WiMAX无线网络规划

摘要　本文结合WiMAX的技术特性，主要探讨了IEEE 802.16d和802.16e无线网络的覆盖、容量和频率规划特点，并分析了WiMAX的系统干扰，为运营商的网络建设提供了参考与建议。

WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，信号理论传输距离最远可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX将逐步实现宽带业务的移动化，而3G则将实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度将会越来越高。

WiMAX与3G无线网络的规划流程比较相似，如图1所示。

图1　WiMAX无线网络规划流程

与3G无线网络规划相比，WiMAX预规划阶段的覆盖、容量规划，和详细规划阶段的频率规划、系统干扰分析等最具代表性。

1、覆盖规划特点

WiMAX的覆盖规划主要内容为：通过链路预算得出各类型业务的覆盖半径和基站覆盖面积，再根据运营商的无线网络覆盖策略，得出在目标覆盖区域内的基站需求数目。进行WiMAX覆盖规划时应注意以下几个特点。

1.1　影响链路预算的因素

由于无线信道环境的复杂性，IEEE 802.16系列标准的实际覆盖半径从几公里至十几公里不等。在进行无线网络规划和设计时都需要进行链路预算以得到合理的无线覆盖预测结果。与3G业务相似，WiMAX能够提供丰富的话音和数据等业务，其上、下行业务量是非对称的，链路预算时也必须计算两个不同方向的值。

影响WiMAX覆盖的因素主要有以下两点。

1.1.1　载波带宽和调制方式的多样性

IEEE 802.16系列标准载波带宽及调制方式如表1所示。

表1　IEEE 802.16系列标准载波带宽及调制方式

由表1可知，WiMAX支持多种编码调制方式与编码速率的组合。根据接收机灵敏度方程，调制阶数越高时，对SNR的要求越高，接收机灵敏度越低；载波带宽越宽时，接收机灵敏度也越低。而接收机灵敏度越低，上行允许最大路径损耗就相应减少，覆盖距离和覆盖面积也减小了。由此可见，WiMAX的编码调制方式和载波带宽的选择与基站覆盖面积相关联。

当载波带宽一定时，64QAM-3/4调制方式下的基站接收机灵敏度比BPSK-1/2调制方式下的灵敏度低18dB左右；当调制方式一定时，7MHz带宽下的基站接收机灵敏度比1.75MHz带宽下的灵敏度低6dB左右。

在实际应用中，WiMAX一般采用AMC（自适应调制编码），以保证在覆盖区域内SS能够根据无线环境的不同选择合适的调制方式，从而成功实现业务接入。WiMAX调制方式的不同对覆盖范围的影响，可以作为覆盖规划的重要参考依据。

1.1.2　新技术带来的影响

WiMAX协议提供实现AAS（智能天线）、MIMO（多输入多输出）和STC（空时编码）等增强型天线技术的途径，以应对NLOS造成的深衰落，提高了WiMAX无线数据的传输能力。

1.2　覆盖规划原则

当WiMAX采用各种编码调制方式时，调制阶数越高，小区半径越小，如图2所示。

图2　WiMAX无线覆盖特性

在IEEE 802.16标准中，在MAC层定义了较为完整的QoS机制。MAC层针对每个连接可以分别设置不同的QoS参数，包括速率、延时等指标。不同的业务的QoS要求不一样，对信号质量和强度的要求不同，覆盖半径也不同。

根据上述分析，可以将编码调制方式作为WiMAX无线网络的覆盖层次的划分依据，因此，WiMAX的无线网络覆盖原则如下。

（1）以QPSK调制信号为覆盖的基本要求，在WiMAX的覆盖区域实现QPSK调制信号的连续覆盖；

（2）在数据热点地区实现QAM64调制信号的覆盖以保证高速业务的开通。

1.3　业务覆盖方案

WiMAX的覆盖场景主要有城区（密集城区、普通城区）、郊区、农村、交通干线、旅游景点等。由于各场景的覆盖特点各异，并且802.16d主要提供固定数据接入业务，而802.16e支持移动数据接入业务，因此在提供WiMAX业务覆盖时，主要有以下3种业务覆盖形式。

（1）提供802.16d或802.16e业务覆盖：城区、郊区和旅游景点的业务密度较大、用户行为多样，可根据通信运营商的运营策略同时提供802.16d和802.16e业务或者仅其中之一；

（2）以802.16d业务覆盖为主：农村的业务密度低、建筑物穿透损耗小，建议以802.16d业务覆盖为主，发挥802.16d覆盖距离远的优势；

（3）以802.16e业务覆盖为主：交通干线的业务密度较低，用户主要处于移动状态，以802.16e业务覆盖为主。

目前802.16d设备的成熟度较高，而802.16e设备正处于发展阶段。可以首先在WiMAX目标覆盖区域提供802.16d业务覆盖，当802.16e设备及市场环境成熟后，在802.16e的业务需求区域对已建的802.16d网络进行升级，并向下兼容802.16d业务。

2、容量规划特点

WiMAX的容量规划主要内容是通过对用户类型及比例、用户数、业务类型的预测分析，得出网络容量需求，并计算出所需的基站个数。再与按照覆盖需求得到的基站个数进行平衡分析，最终可以得出实际所需的基站个数。进行WiMAX容量规划时应注意以下几个特点。

2.1　业务模型

对各种业务特性进行分析研究是开展WiMAX多业务网络规划的基础。首先，系统的许多关键性能参数与业务特性直接相关，如覆盖容量指标等；其次，不同的WiMAX业务往往具有不同的特性。WiMAX业务种类繁多，一般可按QoS特征进行分类，WiMAX按不同的QoS类型划分的代表业务如表2所示。

表2　WiMAX业务分类

在进行系统容量预测时，需要建立业务分析模型，以预测单个用户的业务量情况。以下便给出一种业务预测参考模型：

上（下）行忙时每用户数据吞吐量（bit/s）=[忙时会话次数×每次会话包含的数据呼叫次数×每次数据呼叫包含的平均数据量（bit）]/3600（s）

其中，忙时会话次数=业务使用渗透率×（每月使用业务次数/30）×忙日不均衡系数×忙时集中系数

注：忙时集中系数指全天总业务量与一天当中最忙的1h内的业务量的比率。

为了保证用户在任何时段、任何地点都能通信畅通，无线网络的容量配置要考虑到满足小区忙时容量需求。当全天总业务量一定时，忙时集中系数越低，表明用户使用时间越集中，无线网络容量配置也就越大。

2.2　用户预测

影响WiMAX用户规模的主要因素包括WiMAX网络的质量、终端设备的价格、业务的种类、业务的资费等。对运营商而言，尤其在WiMAX的发展初期，发展WiMAX的战略选择是影响其用户数量的最关键因素。

WiMAX用户只是整个运营商用户群的一部分，在发展初期，其用户主要是从原有的其它业务网络用户渗透而来，并且，运营商的用户发展目标与其市场定位和发展策略密切相关。根据现有用户ARPU值的分布情况进行分类分析和预测，是较为可行的方法。

2.3　影响网络容量的因素

影响WiMAX容量的因素主要有基站端发射功率、调制方式、邻区干扰、业务类型、终端性能、无线环境、用户分布等。

WiMAX采用高效的无线资源管理技术、先进天线技术、小区分裂等来提高系统频谱效率，提高系统容量。

在进行网络建设时主要的提高系统容量的方法就是增加基站小区，使每个扇区的可用子信道数量增加，从而增加基站容量。

3、频率规划特点

3.1　频谱利用

国际上现有的BWA（宽带无线接入）系统中已经较广泛被使用的频段主要有2.5GHz、3.5GHz和5.8GHz频段。3.5GHz频段是较常见的BWA许可管制频段，在所有BWA市场中占有最大的市场应用份额。另外，我国也把3330～3400MHz频段划分给了BWA实验系统使用，工作于TDD模式。

鉴于我国目前2～6GHz频段划分及分配现状，WiMAX可能使用的目标频段有3.3GHz、3.5GHz等。802.16d商用设备基本都支持3.5GHz频段，支持3.3GHz的TDD设备研发稍微滞后，少数厂商具有支持5.8GHz频段的设备。

3.2　频率规划

WiMAX为了应对无线信道在非视距情况下的复杂性，必须采用OFDM或OFDMA多载波调制技术，通过时间或子信道来区分用户。因此如何合理分配和复用有限的频段，而达到减少小区间、信道间的干扰是WiMAX频率规划需要解决的主要问题。

对于WiMAX的应用，一般认为每个运营商最少需要2×21 MHz（FDD方式）的频点，并在未来可以扩充到2×28MHz甚至更高。同时，针对潜在的多运营商的市场环境，还需要额外的频率保护间隔以屏蔽不同运营商之间的工作频点。在信道带宽的选择上，WiMAX各标准支持多种信道带宽，WirelessMAN OFDM的可选带宽一般包括1.75/3.5/7/14MHz，其中又以3.5MHz信道带宽的应用最为普遍。

WiMAX在频率复用模型上遵循普遍的无线网络规划模型，WiMAX的频点可被分成几个频点组再分配给小区使用，相邻小区不能使用同一频点组。同时，采用不同极化天线的方法可以进一步优化频率复用机制，水平极化和垂直极化交替模式可以使相邻小区得到较好的干扰隔离。

WiMAX在本质上不采用CDMA技术，但是未来的SOFDMA（Scalable OFDMA）等增强型物理层技术可以进一步地提高频谱利用率，有可能实现频率复用系数为1。

根据实测经验，建议WiMAX的频率规划遵循以下原则。

（1）相邻小区不能采用同频或邻频；

（2）同频复用最小距离为基站覆盖半径的1～2个倍程；

（3）背向小区不能同频同极化，但可以使用邻频同极化或同频异极化以减小干扰。

4、系统干扰分析

4.1　系统内干扰

（1）同频、邻频干扰：WiMAX支持先进天线技术，例如AAS，可以给有用信号带来最大增益，有效地减少多径效应所带来的影响，同时达到对干扰信号删除和抑制的目的，从而获得SNR增益和减少同频、邻频干扰；

（2）符号间干扰（ISI）和信道间干扰（ICI）：由于无线信道存在时延扩展，并且高速数据流的符号宽度又相对较短，所以符号之间会存在较严重的ISI。WiMAX采用了OFDM/OFDMA技术，可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响，同时最大限度地消除由于多径而带来的ISI和ICI；

（3）TDD系统的特有干扰：若WiMAX系统采用TDD双工方式，则还会产生时隙间干扰、帧同步偏移干扰等TDD系统的特有干扰。为了降低干扰，TDD系统对同步的要求很高。

4.2　系统间干扰

有源无线设备在发射有用信号的同时，由于器件本身的原因和滤波器带外抑制的限制，在它的工作频带外还会产生杂散、谐波、互调等无用信号，这些信号落到其它无线系统的工作频带内，就会对其形成干扰。

在BWA的频段内，Wi-Fi以及支持多频段的SCDMA等其它无线接入系统容易对使用相同频段的WiMAX造成干扰。根据信息产业部颁布的《无线电发射设备型号核准检测检验依据》，与WiMAX之间可能会产生干扰的其它主要无线系统如表3所示，系统之间的实际干扰情况尚有待于试验验证。

表3　可能与WiMAX相互干扰的其它无线系统

在实际工程应用中，可以通过保持一定的水平隔离度和垂直隔离度来减小系统间的干扰。

5、WiMAX的发展前景

WiMAX可能成为固定电话运营商与移动通信运营商进行竞争的有力武器，可以改善企业与服务供应商的认知度。2007年10月，WiMAX被ITU正式纳为新的3G标准，对已有的三大主流3G标准构成了挑战。由于技术成熟度、运营牌照发放等原因，当前国内各通信运营商对WiMAX的态度主要以跟踪或试验为主。

目前，WiMAX的不足之处尚较为明显：WiMAX技术在发展初期是作为一种长距离无线数据传输方式，要建设全面的无线移动系统非常复杂，WiMAX在这方面还需进一步发展。与其它3G主流技术相比，WiMAX的质量保证和安全性问题也有待提高，这将成为影响该技术大规模应用的一项主要因素。另外，由于对设备能力要求高和产业总体成熟度较低等因素，WiMAX的系统成本并不一定低于3G，可能会阻碍其用户的发展，影响运营商的投资回报。

但是放眼全球，WiMAX已经开始逐步在通信市场掀起革命。2006年，韩国第一个被称为“WiBro”的商用移动WiMAX网络已正式开始投入运营，Intel公司也从2007年开始，在部分迅驰（Centrino）版本中加入WiMAX功能，从而加速WiMAX的全球推广。随着WiMAX技术的革新和发展进程，WiMAX的无线网络规划方法也将不断得到创新并逐步改进。