WiMAX固定版和移動版的覆蓋分析

近年來移動通信發(fā)展呈現(xiàn)數(shù)字化、寬帶化的趨勢，WiMAX作為一種寬帶無線接入技術(shù)，從其誕生之日起，就備受人們的關(guān)注和爭議。提到WiMAX，我們聽到最多的就是它能提供75Mbit/s的速率，能提供50km的覆蓋范圍。那么，WiMAX究竟有沒有這么大的覆蓋能力，這可能是許多人心中的疑問。本文從鏈路預算的角度出發(fā)，分別對WiMAX的兩個主流標準IEEE802.16d和IEEE802.16e的覆蓋能力進行分析。

一、鏈路預算

鏈路預算是無線網(wǎng)絡規(guī)劃的基本工具，通過鏈路預算，我們可以預測小區(qū)的覆蓋半徑。鏈路預算通過對搜集到的發(fā)射機和接收機之間的設備參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)及各種裕量進行處理，得到滿足系統(tǒng)性能要求時允許的最大路徑損耗，利用鏈路預算得出的最大路徑損耗和相應的傳播模型可以計算出特定區(qū)域下的覆蓋半徑。下面將對基于IEEE802.16d和IEEE802.16e兩種標準的網(wǎng)絡進行鏈路預算。

1．系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)參數(shù)主要包括系統(tǒng)帶寬、工作頻率、抽樣頻率等�？紤]到WiMAX帶寬靈活性強和頻段不固定的特點，本文將以其中的一種配置為例來分析，對于IEEE802.16d，本文以3.5GHz頻段、3.5MHz帶寬為例。對于IEEE802.16e，本文以2.5GHz頻段、10MHz帶寬為例，具體參數(shù)如表1和表2所示。

表1系統(tǒng)配置

表2OFDM參數(shù)表

2．接收機靈敏度

接收機靈敏度是指接收機輸入端為保證信號能成功的監(jiān)測和解調(diào)(或保持所需要的FER)所需要的業(yè)務信道的最小輸入功率電平。IEEE802.16d標準中給出了接收機靈敏度計算的參考方法。

IEEE802.16e標準中也給出了接收機靈敏度的計算方法建議。

SNRRx隨著不同的調(diào)制編碼方式而變化，規(guī)范建議SNRRx的取值由表3、4給出。

與802.16d相比，802.16e中采用了重復技術(shù)，這是有增益的。

表3IEEE802.16d不同調(diào)制編碼方式下的SNR值

表4IEEE802.16e不同調(diào)制編碼方式下的SNR值

3．儲備裕量

（1）陰影衰落儲備

由于存在陰影衰落的影響，為了保證一定的覆蓋概率，必須保留一定的陰影衰落裕量，其大小與陰影衰落標準方差和覆蓋概率有關(guān)。在實際工程中，一般以75％的邊緣覆蓋概率為目標，它對應的區(qū)域覆蓋概率為90％，標準差σ一般取值為5～12dB，宏蜂窩一般取8dB，因此這里σ取8dB，由此可以計算出陰影衰落儲備為5.39dB。

（2）快衰落儲備

快衰落儲備是為功率控制預留的功率裕量，功率控制可以在一定程度上抵抗快衰落，因此需要給功控預留功率裕量。由于802.16d中沒有閉環(huán)功控措施，只有簡單的初始測距，802.16d又是固定接入，因而不需要預留快衰落儲備。而在802.16e網(wǎng)絡中，由于終端可以移動接入，而移動會帶來一定的衰落，通過功控可以彌補這個衰落，因此需要給功控留一定的裕量，但是由于802.16e網(wǎng)絡功控的頻率比較低，所以不需要預留太多的快衰落儲備，這里取2dB。

（3）干擾儲備

與GSM系統(tǒng)類似，WiMAX網(wǎng)絡存在小區(qū)間的鄰頻和同頻干擾，干擾的大小與站距的大小、頻率的規(guī)劃、天線的朝向等因素有關(guān)，為了使小區(qū)內(nèi)干擾嚴重的區(qū)域能正常通信，就要留一部分裕量。如果頻率復用模式為1/3/1，上行預留干擾儲備3dB，下行2dB；如果頻率復用模式為1/3/3,干擾儲備可以減小為0.2dB，但是這樣會帶來頻譜效率降低的后果。

4．傳播模型的選擇

在3.5GHz頻段，常用的傳播模型有SUI模型、Cost-231Hata模型、ECC-33模型等。相關(guān)文獻曾經(jīng)對三種模型做過測試研究，得出以下結(jié)論：SUI模型所預測的中值路徑損耗的誤差最大，一般都過大地預測了中值路徑損耗，該模型需要通過進一步的參數(shù)優(yōu)化來適用于3.5GHz頻段；Cost-231Hata模型也過大地預測了中值路徑損耗，尤其當天線高度比較高時，隨著終端天線高度的增加，該模型越來越不適用于3.5GHz頻段。因此，這兩個模型需要進一步地優(yōu)化來適用于3.5GHz頻段。而ECC-33模型則與測試結(jié)果保持了比較好的一致性，因此ECC-33模型可以用作3.5GHz頻段的傳播模型。但是由于ECC-33模型對于郊區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)沒有修正因子，因而建議只作為一般市區(qū)環(huán)境的傳播模型。在2.5GHz頻段，通常采用Cost-231 Hata模型。本文就以Cost-231 Hata模型來預測覆蓋半徑，鏈路預算如表5。

表5鏈路預算

二、覆蓋分析

1．IEEE802.16d覆蓋分析

通過上一節(jié)的分析，我們可以看出802.16d下行鏈路的總增益(QPSK1/2)為152.7dB，如果不考慮儲備，在視距傳輸?shù)那闆r下，假設CPE天線高度為10m，基站天線高度40m，用ECC-33模型預測的小區(qū)半徑為9.09km，如果考慮了9.6dB的儲備，計算出來的小區(qū)半徑為5.72km；對于非視距環(huán)境，考慮10dB的穿透損耗，系統(tǒng)允許的最大路徑損耗為135.1dB，預測小區(qū)半徑為2.99km。表6給出了不同調(diào)制編碼方式下的小區(qū)半徑預測情況。

上行鏈路的總增益(QPSK1/2，1/8子信道化)為152.7dB，如果不考慮儲備和視距傳輸?shù)那闆r，假設CPE天線高度為10m，基站天線高度40m，用ECC-33模型預測的小區(qū)半徑為9.11km。如果考慮了10.6dB的儲備，計算出來的小區(qū)半徑為4.74km；對于非視距環(huán)境，考慮10dB的穿透損耗，系統(tǒng)允許的最大路徑損耗為132.1dB，預測小區(qū)半徑為2.44km。表7給出了不同調(diào)制編碼方式下的小區(qū)半徑預測情況。

顯而易見，上行鏈路的最大允許路徑損耗比下行鏈路小10個dB，從而使上行覆蓋半徑遠小于下行鏈路。為了解決這個問題，使上下行鏈路平衡，WiMAX在上行鏈路采用了子信道化技術(shù)，來彌補上行鏈路的覆蓋不足。表8給出了子信道化的增益。

2．IEEE802.16e覆蓋分析

通過上面的分析我們可以看出，802.16e下行鏈路的總增益(QPSK1/2)為148.67dB，如果不考慮儲備視距傳輸?shù)那闆r下，假設終端天線高度為1.5m，基站天線高度32m，用COST-231模型預測的小區(qū)半徑為1.70km，如果考慮了9.6dB的儲備，計算出來的小區(qū)半徑為0.90km。

對于非視距環(huán)境，考慮10dB的穿透損耗，系統(tǒng)允許的最大路徑損耗為129.11dB，預測小區(qū)半徑為0.47km。表９給出了不同調(diào)制編碼方式下的小區(qū)半徑預測情況。

上行鏈路的總增益(QPSK1/2,1/16子信道化)為148.41dB，如果不考慮儲備和視距傳輸?shù)那闆r，假設終端天線高度為1.5m，基站天線高度32m，用COST-231模型預測的小區(qū)半徑為1.67km，如果考慮了9.6dB的儲備，計算出來的小區(qū)半徑為0.83km；對于非視距環(huán)境，考慮10dB的穿透損耗，系統(tǒng)允許的最大路徑損耗為126.8dB，預測小區(qū)半徑為0.43km。表10給出了不同調(diào)制編碼方式下的小區(qū)半徑預測情況。

3．WiMAX與3G覆蓋能力比較分析

從前面的鏈路預算結(jié)果來看，對于基站側(cè)，802.16d的發(fā)射功率比3G的大，802.16e的發(fā)射功率與3G相比相差不大；從接收機來看，由于3G采用了擴頻技術(shù)，不論是802.16d還是802.16e的靈敏度都比3G系統(tǒng)的低，802.16d的終端可以采用定向天線，可以獲得比較大的增益。對于傳播頻段，WiMAX的頻段高于3G頻段，因此，在傳播環(huán)境方面，WiMAX也沒有太大的優(yōu)勢。

然而，WiMAX從誕生之日起就號稱能覆蓋幾十公里，具有很強的覆蓋能力。通過本文的分析可知，這樣的覆蓋能力只能針對802.16d了，802.16d由于終端采用定向天線，并且終端可以掛得很高（可以高達10m以上），能夠視距傳輸，正是這些條件使得WiMAX有著很強的覆蓋能力。如果說802.16d的覆蓋能力與3G的覆蓋能力還有優(yōu)勢的話，那么802.16e的覆蓋能力就沒有什么優(yōu)勢可言了。

表6 IEEE802.16d下行鏈路小區(qū)半徑預測

表7 IEEE 802.16d上行鏈路小區(qū)半徑預測

表8 子信道化增益

表9 IEEE 802.16e下行鏈路小區(qū)半徑預測

三、結(jié)論

本文從鏈路預算的角度分析了WiMAX的覆蓋能力。通過分析可以看出，WiMAX號稱能覆蓋幾十公里是沒有什么實際意義的，與3G技術(shù)相比，固定WiMAX由于終端可以采用定向天線，并且可以掛得很高，能夠視距傳輸，可以有較遠的覆蓋距離；而移動WiMAX的覆蓋能力與3G技術(shù)相比，并沒有什么優(yōu)勢。