等值進行測量比較。

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圖6：覆蓋區邊緣性能比較。

當覆蓋區邊緣(EOC)間距大于0時，CINRH變化很小。但當T-BS覆蓋區與H-BS覆蓋區出現重疊后，CINRH快速衰落到0dB以下，這是因為處于H-BS EOC的測試站在此時與T-BS的距離遠小于到H-BS的距離，而T-BS信號產生的干擾迅速增強。當T-BS覆蓋區完全包含在H-BS覆蓋區內后，H-BS EOC位置的CINRH值又會快速恢復到原來水平。對于T-BS來說，在EOC間距逐漸減少的過程中，其左側EOC的CINRT值總是低于右側EOC的CINRT值，直至EOC間距等于-7km，既T-BS正好處于H-BS的左側EOC上。這是因為H-BS的信號進入到了位于T-BS左側EOC的測試站的天線主瓣區，從而引起了較大干擾，造成了CINR值的下降。

在圖8中，我們給出了INR的變化情況，當T-BS覆蓋區完全處于H-BS覆蓋區之外時，H-BS EOC處的INRH值始終低于INRthresho。當EOC間距減少時，T-BS左側EOC處的INRT值增大，而右側EOC處的INRT值則低于INRthreshold。

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圖8：H-BS 與T-BS EOC減少時INR值的變化情況。

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圖9：H-BS EOC處CINR值及H-BS引入功率控制后T-BS的最佳INR變化。

H-BS功率控制對天地共網系統性能的改善

降低H-BS的下行發射功率可以直接地減少H-BS對T-BS的干擾。為此，我們在固定發射功率PH定義之外引入功率調整因子△PH。我們定義T-BS左側EOC處的INR值為INRT-L，右側EOC處的INR值為INRT-R。通過比較得出最優與最差的INR值。

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H-BS功率調整的最小值為

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當H-BS發射功率為(PH+△PH)，(下文稱之為受控PH)，INRT-worst等于INRthreshold，這樣可保證INTT-best始終低于INRthreshold。下圖表明了此時CINR值變化情況。

從圖中可以看出，H-BS EOC處的CINRH較之圖7中有所下降，但仍可保證大于15dB(EOC變化過程中T-BS的發射功率保持40dB不變)。

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圖7：H-BS與 T-BS EOC間距減少造成的CINR值變化曲線。

圖10、圖10一給出了H-BS引入功率控制機制后，CINRH及CINRT的測量結果。從圖中可以看到兩種最差情況：

(1)H-BS與T-BS的EOC距離為0km時

(2)H-BS與T-BS的EOC距離為-37km時

既H-BS與T-BS的某一側EOC重合時，CINR值顯著降低。

當H-BS與T-BS覆蓋區鄰近時，由于H-BS為減少INR而降低了發射功率，導致H-BS覆蓋區內信噪比平均下降10dB。當T-BS覆蓋區完全處于H-BS覆蓋區內時，位于H-BS EOC處的用戶CINR值并不是最差的，處于覆蓋區重疊區域中與H-BS通信的用戶CINR值最差，但當這些用戶選擇與T-BS通信后，其CINR值就可明顯上升。

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圖10：H-BS 與T-BS EOC距離=0km，-37km時，CINRH累積分布函數。

上面的實驗結果表明，H-BS引入功率控制機制后，完全可以實現與T-BS的同頻段、同區域的覆蓋。

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圖11：H-BS T-BS EOC距離=0km和EOC距離=-37km時，CINRT累積分布函數。

從圖中可以看到，H-BS引入功率控制機制后，T-BS的CINRT明顯改善。但是當EOC間距為-37km時，H-BS不進行功率控制，則T-BS覆蓋區內有20%的區域CINR低于10dB；H-BS進行功率控制后，T-BS覆蓋區全部區域CINR均大于15dB。而前面我們提到H-BS功率控制主要目的是保證對T-BS的干擾INR優于門限值。所以H-BS功率控制的做法可謂一舉兩得。

結論

利用平流層部署WiMAX基站的方案實現了半徑超過30km的大區覆蓋，實驗結果表明，平流層WiMAX基站并可與地面WiMAX基站進行同頻、鄰區、同區組網。這一組網方式最少可保證T-BS 8dB的CINR冗余和H-BS的24dB冗余。在同頻工作條件下，T-BS INR值低于門限10dB。H-BS引入功率控制機制后，可確保INR處于較低水平。如果以頻率復用方式進行全網規劃，INR值還可進一步降低。理論發展與科技進步日新月異，隨著人們對寬帶無線接入的需求不斷增長，有理由相信在不久的未來，天地共網的WiMAX系統將成為現實。