天地共网WiMAX系统性能分析

WiMAX是现今比较热的宽带无线接入技术，随着国际电联(ITU)接受其成为3G标准之一，WiMAX将得到新的发展机遇与应用空间。WiMAX标准中提出了的大容量、高带宽、支持固定与移动应用，运营商们对此技术寄予厚望，并已开始陆续建设地面的实验/商用网络。但各种地面无线网络因为受地理环境、频谱资源、站点高度等因素限制，至今仍不能满足全覆盖、高带宽的要求。

为了解决上述问题，ITU曾提出过相关建议：将HAPs置于20km的平流层中，提供3G等宽带接入服务。所谓平流层通信，指的是利用位于平流层的飞艇、气球等承载工具作为安置平台，在其上搭载高空基站(HAP)的通信方式。HAP一般距离地面17～22km，可以实现单站上千平方公里的覆盖面积。这不仅减少了全网基站数量，而且解决了现有地面网络无法覆盖地域的有效覆盖。由于地面无线基站密度过高、频率资源也很稀缺，所以天地一体化部署基站、使用同频组网的技术，对于实际应用尤为重要。那么，将平流层通信与WiMAX结合起来，是否可行呢？

对于WiMAX来说，地面建网与基于平流层建网各有优势。采用平流层基站(H-BS)部署的WiMAX网络，由于其基站高度更高，覆盖更广，可以有效减少基站数量，并保证大部分情况下的视距(LOS)条件通信。而相比卫星通信来说，H-BS因距地面较近，空间损耗更小，其所需的发射功率也小很多。另一方面，H-BS比T-BS (地面基站)覆盖范围大得多，也没有建筑物、树木遮档等非视距(NLOS)条件引起的衰落大。因此，在2-11GHz频段内，天地共网的WiMAX系统即可用于视距通信也可用于非视距通信。在城市，我们用地面建网方式保证热点区域容量；而在人烟稀少的地区，用平流层建网方式保证大面积覆盖。天地共网，互为补充，是WiMAX系统普及应用的重要途径。

本文讨论当平流层WiMAX基站与地面WiMAX基站的覆盖区域相互独立或有重叠两种情况下，基站间的相互影响及下行链路性能指标。这种影响由多种因素共同作用产生：如基站发射功率、天线波束带宽、地面热噪声、传播模型等等。为保证系统性能，需要对WiMAX HAPs下行功率进行控制，以减少对WiMAX系统中地面基站的干扰。通过本文实验结果，可得出以下结论：通过相应手段，天地共网的WiMAX基站可以使用同一频段对某一区域进行分层覆盖。

本文分别讨论基本系统参数及传播模型、评估不同条件下的系统性能，并介绍H-BS与T-BS覆盖区域之间距离固定情况下的相互干扰，通过对基站下行链路的载噪比 (CNR)、载波干扰噪声比(CINR)和干噪比 (INR)的比较，对系统性能做深入分析，还通过H-BS与T-BS覆盖区间距变化时三个参数的对比，讨论WiMAX天地共网的可行性，最后介绍如何通过对H-BS下行功率进行控制来改善网络性能。

系统参数与模型

我们设定的实验环境包括一个T-BS，一个H-BS，及一个测试接收站。T-BS与H-BS的覆盖区间距固定。我们定义H-BS与T-BS覆盖区间距为T-BS覆盖区右侧边缘到H-BS覆盖区左侧边缘间的距离，具体网络部署情况见图1。

 

图1：T-BS，H-BS及单个测试站的WiMAX系统网络配置。

H-BS天线增益为，为测试站到H-BS联线与H-BS垂线间夹角。测试站天线增益为，为来波方向与测试站天线焦线间的夹角。与功率滚降系数n成余弦函数关系。增益具体值可由公式(1)(2)得出。H-BS高度为17km。T-BS，H-BS均工作于3.5GHz频段。

 

 

式中GH与GU分别表示H-BS天线及测试站天线0度角增益。nH和nU分别表示两种天线的主瓣功率滚降因子。Sf表示天线第一副瓣最大增益，单位为dB，H-BS天线由于主瓣很宽，因此副瓣影响乎略不计。

为改善H-BS覆盖区边缘性能，本实验中H-BS选用10dB滚降的方向性天线。天线焦线指向H-BS地面投影中心点，覆盖区域为标准圆形，接收电平低于中心点10dB的一圈定义为覆盖区域边缘。即=(参见图2)

 

图2：B点的干扰来自H-BS，A点的干扰来自T-BS。

H-BS下行链路损耗按自由空间损耗模型计算：

 

H-BS的高度与T-BS相比大很多，因此，不考虑H-BS信号的衍射及阴影效应。

基于地面部署的WiMAX系统，其典型的基站覆盖半径是7km，基站初始发射功率一般为40dBm。考虑到WiMAX系统可用频段为2-11GHz，(目前国际通行为3.5GHz)，而人们常用的Hata-Okumura 无线传播模型更适用于2GHz以下的频段，因此，本文采用郊区路损模型来计算WiMAX系统空间损耗PLT。计算公式如下：

 

PLT由3部分组成：正常空间损耗PLM，接收天线高度修正因子，频率修正因子。其中PLM由AT&T模型给出。IEEE802.16标准中，根据天线高度及工作频段，使用，两个因子对PLM进行修正。另外根据SUI模型的定义，采用T-BS地面WiMAX系统的空间损耗又分为A，B，C三类。本文使用C类模型(平原/低植被覆盖区域)作为T-BS的损耗模型。

其他系统参数的定义见表1：

 

表1

 系统容量估算

分A，B两种情况(见图2)来讨论系统容量。

A：测试点与H-BS通信时受到T-BS的干扰

此时系统性能主要受下行链路CNR，CINR，INR影响。而这三个比值分别由下列公式计算得出：

 

 

 

式中，PH和PT分别表示H-BS，T-BS的初始发射功率，NF是白噪声电平，AT是T-BS基站天线增益。测试站天线指向H-BS，此时，θ=0，φ符合COS函数关系，PLH与PLT表示线性空间损耗值。

我们一般用INR来评估系统间的干扰。按照ITU标准所要求，系统干扰电平分贝值应小于总噪声电平分贝值的10%，就是说INRthreshold=-10dB，即INR门限值为-10dB。如果超过了这一门限值，就意味着两基站不能在同一覆盖区使用同一频段。

B：测试站与T-BS通信，此时H-BS对其造成干扰

测试站与T-BS通信时，H-BS对其会产生干扰(详见图2)

此时CNR，CINR，INR用下列三个公式得出：

 

 

 

覆盖区距离固定时的系统性能分析

图3给出了H-BS与T-BS覆盖区内CNR值的累积分布函数(CDF)。按照前述条件，H-BS，T-BS均位于各自覆盖区的中心点，覆盖区边缘相距13km。通过图3中两条曲线我们看到：H-BS覆盖区内90%的区域CNR值都要好于T-BS覆盖区。由于采用了一些非视距(NLOS)通信技术，T-BS覆盖区边缘CNR均大于17dB，但基于平流层的H-BS，因为与用户站多为视距(LOS)通信，因此可得到更好的CNR值(均大于24dB)。

 

图3：H-BS，T-BS覆盖区CNR累积分布函数图。

CINR值测量结果见图4、图5。从图4中可看到CINRH等值线为均匀圆形，而CINRT等值线为不均匀圆形分布。因为T-BS与测试站间的链路受测试站天线旁瓣干扰影响较大。从图5中我们看到，在左侧覆盖区内，CINRT等值线向中心点收缩，这就是H-BS信号对测试站干扰造成的结果。由于H-BS信号进入了测试站天线主瓣区域内，在不考虑阴影效应影响条件下，这种干扰还是比较大的。而在T-BS覆盖区的右侧，CINRT等值线没有变化，因为此区间内H-BS信号仅影响测试站天线旁瓣，干扰相对就小很多。

通过对图4、图5的对比，得出结论是：在同样发射功率前提下，位于平流层的H-BS不易受T-BS的干扰，而反之位于地面的T-BS易受H-BS干扰。

 

图4：H-BS覆盖区受T-BS干扰时的CINRH等值线分布。

 

图5：T-BS覆盖区受H-BS干扰时CINRT等值线分布。

覆盖区边缘距离变化时的系统性能分析

为满足业务需求，网络结构会不断变化，基站调整、新站入网等因素都会影响到H-BS与T-BS覆盖区边缘距离的变化。在这种情况下，如何保证系统性能是天地共网WiMAX系统能否实现宽带接入无缝覆盖的关键。图6对这一情况做出了说明。我们设定最初H-BS与T-BS覆盖区边缘距离为40km，然后将T-BS覆盖区移向H-BS覆盖区，逐渐减少覆盖区边缘距离。当这一数值为负值时，说明两覆盖区出现了重叠。实验配置3个测试站，它们始终处于T-BS覆盖区左侧与右侧边缘及H-BS覆盖区左侧边缘。我们将对各覆盖区边缘的CNR，CINR，INR等值进行测量比较。

 

图6：覆盖区边缘性能比较。

当覆盖区边缘(EOC)间距大于0时，CINRH变化很小。但当T-BS覆盖区与H-BS覆盖区出现重叠后，CINRH快速衰落到0dB以下，这是因为处于H-BS EOC的测试站在此时与T-BS的距离远小于到H-BS的距离，而T-BS信号产生的干扰迅速增强。当T-BS覆盖区完全包含在H-BS覆盖区内后，H-BS EOC位置的CINRH值又会快速恢复到原来水平。对于T-BS来说，在EOC间距逐渐减少的过程中，其左侧EOC的CINRT值总是低于右侧EOC的CINRT值，直至EOC间距等于-7km，既T-BS正好处于H-BS的左侧EOC上。这是因为H-BS的信号进入到了位于T-BS左侧EOC的测试站的天线主瓣区，从而引起了较大干扰，造成了CINR值的下降。

在图8中，我们给出了INR的变化情况，当T-BS覆盖区完全处于H-BS覆盖区之外时，H-BS EOC处的INRH值始终低于INRthresho。当EOC间距减少时，T-BS左侧EOC处的INRT值增大，而右侧EOC处的INRT值则低于INRthreshold。

 

图8：H-BS 与T-BS EOC减少时INR值的变化情况。

 

图9：H-BS EOC处CINR值及H-BS引入功率控制后T-BS的最佳INR变化。

H-BS功率控制对天地共网系统性能的改善

降低H-BS的下行发射功率可以直接地减少H-BS对T-BS的干扰。为此，我们在固定发射功率PH定义之外引入功率调整因子△PH。我们定义T-BS左侧EOC处的INR值为INRT-L，右侧EOC处的INR值为INRT-R。通过比较得出最优与最差的INR值。

 

 

H-BS功率调整的最小值为

  

当H-BS发射功率为(PH+△PH)，(下文称之为受控PH)，INRT-worst等于INRthreshold，这样可保证INTT-best始终低于INRthreshold。下图表明了此时CINR值变化情况。

从图中可以看出，H-BS EOC处的CINRH较之图7中有所下降，但仍可保证大于15dB(EOC变化过程中T-BS的发射功率保持40dB不变)。

 

图7：H-BS与 T-BS EOC间距减少造成的CINR值变化曲线。

图10、图10一给出了H-BS引入功率控制机制后，CINRH及CINRT的测量结果。从图中可以看到两种最差情况：

(1)H-BS与T-BS的EOC距离为0km时

(2)H-BS与T-BS的EOC距离为-37km时

既H-BS与T-BS的某一侧EOC重合时，CINR值显著降低。

当H-BS与T-BS覆盖区邻近时，由于H-BS为减少INR而降低了发射功率，导致H-BS覆盖区内信噪比平均下降10dB。当T-BS覆盖区完全处于H-BS覆盖区内时，位于H-BS EOC处的用户CINR值并不是最差的，处于覆盖区重叠区域中与H-BS通信的用户CINR值最差，但当这些用户选择与T-BS通信后，其CINR值就可明显上升。

 

图10：H-BS 与T-BS EOC距离=0km，-37km时，CINRH累积分布函数。

上面的实验结果表明，H-BS引入功率控制机制后，完全可以实现与T-BS的同频段、同区域的覆盖。

 

图11：H-BS T-BS EOC距离=0km和EOC距离=-37km时，CINRT累积分布函数。

从图中可以看到，H-BS引入功率控制机制后，T-BS的CINRT明显改善。但是当EOC间距为-37km时，H-BS不进行功率控制，则T-BS覆盖区内有20%的区域CINR低于10dB；H-BS进行功率控制后，T-BS覆盖区全部区域CINR均大于15dB。而前面我们提到H-BS功率控制主要目的是保证对T-BS的干扰INR优于门限值。所以H-BS功率控制的做法可谓一举两得。

结论

利用平流层部署WiMAX基站的方案实现了半径超过30km的大区覆盖，实验结果表明，平流层WiMAX基站并可与地面WiMAX基站进行同频、邻区、同区组网。这一组网方式最少可保证T-BS 8dB的CINR冗余和H-BS的24dB冗余。在同频工作条件下，T-BS INR值低于门限10dB。H-BS引入功率控制机制后，可确保INR处于较低水平。如果以频率复用方式进行全网规划，INR值还可进一步降低。理论发展与科技进步日新月异，随着人们对宽带无线接入的需求不断增长，有理由相信在不久的未来，天地共网的WiMAX系统将成为现实。