天地共網(wǎng)WiMAX系統(tǒng)性能分析

WiMAX是現(xiàn)今比較熱的寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，隨著國(guó)際電聯(lián)(ITU)接受其成為3G標(biāo)準(zhǔn)之一，WiMAX將得到新的發(fā)展機(jī)遇與應(yīng)用空間。WiMAX標(biāo)準(zhǔn)中提出了的大容量、高帶寬、支持固定與移動(dòng)應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)商們對(duì)此技術(shù)寄予厚望，并已開(kāi)始陸續(xù)建設(shè)地面的實(shí)驗(yàn)/商用網(wǎng)絡(luò)。但各種地面無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)因?yàn)槭艿乩憝h(huán)境、頻譜資源、站點(diǎn)高度等因素限制，至今仍不能滿(mǎn)足全覆蓋、高帶寬的要求。

為了解決上述問(wèn)題，ITU曾提出過(guò)相關(guān)建議：將HAPs置于20km的平流層中，提供3G等寬帶接入服務(wù)。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(tái)，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(shí)現(xiàn)單站上千平方公里的覆蓋面積。這不僅減少了全網(wǎng)基站數(shù)量，而且解決了現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋地域的有效覆蓋。由于地面無(wú)線(xiàn)基站密度過(guò)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(wǎng)的技術(shù)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用尤為重要。那么，將平流層通信與WiMAX結(jié)合起來(lái)，是否可行呢？

對(duì)于WiMAX來(lái)說(shuō)，地面建網(wǎng)與基于平流層建網(wǎng)各有優(yōu)勢(shì)。采用平流層基站(H-BS)部署的WiMAX網(wǎng)絡(luò)，由于其基站高度更高，覆蓋更廣，可以有效減少基站數(shù)量，并保證大部分情況下的視距(LOS)條件通信。而相比衛(wèi)星通信來(lái)說(shuō)，H-BS因距地面較近，空間損耗更小，其所需的發(fā)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(méi)有建筑物、樹(shù)木遮檔等非視距(NLOS)條件引起的衰落大。因此，在2-11GHz頻段內(nèi)，天地共網(wǎng)的WiMAX系統(tǒng)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(wǎng)方式保證熱點(diǎn)區(qū)域容量；而在人煙稀少的地區(qū)，用平流層建網(wǎng)方式保證大面積覆蓋。天地共網(wǎng)，互為補(bǔ)充，是WiMAX系統(tǒng)普及應(yīng)用的重要途徑。

本文討論當(dāng)平流層WiMAX基站與地面WiMAX基站的覆蓋區(qū)域相互獨(dú)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(biāo)。這種影響由多種因素共同作用產(chǎn)生：如基站發(fā)射功率、天線(xiàn)波束帶寬、地面熱噪聲、傳播模型等等。為保證系統(tǒng)性能，需要對(duì)WiMAX HAPs下行功率進(jìn)行控制，以減少對(duì)WiMAX系統(tǒng)中地面基站的干擾。通過(guò)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：通過(guò)相應(yīng)手段，天地共網(wǎng)的WiMAX基站可以使用同一頻段對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行分層覆蓋。

本文分別討論基本系統(tǒng)參數(shù)及傳播模型、評(píng)估不同條件下的系統(tǒng)性能，并介紹H-BS與T-BS覆蓋區(qū)域之間距離固定情況下的相互干擾，通過(guò)對(duì)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(duì)系統(tǒng)性能做深入分析，還通過(guò)H-BS與T-BS覆蓋區(qū)間距變化時(shí)三個(gè)參數(shù)的對(duì)比，討論WiMAX天地共網(wǎng)的可行性，最后介紹如何通過(guò)對(duì)H-BS下行功率進(jìn)行控制來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)性能。

系統(tǒng)參數(shù)與模型

我們?cè)O(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括一個(gè)T-BS，一個(gè)H-BS，及一個(gè)測(cè)試接收站。T-BS與H-BS的覆蓋區(qū)間距固定。我們定義H-BS與T-BS覆蓋區(qū)間距為T(mén)-BS覆蓋區(qū)右側(cè)邊緣到H-BS覆蓋區(qū)左側(cè)邊緣間的距離，具體網(wǎng)絡(luò)部署情況見(jiàn)圖1。

圖1：T-BS，H-BS及單個(gè)測(cè)試站的WiMAX系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置。

H-BS天線(xiàn)增益為，為測(cè)試站到H-BS聯(lián)線(xiàn)與H-BS垂線(xiàn)間夾角。測(cè)試站天線(xiàn)增益為，為來(lái)波方向與測(cè)試站天線(xiàn)焦線(xiàn)間的夾角。與功率滾降系數(shù)n成余弦函數(shù)關(guān)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。

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

為改善H-BS覆蓋區(qū)邊緣性能，本實(shí)驗(yàn)中H-BS選用10dB滾降的方向性天線(xiàn)。天線(xiàn)焦線(xiàn)指向H-BS地面投影中心點(diǎn)，覆蓋區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)圓形，接收電平低于中心點(diǎn)10dB的一圈定義為覆蓋區(qū)域邊緣。即=(參見(jiàn)圖2)

圖2：B點(diǎn)的干擾來(lái)自H-BS，A點(diǎn)的干擾來(lái)自T-BS。

H-BS下行鏈路損耗按自由空間損耗模型計(jì)算：

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

基于地面部署的WiMAX系統(tǒng)，其典型的基站覆蓋半徑是7km，基站初始發(fā)射功率一般為40dBm�？紤]到WiMAX系統(tǒng)可用頻段為2-11GHz，(目前國(guó)際通行為3.5GHz)，而人們常用的Hata-Okumura 無(wú)線(xiàn)傳播模型更適用于2GHz以下的頻段，因此，本文采用郊區(qū)路損模型來(lái)計(jì)算WiMAX系統(tǒng)空間損耗PLT。計(jì)算公式如下：

PLT由3部分組成：正常空間損耗PLM，接收天線(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)天線(xiàn)高度及工作頻段，使用，兩個(gè)因子對(duì)PLM進(jìn)行修正。另外根據(jù)SUI模型的定義，采用T-BS地面WiMAX系統(tǒng)的空間損耗又分為A，B，C三類(lèi)。本文使用C類(lèi)模型(平原/低植被覆蓋區(qū)域)作為T(mén)-BS的損耗模型。

其他系統(tǒng)參數(shù)的定義見(jiàn)表1：

表1

 系統(tǒng)容量估算

分A，B兩種情況(見(jiàn)圖2)來(lái)討論系統(tǒng)容量。

A：測(cè)試點(diǎn)與H-BS通信時(shí)受到T-BS的干擾

此時(shí)系統(tǒng)性能主要受下行鏈路CNR，CINR，INR影響。而這三個(gè)比值分別由下列公式計(jì)算得出：

式中，PH和PT分別表示H-BS，T-BS的初始發(fā)射功率，NF是白噪聲電平，AT是T-BS基站天線(xiàn)增益。測(cè)試站天線(xiàn)指向H-BS，此時(shí)，θ=0，φ符合COS函數(shù)關(guān)系，PLH與PLT表示線(xiàn)性空間損耗值。

我們一般用INR來(lái)評(píng)估系統(tǒng)間的干擾。按照ITU標(biāo)準(zhǔn)所要求，系統(tǒng)干擾電平分貝值應(yīng)小于總噪聲電平分貝值的10%，就是說(shuō)INRthreshold=-10dB，即INR門(mén)限值為-10dB。如果超過(guò)了這一門(mén)限值，就意味著兩基站不能在同一覆蓋區(qū)使用同一頻段。

B：測(cè)試站與T-BS通信，此時(shí)H-BS對(duì)其造成干擾

測(cè)試站與T-BS通信時(shí)，H-BS對(duì)其會(huì)產(chǎn)生干擾(詳見(jiàn)圖2)

此時(shí)CNR，CINR，INR用下列三個(gè)公式得出：

覆蓋區(qū)距離固定時(shí)的系統(tǒng)性能分析

圖3給出了H-BS與T-BS覆蓋區(qū)內(nèi)CNR值的累積分布函數(shù)(CDF)。按照前述條件，H-BS，T-BS均位于各自覆蓋區(qū)的中心點(diǎn)，覆蓋區(qū)邊緣相距13km。通過(guò)圖3中兩條曲線(xiàn)我們看到：H-BS覆蓋區(qū)內(nèi)90%的區(qū)域CNR值都要好于T-BS覆蓋區(qū)。由于采用了一些非視距(NLOS)通信技術(shù)，T-BS覆蓋區(qū)邊緣CNR均大于17dB，但基于平流層的H-BS，因?yàn)榕c用戶(hù)站多為視距(LOS)通信，因此可得到更好的CNR值(均大于24dB)。

圖3：H-BS，T-BS覆蓋區(qū)CNR累積分布函數(shù)圖。