移动WiMAX站点规划

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移动WiMAX站点规划

  传统的蜂窝式电话可在大范围输入信号下工作。临近基站，其信号电平在-40dBm左右。尽管这并不是系统的设计目标，但当处于蜂窝的边缘，信号电平为-113dBm时，电话的通话质量还是令人满意的。

    较高功率的唯一优势是抗干扰性。在蜂窝基站规划早期，规划的重点是覆盖范围而不是抗干扰或网络容量。

    不过，如今大多数蜂窝系统都受到干扰的限制而不是范围的限制。因此，许多移动电话系统都需要昂贵的叉车式升级来适应不断增长的干扰限制。

    通常情况下，全向天线被定向天线所取代。有时，定向天线又被其他前后比更好的定向天线所取代。随着时间的流逝，选择合适的波束宽度和波束形状可为范围、容量及干扰抑制提供很好的综合解决方案。

    信噪比

    WiMAX的部署可能会重复这种效率低下的优化过程。在规划阶段，通常不会考虑WiMAX系统与传统蜂窝系统的差别。虽然新系统的规划方式可以和传统蜂窝电话系统的规划方式相同。但是，WiMAX的工作方式却大不相同。

    在传统移动电话系统中，如果覆盖范围足够大，并且信噪比（SNR）超过9dB，那么用户通话的效果就会非常清晰，用户会因此感到满意。即使用户的信噪比增加到20dB，通话效果仍然相同。

    然而，在基于WiMAX的系统中，20dB信噪比允许用户通过一种可以提供非常高的数据吞吐量的调制格式来接收信号。如果信噪比只有9dB，那么连接会慢得多，这是因为WiMAX系统使用了一种基于信噪比的自适应调制格式。这就与我们平常讲话时的状况一样。如果环境安静，那么讲话人可以说得很快且可以让人听懂。然而，如果很吵闹并且讲话人离得很远，那么他需要大声说话并且将语速放慢。同理，在嘈杂的环境中，通信链路效率很低。

    回波处理

    WiMAX与传统移动电话网络的另一个根本区别在于无线电调制。传统的蜂窝系统，如GSM，使用了一种信号载波系统。整个射频频谱被分割为频道，每个用户使用一个频段进行通信。而多路回波限制了用户的通信速率，它类似于人们在峡谷中大喊引起的回声。为了使通话清晰，用户需要放慢语速，以避免回波造成的干扰。WiMAX所使用的OFDM调制方式可以消除回波问题。会话被分成许多慢速的分会话，而每个分会话使用不同的频率。由于每个会话都很慢，所以回波就不再成为问题。每一个会话都在不同的频率上，因此相互之间不会发生干扰。对于峡谷里的个人通信而言，这种方法可能不太现实，但它在电路上非常容易实现。

    传统蜂窝电话系统的目标是使用9dBi或者更高的信噪比覆盖每个地方，消除盲点并实现低的多径。WiMAX系统则希望在无盲点的覆盖区域内得到最好的平均SNR值，而不太在意多径问题。考虑到WiMAX与传统蜂窝系统的这些根本区别，它们似乎不适合使用相同的规划方法和天线硬件。

    确定最好的配置是一项令人生畏的工作。因为每种配置不尽相同，而变量又太多。这些变量包括已使用的扇区数、频率重用机制、射频传播环境、塔高以及背景干扰级别。高级的优化过程加上传播模型可以帮助我们探究其中的一些问题。

    高级最优化仿真

    以下仿真使用Cost231模型—也称为哈塔模型PCS扩展。这种无线传播模型对哈塔模型和Okumura模型进行了扩展以覆盖更广的频谱范围，比如WiMAX常用的那些频段。

    读取基站天线的完整三维辐射图，并观察整个蜂窝的载波干扰比（C/I）。载波干扰比等价于信噪比，其侧重的信号是OFDM载波，而干扰来自使用相同载波的一些其他基站。

    模型中考虑了塔的高度。进行优化的变量包括天线的指向，塔上的天线数量以及塔高。目标是找到一个场址方案来提供可能达到的最大系统总容量，这是一项与蜂窝内平均载波干扰比密切相关的任务。

    网络优化

    首先，考虑基站天线波束形状的影响。这里比较了频率尺度变换的优质UMTS基站天线与波束宽度是90°3dB的WiMAX天线。其中，前者的波束宽度是72°3dB。

    尽管UMTS天线的增益更高，但WiMAX天线的反向辐射要低得多。UMTS型天线的波束掩模符合ETSISS1波束规格，而WiMAX天线的波束符合ETSISS3波束规格。

    在优化过程中以及制造商优化最佳总数据吞吐量时考虑的七塔格中，不推荐使用信道复用。优化结果如图1所示。

    图1制造商优化总数据吞吐量的结果

    每个塔用一个字母表示，相同的字母表示相同的塔配置。在图1中，彩色表示载波干扰比，而每个位置的容量都是从图中计算得到。有趣的是，优化者并没有选择蜂窝基站常用的标准的三扇区结构，而是为两个天线都选择了四扇区结构。可以看到，较紧凑的波束掩码会产生明显好得多的平均载波干扰比，从而产生更大的基站容量。通过查看覆盖图，可以了解得更深。

    图2WiMAX天线的低后瓣在扇区间提供较干净的过渡带

    图2所示为WiMAX天线的低后瓣在扇区间提供的较干净过渡带。在使用低性能UMTS型天线的系统中，手机可能会因为天线后瓣或设置不合适的波束宽度而形成的微蜂窝所引起“混淆”而不知道自己在哪个区。这样可能造成设备很难越区切换。

    上面的分析产生了这样的问题，WiMAX天线正确的天线波束宽度和旁瓣规格是什么？通常，答案要求设计一套工程上的折中。

    考虑操作员频谱受限，想要在地表周期性重复的七塔配置中获取七个可用的信道。通过仅选择七个信道，操作者已经提高最大突发容量。然而，可以找到一种重用模式来提供运转所需的载波干扰比这一点并不明显。

    很明显这是个具有挑战性的问题，这里允许优化者选择最佳天线及结构。

  自TD-SCDMA网络开工建设以来，各厂家和运营商一起面临着如何在高速移动区域（如高速公路、铁路）内进行TD-SCDMA网络的建设和优化的问题。

    随着中国铁路正式实施大面积提速，列车时速将达到200km/h至350km/h，极大地影响了TD-SCDMA网络的性能，优化工作显得十分必要和迫切。因此充分进行高速移动方面的研究和方案验证，从而找到适当有效的优化方案，成为打造TD-SCDMA精品网络建的重要前提和必要条件。

    CRH1型“和谐号”动车组通常包括两侧各一个车头在内共的8个车厢。列车为全封闭车厢列车，车身由铝合金和不锈钢材料组成，车窗采用特殊材质制成，密封性能很好，因此相对于普通列车，列车车厢电波的穿透损耗要高出很多。而车厢的穿透损耗直接会影响车厢内的终端的接受信号强度，从而影响到铁路沿线小区的覆盖范围。

    采用典型的电波传播模型（如Ericsson9999模型），可以计算出小区半径与穿透损耗的关系，如图1所示。可以看到，随着车厢穿透损耗的增加，小区覆盖半径将会明显缩小。从中我们可以得到结论，车厢穿透损耗是影响TD-SCDMA信号在火车车厢内覆盖的重要因素，在进行无线网络设计和优化时，必须仔细考虑穿透损耗的取值以及对网络性能带来的影响。

    高速火车车厢的穿透损耗

    根据以往的经验和测试数据表明，普通公路上汽车的穿透损耗大致为5~8dB，普通火车列车车厢的穿透损耗大致为10~15dB。本文将给出我们在广深铁路上测试得到的CRH1火车车厢穿透损耗数值。

    1．穿透损耗的测试

    在广州到深圳的高速铁路的一段，紧邻铁路边上有一条公路，这为我们测试创造了良好的条件。首先，我们运用TD-SCDMAScanner测试动车组内的PCCPCH信号强度；然后，又在和铁路线平行并紧靠铁路的公路上测量相同小区的PCCPCH信号强度，运用GPS记录下测试信号点对应的位置，从而记录下测试的轨迹。通过对比车厢内外得到的信号对比，我们便能得到火车的穿透损耗。典型的信号测试对比如图2所示。

    由图2可以看出，车厢内的信号强度(RSCP-in)明显低于车厢外的信号强度(RSCP-out)。由于火车运动速度远大于测试汽车的速度，火车内信号的测量数据点数远远少于车厢外的汽车所得到的测量数据点数。通过对数据的插值等数学处理，我们可以找到车厢内的测试点对应的车厢外的数据点，从而得到穿透损耗的测量值。

    另外，我们还在火车车厢内的不同位置，进行了测量，以模拟手机在车厢内靠近基站和远离基站的使用场景，从而反映列车穿透损耗与不同位置的依赖关系。

    根据基站所处的位置和测试点的位置，我们可以计算得到电波与火车形成的掠射角，掠射角的定义如图3所示：

    其中，掠射角(Grazingangle)指的是基站信号与列车车体的夹角。

    2．测试结果

    经过对多组数据的平均处理，我们得到了高速火车CRH1车厢的穿透损耗与掠射角的关系，测试结果如图4所示。

    通过对于广深高速公路沿线TD-SCDMA网络信号的测试和分析，我们可以得到关于新型动车组车厢的穿透损耗如下结论。

    （1）随着掠射角的减小，列车车厢穿透损耗增加幅度增大。从图4中可以看出，当掠射角小于10度时，列车车厢穿透损耗比30度时将额外增加10dB以上，当掠射角小于5度时，列车车厢穿透损耗比30度时将额外增加15dB以上。

    （2）当掠射角在10度以内，列车穿透损耗增加幅度明显加快，所以在网络规划设计的时候，我们建议实际的掠射角应该控制在10度以上。

    （3）列车车厢内不同位置的穿透损耗相差较大。在掠射角大于10度的情况下，在车厢两侧(近基站侧和远离基站侧)得到的车厢穿透损耗差别5dB以上。当掠射角较小时，车厢两侧的穿透损耗略为接近。

    （4）根据测试数据，CRH1动车车厢整体穿透损耗平均值在20dB以上。

    3．普通列车车厢穿透损耗的测量

    我们将普通慢车的测试数据和“和谐号”动车组数据进行比较，根据扫频仪信号强度对比，可以计算得到普通列车的车厢穿透损耗和动车组车厢的差别。图5为普通列车和CRH1车厢内信号的对比。

    由图5可见，普通列车车厢内信号强度比动车组内的信号高约15dB左右。通过多组数据的平滑处理，我们也得到动车组穿透损耗与普通列车穿透损耗的差值与掠射角的关系(如图6所示)，明确了动车组与普通列车的穿透损耗差随掠射角的增大而缓慢减小，并再次印证动车组的穿透损耗比普通列车的穿透损耗平均大约15dB。

    小结

    通过对广深铁路上动车组CRH1车厢以及普通列车穿透损耗的测试，我们得到了穿透损耗的测试结果。测量揭示了动车组穿透损耗与电波入射列车的角度相关，随着射线与火车的掠射角的减小穿透损耗增大而增大的规律。动车组列车的穿透损耗因其良好的密封特性，比普通列车的穿透损耗大约15dB。

    爱立信公司借助GSM和WCDMA网络建设和优化方面的积累的丰富经验，抓住TD-SCDMA网络设计和优化中的关键问题，深入分析研究，特别是对于一些具有挑战性的特殊无线环境，如高速铁路的网络建设和优化，开展了大量卓有成效的研究，并积极利用这些研究结果指导高速铁路的TD-SCDMA网络的设计和优化，使高速铁路TD-SCDMA网络性能达到了GSM的性能。

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