LMDS系統(tǒng)應(yīng)用中幾個熱點(diǎn)問題的分析

大唐電信科技股份有限公司無線通信公司 魏忠和　總工程師

　　LMDS（26GHz）系統(tǒng)自1998年開始進(jìn)入中國市場，歷經(jīng)兩年多的技術(shù)試驗(yàn)階段后，終于完成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和頻率規(guī)劃的制定，并于2002年開始進(jìn)入了商用試驗(yàn)階段。目前，信息產(chǎn)業(yè)部電信管理局已批準(zhǔn)了中國移動、中國聯(lián)通、中國電信和中國網(wǎng)通四個運(yùn)營商開展26GHz LMDS接入網(wǎng)業(yè)務(wù)的運(yùn)營許可，信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局正在為上述四個運(yùn)營商各自上報的第一批開展商用試驗(yàn)的城市分配頻率資源。26 LMDS系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用即將拉開序幕。

　　26頻段頻譜資源豐富，按FDD雙工方式規(guī)劃的LMDS工作頻率范圍為24450--27000MHz，其中，可用帶寬為：1008MHz×2，可采用的波道配置有4種方案，其基本信道間隔為3.5MHz、7MHz、14MHz和28MHz。工作在26GHz的LMDS系統(tǒng)相對低頻段無線接入系統(tǒng)而言自然其接入帶寬大是其重要的特點(diǎn)，系統(tǒng)的主流技術(shù)均是以支持綜合業(yè)務(wù)接入為設(shè)計目標(biāo)，當(dāng)前，LMDS系統(tǒng)空中接口協(xié)議沒有也難以形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計者從不同的視角和性能價格比的權(quán)衡中設(shè)計了各具差異性的LMDS產(chǎn)品，在一定程度上給運(yùn)營商的技術(shù)選擇帶來些困惑，實(shí)際上選擇本身就是一種權(quán)衡的過程，任何事物都有一定的兩面性，從單一視角看問題往往是片面的，本文針對LMDS系統(tǒng)的幾　　個熱點(diǎn)問題開展分析以供參考。

　　一、雨衰及可用性

　　影響LMDS系統(tǒng)可用性的因素：

　　設(shè)備的可靠性（取決于設(shè)備的質(zhì)量和所提供的冗余度）

　　為LMDS系統(tǒng)供電的外部電源系統(tǒng)的可靠性

　　反常傳播（凈空衰落和降水）

　　維護(hù)組織的有效性

　　由人為干擾引起的意外中斷

　　其他干擾

　　在評估系統(tǒng)可用性時，設(shè)備可靠性和反常傳播是主要的關(guān)注因素。

　　2、設(shè)備對系統(tǒng)不可用性的影響：

　　設(shè)備的可靠性通常用"平均故障間隔時間"MTBF來表征，在評估設(shè)備對系統(tǒng)不可用性影響時，還需考慮維護(hù)組織的有效性及設(shè)備的可維護(hù)性水平，他們決定了當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時所需的平均修復(fù)時間（用MTTR表征）的長短，以大唐無線通信公司的R3000 LMDS系統(tǒng)為例，說明由于設(shè)備特性所引入的不可用性指標(biāo)如下：

　　MTBF=20萬小時

　　MTTR=2小時（因LMDS系統(tǒng)應(yīng)用于城市環(huán)境，交通方便，基站各部件可熱插拔，CPE按模塊化設(shè)計，網(wǎng)管系統(tǒng)完善）則設(shè)備的不可用性=[100-（MTBF×100/MTBF+MTTR）]×100%=0.1%

在R3000 LMDS系統(tǒng)中，基站是有冗余設(shè)計的（主控板、ATM復(fù)用板、電源系統(tǒng)、調(diào)制單元、上下變頻單元及ODU均可按1+1或N+1冗余配置）。但在所有點(diǎn)對多點(diǎn)的LMDS系統(tǒng)產(chǎn)品中，這些冗余設(shè)計均是有損傷切換的，對可用性的改善度主要體現(xiàn)在MTTR中，冗余對外部饋電系統(tǒng)故障及雨衰中斷不起任何作用。

3、反常傳播對可用性的影響：

（1）阻擋衰落：

　　阻擋衰落是指由于電波傳播路徑不滿足余隙標(biāo)準(zhǔn)而帶來的附加衰減，在LMDS系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境下，造成余隙不夠的主要因素是建筑物阻擋，例如：在26GHz頻段，2Km路徑按0.6F1（F1：第一菲涅爾區(qū)半徑）設(shè)計，在路徑中點(diǎn)的余隙應(yīng)大于或等于2.4米，這個余隙標(biāo)準(zhǔn)不僅針對從建筑物頂部電波穿越時要得到保證，而且包括從建筑物邊緣（樓間）穿越時也應(yīng)有足夠的余隙。

　　當(dāng)余隙小于0.6F1時將出現(xiàn)阻擋衰減，衰減的大小取決于余隙的尺寸和阻擋物的物理形狀，阻擋衰減勢必使衰落儲備降低，雖然在LMDS系統(tǒng)應(yīng)用中由于空中傳輸距離較小，平衰落引起的中斷問題可以不予考慮，但衰落儲備的降低必定使降雨帶來的不可用性指標(biāo)惡化，在LMDS系統(tǒng)傳輸設(shè)計和工程實(shí)施中應(yīng)引起足夠重視。

（2）多徑衰落：

　　由于工作在26GHz的LMDS系統(tǒng)大多是在城市環(huán)境中應(yīng)用，傳輸距離短，建筑物對26GHz頻率的信號反射衰減較大（約20dB以上），因此，多徑引起的衰落現(xiàn)象對不可用性指標(biāo)帶來的影響很小，可以不予考慮。

（3）降雨衰減：

　　由于LMDS系統(tǒng)工作在26GHz頻段，其波長與雨滴尺寸相近，因此，由于降雨對電波引起的吸引和散射將使信號經(jīng)受衰減，這種衰減呈現(xiàn)非選擇性能和緩慢的時變特性，是導(dǎo)致信號劣化，影響系統(tǒng)可用性的主要因素，國際電信聯(lián)盟對降雨的影響已進(jìn)行了深入研究，在ITU-R P.837建議中，將地球分為15個降雨氣候區(qū)，分別以大寫字母A到Q來表示，每一降雨區(qū)是以與它相關(guān)的降雨強(qiáng)度統(tǒng)計來表證，并給出了對應(yīng)不同降雨強(qiáng)度所發(fā)生的時間概率。遵照ITU-R P.838建議，可以針對工作頻率、極化和降雨率計算比衰減（dB／Km）和有效路徑長度（這是考慮到在整個傳輸段長度上降雨強(qiáng)度不是均勻分布的緣故），進(jìn)而可以針對衰落儲備值Ft計算出在一定傳輸距離下，降雨衰減超出Ft的時間百分?jǐn)?shù)P，或反之，根據(jù)雨衰特性及Ft求出在保證P值一定的情況下可用的通信距離是多少。必要時，還可以根據(jù)在ITU-R P.841建議，從長期百分?jǐn)?shù)P變換到最壞月份百分?jǐn)?shù)Pu。

　　在考慮LMDS因雨衰引起的不可用性指標(biāo)時，時間百分?jǐn)?shù)P即為不可用性指標(biāo)。

　　4、關(guān)于LMDS系統(tǒng)不可用性分析：

　　由上述分析可以看出，LMDS系統(tǒng)的不可用性主要是降雨引起的，在26GHz頻段不能簡單的因雨衰的影響就做出使用LMDS系統(tǒng)將面臨極大運(yùn)營風(fēng)險的結(jié)論，下面幾點(diǎn)分析可供參考：

　　 （1）根據(jù)ITU-R提供的雨區(qū)分布圖，我國雨衰較大的地區(qū)主要集中在廣東、廣西、福建、浙江等沿海地區(qū)，其他大部分地區(qū)因降雨引起的不可用性是可以承受的，如果保證可用性指標(biāo)達(dá)到99.99%，在北方及中西部地區(qū)通信距離可達(dá)到2-5Km左右，在南方多雨地區(qū)可達(dá)到0.5-2Km，如果可用性指標(biāo)降低到99.9%，達(dá)到中等質(zhì)量的應(yīng)用水平，LMDS系統(tǒng)覆蓋范圍還可進(jìn)一步得到改善。

（2）保證足夠的衰落儲備是提高可用性的重要條件之一。決定衰落儲備大小的主要因素有最大發(fā)信功率，收發(fā)天線增益，接收機(jī)的門限電平（BER=10-3）及空間傳輸損耗等，前三項(xiàng)因素是所選擇設(shè)備的固有特性決定的，但在發(fā)信功率、接收門限一定條件下盡量選擇高增益天線是有益的�？臻g傳輸損耗除自由空間傳輸損耗外，應(yīng)盡量通過設(shè)計和施工確保不再增加阻擋衰減的成分，在同一地區(qū)，選擇不同廠家的設(shè)備，以及不同的工程服務(wù)支持能力，在相同的距離上將會有不同的可用性指標(biāo)出現(xiàn)，這是值得使用LMDS系統(tǒng)的運(yùn)營商注意的一個問題。

　�。�3）關(guān)于ATPC（自動發(fā)信功率控制）

　　ATPC技術(shù)本身主要是為了解決系統(tǒng)間干擾及雨衰兩個互相矛盾的問題而設(shè)計的，LMDS系統(tǒng)是點(diǎn)對多點(diǎn)通信系統(tǒng)，在一個扇區(qū)內(nèi)，不同的用戶終端與基站距離不同，在同一基站范圍內(nèi)最好的設(shè)計是所有扇區(qū)及一個扇區(qū)內(nèi)的所有遠(yuǎn)端站達(dá)到基站接收機(jī)的收信電平相近，這樣可減少扇區(qū)之間或同一扇區(qū)由不同遠(yuǎn)端站引入的相互干擾，因此需要系統(tǒng)具備ATPC功能，而在考慮同城域不同基站之間的干擾時，希望各基站在保證必要的誤碼特性條件下（BER=10-9），盡量降低發(fā)信功率，那么，這勢必使每段電路的衰落儲備降低，在出現(xiàn)一般降雨時，不可用性指標(biāo)就已開始劣化。因此，兼顧雨衰而引起的不可用性，在系統(tǒng)設(shè)計時采用了ATPC技術(shù)，使隨著雨衰的增加和誤碼性能的惡化，系統(tǒng)自動調(diào)整發(fā)信功率，直到最大發(fā)信功率為止，從而解決了前述所說明的矛盾問題。由于雨衰而導(dǎo)致的不可用性是由最大發(fā)信功率決定的，因此ATPC并不會對系統(tǒng)可用性指標(biāo)帶來改善。

　　二、 關(guān)于調(diào)制方式：

　　多數(shù)LMDS系統(tǒng)產(chǎn)品采用QPSK（或4QAM）和16QAM自適應(yīng)調(diào)制方式，部分產(chǎn)品僅使用QPSK（或4QAM）一種調(diào)整方式，大唐無線通信公司的R3000 LMDS系統(tǒng)采用了QPSK和16QAM自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)及RS前向糾錯，接收機(jī)門限在BER=10-9時分別是－77dBm／１６ＱＡＭ和－８３.３dBm／ＱＰＳＫ，兩種調(diào)制方式在系統(tǒng)參數(shù)相同的情況下，衰落儲備差6.3dB，有人認(rèn)為從抗雨衰能力的角度出發(fā)，16QAM技術(shù)并不可取，這種看法是片面的，因?yàn)�，對一個特定的降雨區(qū)要求可用性指標(biāo)達(dá)到99.99%時，最大通信距離必然是按QPSK調(diào)制方式下估算的，如果同樣在這個距離上使用16QAM調(diào)制方式時，可用性指標(biāo)將劣化到95%，這就意味著LMDS系統(tǒng)可以在95%的時間內(nèi)可以工作在16QAM方式下，也就是在95%的時間內(nèi)在14MHz帶寬上可傳輸16Mbps速率信號，僅在5%的時間段因降雨調(diào)整到QPSK方式下工作，此時，在14MHz帶寬上僅可傳輸16Mbps速率信號，相比之下，單純采用QPSK（或４ＱＡＭ）調(diào)制方式的系統(tǒng)，在同樣距離上９９.９９％的時間，在１４MHz帶寬上，都只能傳輸１６Mbps速率信號，兩者的優(yōu)劣自然是十分清楚的。當(dāng)然上面在１６ＱＡＭ方式下的可用性數(shù)據(jù)僅是一個設(shè)計期望值，實(shí)際情況會因不同氣候區(qū)而異，大唐無線通信公司的Ｒ３０００�。蹋停模酉到y(tǒng)１６ＱＡＭ與ＱＰＳＫ自適應(yīng)轉(zhuǎn)換的判決區(qū)間是ＳNR ＝（１６-２５） dB。 在考慮到１６ＱＡＭ與ＱＰＳＫ兩種調(diào)制方式下，傳輸速率相差一倍的因素時，凡具有這種性能的ＬＭＤＳ系統(tǒng)對用戶業(yè)務(wù)的ＱＯＳ保證應(yīng)有相應(yīng)的策略。有的ＬＭＤＳ系統(tǒng)設(shè)計時， 規(guī)定了一個載波允許ＩＰ業(yè)務(wù)應(yīng)用的帶寬上限，其他帶寬用于最高優(yōu)先級的專線業(yè)務(wù)，有的ＬＭＤＳ系統(tǒng)設(shè)有安排ＩＰ業(yè)務(wù)的帶寬上限，在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時需要小心，即當(dāng)以專線業(yè)務(wù)為主的應(yīng)用時，其可用帶寬應(yīng)以ＱＰＳＫ方式下的傳輸速率為依據(jù)，或當(dāng)即有專線業(yè)務(wù)，又有ＩＰ業(yè)務(wù)時，可以在一個載波上，按ＱＰＳＫ條件下安排一定的專線業(yè)務(wù)帶寬，在１６ＱＡＭ條件下，按ＣＯＳ等級為不同用戶的ＩＰ業(yè)務(wù)分配帶寬，如果專線業(yè)務(wù)帶寬不足，或承諾帶寬業(yè)務(wù)較多時，可通過增加扇區(qū)載波數(shù)量的方法予以解決。當(dāng)然，在不同降雨區(qū)，業(yè)務(wù)帶寬分配策略可以靈活運(yùn)用。

　　在合理的安排策略下，在降雨期間，隨降雨強(qiáng)度的逐漸增加，ＩＰ業(yè)務(wù)將會根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級的設(shè)置自動調(diào)整其吞吐量，而專線業(yè)務(wù)帶寬仍會得到保證，但誤碼性能會逐漸變差，直到因降雨強(qiáng)度過大，因ＳNR惡化到ＱＰＳＫ門限以下，則所有業(yè)務(wù)將會中斷。

　　三、關(guān)于載波帶寬的選擇：

　　根據(jù)YD/T 1186-2002《接入網(wǎng)技術(shù)要求-26GHz LMDS本地多點(diǎn)分配系統(tǒng)》的規(guī)定，LMDS系統(tǒng)的載波帶寬可以選擇3.5MHz、7MHz、14MHz和28MHz，選擇哪種載波帶寬主要是根據(jù)業(yè)務(wù)需要而定，不同的載波帶寬除了可支持業(yè)務(wù)的能力不同外，還會影響到傳輸性能上的差異及制造成本上的不同，運(yùn)營商可以根據(jù)實(shí)際需要從多個方面進(jìn)行權(quán)衡。以14MHz和28MHz兩種載波帶寬進(jìn)行比較時，如果兩個產(chǎn)品均在QPSK調(diào)制方式下比較，14MHz可支持16Mbps傳輸凈速率，而28MHz可支持32Mbps傳輸凈速率，若在16QAM方式下比較，則14MHz可支持36Mbps傳輸凈速率，28MHz可支持52Mbps傳輸速率，當(dāng)單個遠(yuǎn)端站接口需要的業(yè)務(wù)速率高于40Mbps時，當(dāng)然采用28MHz/16QAM方式的產(chǎn)品是合適的，但值得注意的是，如果載波帶寬采用28MHz，但只能工作在QPSK方式下，那么14MHz/16QAM與28MHz/QPSK兩者在業(yè)務(wù)速率上是相同的，在14MHz/16QAM和28MHz/QPSK兩種方式上權(quán)衡可以考慮的因素大致如下：

　　1、與可用性相關(guān)的接收機(jī)門限：

　　在數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)中，門限比特差錯率（BER=10-3）條件下，歸一化信噪比Eb/No 16QAM要比QPSK差約7dB，那么，在接收機(jī)噪聲系數(shù)和噪聲帶寬相同情況下，16QAM調(diào)制方式比QPSK調(diào)制方式的接收機(jī)門限電平要惡化約7dB。如果用16QAM@14MHz與QPSK@28MHz兩者比較，在相同的接收機(jī)噪聲系數(shù)下，后者的噪聲帶寬增加了一倍，因此兩者的接收機(jī)門限僅差約4dB，這也就是說，當(dāng)考慮采用QPSK以適應(yīng)雨衰引起的不可用性問題，再將占用帶寬提高一倍以提高傳輸速率的權(quán)衡設(shè)計中，實(shí)際上付出了接收機(jī)門限比QPSK@14MHz方式惡化了3dB的代價，與16QAM@14MHz方式相比對抗雨衰性能上的改善并不十分明顯，這種情況下，只有在采用QPSK@28MHz方式的同時，發(fā)信功率相應(yīng)比16QAM@14MHz系統(tǒng)再提高3dB才是有意義的。

　　2、16QAM@28MHz方式的選擇：如果選用28MHz載波帶寬，采用QPSK/16QAM自適應(yīng)調(diào)制方式開展設(shè)計，那么，QPSK@28MHz方式前述已做過說明，16QAM@28MHz方式，顯然又比16QAM@14MHz方式接收機(jī)門限惡化了3dB，如果LMDS系統(tǒng)在16QAM/14MHz方式下接收機(jī)門限為－77dBm的話，那么16QAM/28MHz方式下接收機(jī)門限僅為－74dBn，與QPSK@14MHz相比接收機(jī)門限有近10dB的差距，這在沿海地區(qū)LMDS系統(tǒng)應(yīng)用的抗雨衰特性帶來嚴(yán)重威脅。

　　16QAM@28MHz在內(nèi)陸地區(qū)雨衰不十分嚴(yán)重的環(huán)境下是可以考慮采用的，因?yàn)樵谶@種方式下，單載波可支持52Mbps接入速率，對于大客戶要求一個端口接入速率大于40MHz的應(yīng)用是有利的，但在目前運(yùn)營商的業(yè)務(wù)需求中，這種單端口要求如此高帶寬的情況并不多見。

　　3、單載波28MHz帶寬與頻譜規(guī)劃的關(guān)系：

　　在LMDS系統(tǒng)商用試驗(yàn)期間，運(yùn)營商可獲得的頻率資源約2×56MHz，隨著業(yè)務(wù)擴(kuò)展，頻率資源不足時獲得2×112MHz資源的條件是有可能達(dá)到的，在2×56MHz可用帶寬條件下，基站扇區(qū)之間及小區(qū)之間的頻譜規(guī)劃可以有兩種方式：

　　載波帶寬14MHz的頻譜規(guī)劃：

　　將56MHz帶寬分為4個載頻F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，將4個載頻分為2個載頻組，即F1F3或F2F4，相鄰扇區(qū)采用不同載頻組。在一個基站內(nèi)載頻組可以復(fù)用。

　　載波帶寬28MHz的頻譜規(guī)劃：

　　56MHz帶寬只能支持2個載頻工作，相鄰扇區(qū)采用不同載頻，在一個基站內(nèi)載頻可以復(fù)用。

　　在頻譜規(guī)劃方面，到底采用14MHz載波好些，還是采用28MHz載波好些，一個直觀的評估是，28MHz載波帶寬其接收機(jī)濾波器的噪聲帶寬必然比14MHz載波帶寬其接收機(jī)濾波器的噪聲帶寬要大一倍，無論在抗同頻干擾，還是抗鄰頻干擾的能力上必然也要差，根據(jù)國外一些知名公司的研究報告分析，在LMDS系統(tǒng)的頻譜規(guī)劃中，為了解決同城域不同運(yùn)營商之間的鄰頻干擾問題，建議兩個運(yùn)營商在相鄰載頻上，各自留出14MHz的保護(hù)帶以支持28MHz載頻帶寬的業(yè)務(wù)應(yīng)用，這就充分說明了應(yīng)用28MHz載頻帶寬對頻譜規(guī)劃所帶來的影響。

　　當(dāng)然，在保證門限電率惡化1dB的條件下，同頻信干比與鄰頻信干比的指標(biāo)是與制造商的發(fā)射頻譜及接收濾波器指標(biāo)密切相關(guān)的，針對每個制造商的LMDS產(chǎn)品實(shí)際測試指標(biāo)去進(jìn)行頻譜規(guī)劃設(shè)計才是可靠的。

結(jié)束語：

　　LMDS寬帶無線接入系統(tǒng)在解決城域網(wǎng)中大客戶接入、商住大樓、駐地網(wǎng)接入及移動通信傳送網(wǎng)的項(xiàng)目中，有廣泛的應(yīng)用前景，但由于其技術(shù)具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，通過一篇文章難以覆蓋更多熱點(diǎn)問題的討論，比如空中接口是采用ATM方式還是采用IP或PCM方式，TDMA與FDMA比較哪種方式頻譜率更高，LMDS系統(tǒng)動態(tài)帶寬分配的能力到是如何保證的？如何設(shè)計LMDS系統(tǒng)商業(yè)運(yùn)營模式等等諸多問題，大唐無線公司的研究人員將會陸續(xù)發(fā)表相關(guān)文章供廣大用戶參考。

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