针对WiMAX的两个主流标准的覆盖分析

针对WiMAX的两个主流标准的覆盖分析

近年来移动通信发展呈现数字化、宽带化的趋势，WiMAX作为一种宽带无线接入技术，从其诞生之日起，就备受人们的关注和争议。提到WiMAX，我们听到最多的就是它能提供75Mbit/s的速率，能提供50km的覆盖范围。那么，WiMAX究竟有没有这么大的覆盖能力，这可能是许多人心中的疑问。本文从链路预算的角度出发，分别对WiMAX的两个主流标准IEEE802.16d和IEEE802.16e的覆盖能力进行分析。

    一、链路预算

    链路预算是无线网络规划的基本工具，通过链路预算，我们可以预测小区的覆盖半径。链路预算通过对搜集到的发射机和接收机之间的设备参数、系统参数及各种裕量进行处理，得到满足系统性能要求时允许的最大路径损耗，利用链路预算得出的最大路径损耗和相应的传播模型可以计算出特定区域下的覆盖半径。下面将对基于 IEEE802.16d和IEEE802.16e两种标准的网络进行链路预算。

    1．系统参数

    系统参数主要包括系统带宽、工作频率、抽样频率等。考虑到WiMAX带宽灵活性强和频段不固定的特点，本文将以其中的一种配置为例来分析，对于 IEEE802.16d，本文以3.5GHz频段、3.5MHz带宽为例。对于IEEE802.16e，本文以2.5GHz频段、10MHz带宽为例，具体参数如表1和表2所示。





    表1系统配置






    表2OFDM参数表

    2．接收机灵敏度

    接收机灵敏度是指接收机输入端为保证信号能成功的监测和解调(或保持所需要的FER)所需要的业务信道的最小输入功率电平。IEEE802.16d标准中给出了接收机灵敏度计算的参考方法。

    IEEE802.16e标准中也给出了接收机灵敏度的计算方法建议。

    SNRRx随着不同的调制编码方式而变化，规范建议SNRRx的取值由表3、4给出。

    与802.16d相比，802.16e中采用了重复技术，这是有增益的。



    表3IEEE802.16d不同调制编码方式下的SNR值



    表4IEEE802.16e不同调制编码方式下的SNR值

    3．储备裕量

    （1）阴影衰落储备

    由于存在阴影衰落的影响，为了保证一定的覆盖概率，必须保留一定的阴影衰落裕量，其大小与阴影衰落标准方差和覆盖概率有关。在实际工程中，一般以75％的边缘覆盖概率为目标，它对应的区域覆盖概率为90％，标准差σ一般取值为5～12dB，宏蜂窝一般取8dB，因此这里σ取8dB，由此可以计算出阴影衰落储备为5.39dB。

    （2）快衰落储备

    快衰落储备是为功率控制预留的功率裕量，功率控制可以在一定程度上抵抗快衰落，因此需要给功控预留功率裕量。由于802.16d中没有闭环功控措施，只有简单的初始测距，802.16d又是固定接入，因而不需要预留快衰落储备。而在802.16e网络中，由于终端可以移动接入，而移动会带来一定的衰落，通过功控可以弥补这个衰落，因此需要给功控留一定的裕量，但是由于802.16e网络功控的频率比较低，所以不需要预留太多的快衰落储备，这里取2dB。

    （3）干扰储备

    与GSM系统类似，WiMAX网络存在小区间的邻频和同频干扰，干扰的大小与站距的大小、频率的规划、天线的朝向等因素有关，为了使小区内干扰严重的区域能正常通信，就要留一部分裕量。如果频率复用模式为1/3/1，上行预留干扰储备3dB，下行2dB；如果频率复用模式为1/3/3,干扰储备可以减小为 0.2dB，但是这样会带来频谱效率降低的后果。

    4．传播模型的选择

    在3.5GHz频段，常用的传播模型有SUI模型、Cost-231Hata模型、ECC-33模型等。相关文献曾经对三种模型做过测试研究，得出以下结论：SUI模型所预测的中值路径损耗的误差最大，一般都过大地预测了中值路径损耗，该模型需要通过进一步的参数优化来适用于3.5GHz频段；Cost- 231Hata模型也过大地预测了中值路径损耗，尤其当天线高度比较高时，随着终端天线高度的增加，该模型越来越不适用于3.5GHz频段。因此，这两个模型需要进一步地优化来适用于3.5GHz频段。而ECC-33模型则与测试结果保持了比较好的一致性，因此ECC-33模型可以用作3.5GHz频段的传播模型。但是由于ECC-33模型对于郊区和乡村地区没有修正因子，因而建议只作为一般市区环境的传播模型。在2.5GHz频段，通常采用Cost- 231 Hata模型。本文就以Cost-231 Hata模型来预测覆盖半径，链路预算如表5。





    表5链路预算

    二、覆盖分析

    1．IEEE802.16d覆盖分析

    通过上一节的分析，我们可以看出802.16d下行链路的总增益(QPSK1/2)为152.7dB，如果不考虑储备，在视距传输的情况下，假设CPE天线高度为10m，基站天线高度40m，用ECC-33模型预测的小区半径为9.09km，如果考虑了9.6dB的储备，计算出来的小区半径为 5.72km；对于非视距环境，考虑10dB的穿透损耗，系统允许的最大路径损耗为135.1dB，预测小区半径为2.99km。表6给出了不同调制编码方式下的小区半径预测情况。

    上行链路的总增益(QPSK1/2，1/8子信道化)为152.7dB，如果不考虑储备和视距传输的情况，假设CPE天线高度为10m，基站天线高度 40m，用ECC-33模型预测的小区半径为9.11km。如果考虑了10.6dB的储备，计算出来的小区半径为4.74km；对于非视距环境，考虑 10dB的穿透损耗，系统允许的最大路径损耗为132.1dB，预测小区半径为2.44km。表7给出了不同调制编码方式下的小区半径预测情况。

    显而易见，上行链路的最大允许路径损耗比下行链路小10个dB，从而使上行覆盖半径远小于下行链路。为了解决这个问题，使上下行链路平衡，WiMAX在上行链路采用了子信道化技术，来弥补上行链路的覆盖不足。表8给出了子信道化的增益。

    2．IEEE802.16e覆盖分析

    通过上面的分析我们可以看出，802.16e下行链路的总增益(QPSK1/2)为148.67dB，如果不考虑储备视距传输的情况下，假设终端天线高度为1.5m，基站天线高度32m，用COST-231模型预测的小区半径为1.70km，如果考虑了9.6dB的储备，计算出来的小区半径为 0.90km。

    对于非视距环境，考虑10dB的穿透损耗，系统允许的最大路径损耗为129.11dB，预测小区半径为0.47km。表９给出了不同调制编码方式下的小区半径预测情况。

    上行链路的总增益(QPSK1/2,1/16子信道化)为148.41dB，如果不考虑储备和视距传输的情况，假设终端天线高度为1.5m，基站天线高度 32m，用COST-231模型预测的小区半径为1.67km，如果考虑了9.6dB的储备，计算出来的小区半径为0.83km；对于非视距环境，考虑 10dB的穿透损耗，系统允许的最大路径损耗为126.8dB，预测小区半径为0.43km。表10给出了不同调制编码方式下的小区半径预测情况。

    3．WiMAX与3G覆盖能力比较分析

    从前面的链路预算结果来看，对于基站侧，802.16d的发射功率比3G的大，802.16e的发射功率与3G相比相差不大；从接收机来看，由于3G采用了扩频技术，不论是802.16d还是802.16e的灵敏度都比3G系统的低，802.16d的终端可以采用定向天线，可以获得比较大的增益。对于传播频段，WiMAX的频段高于3G频段，因此，在传播环境方面，WiMAX也没有太大的优势。

    然而，WiMAX从诞生之日起就号称能覆盖几十公里，具有很强的覆盖能力。通过本文的分析可知，这样的覆盖能力只能针对802.16d了，802.16d 由于终端采用定向天线，并且终端可以挂得很高（可以高达10m以上），能够视距传输，正是这些条件使得WiMAX有着很强的覆盖能力。如果说 802.16d的覆盖能力与3G的覆盖能力还有优势的话，那么802.16e的覆盖能力就没有什么优势可言了。



表6 IEEE802.16d下行链路小区半径预测



表7 IEEE 802.16d上行链路小区半径预测







表8 子信道化增益



表9 IEEE 802.16e下行链路小区半径预测



表10 IEEE 802.16e上行链路小区半径预测

    三、结论

    本文从链路预算的角度分析了WiMAX的覆盖能力。通过分析可以看出，WiMAX号称能覆盖几十公里是没有什么实际意义的，与3G技术相比，固定 WiMAX由于终端可以采用定向天线，并且可以挂得很高，能够视距传输，可以有较远的覆盖距离；而移动WiMAX的覆盖能力与3G技术相比，并没有什么优势。