LMDS系統應用中幾個熱點問題的分析

2019-11-03 09:10:42

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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）系統自1998年開始進入中國市場，歷經兩年多的技術試驗階段后，終于完成了行業標準和頻率規劃的制定，并于2002年開始進入了商用試驗階段。目前，信息產業部電信管理局已批準了中國移動、中國聯通、中國電信和中國網通四個運營商開展26GHz LMDS接入網業務的運營許可，信息產業部無線電管理局正在為上述四個運營商各自上報的第一批開展商用試驗的城市分配頻率資源。26 LMDS系統的商業應用即將拉開序幕。

　　26頻段頻譜資源豐富，按FDD雙工方式規劃的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系統相對低頻段無線接入系統而言自然其接入帶寬大是其重要的特點，系統的主流技術均是以支持綜合業務接入為設計目標，當前，LMDS系統空中接口協議沒有也難以形成統一的標準，設計者從不同的視角和性能價格比的權衡中設計了各具差異性的LMDS產品，在一定程度上給運營商的技術選擇帶來些困惑，實際上選擇本身就是一種權衡的過程，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系統的幾　　個熱點問題開展分析以供參考。

　　一、雨衰及可用性

　　影響LMDS系統可用性的因素：

　　設備的可靠性（取決于設備的質量和所提供的冗余度）

　　為LMDS系統供電的外部電源系統的可靠性

　　反常傳播（凈空衰落和降水）

　　維護組織的有效性

　　由人為干擾引起的意外中斷

　　其他干擾

　　在評估系統可用性時，設備可靠性和反常傳播是主要的關注因素。

　　2、設備對系統不可用性的影響：

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

　　MTBF=20萬小時

　　MTTR=2小時（因LMDS系統應用于城市環境，交通方便，基站各部件可熱插拔，CPE按模塊化設計，網管系統完善）則設備的不可用性=[100-（MTBF×100/MTBF+MTTR）]×100%=0.1%在R3000 LMDS系統中，基站是有冗余設計的（主控板、ATM復用板、電源系統、調制單元、上下變頻單元及ODU均可按1+1或N+1冗余配置）。但在所有點對多點的LMDS系統產品中，這些冗余設計均是有損傷切換的，對可用性的改善度主要體現在MTTR中，冗余對外部饋電系統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準而帶來的附加衰減，在LMDS系統應用環境下，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：第一菲涅爾區半徑）設計，在路徑中點的余隙應大于或等于2.4米，這個余隙標準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）穿越時也應有足夠的余隙。

　　當余隙小于0.6F1時將出現阻擋衰減，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系統應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惡化，在LMDS系統傳輸設計和工程實施中應引起足夠重視。

（2）多徑衰落：

　　由于工作在26GHz的LMDS系統大多是在城市環境中應用，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，多徑引起的衰落現象對不可用性指標帶來的影響很小，可以不予考慮。

（3）降雨衰減：

　　由于LMDS系統工作在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受衰減，這種衰減呈現非選擇性能和緩慢的時變特性，是導致信號劣化，影響系統可用性的主要因素，國際電信聯盟對降雨的影響已進行了深入研究，在ITU-R P.837建議中，將地球分為15個降雨氣候區，分別以大寫字母A到Q來表示，每一降雨區是以與它相關的降雨強度統計來表證，并給出了對應不同降雨強度所發生的時間概率。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度不是均勻分布的緣故），進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的時間百分數P，或反之，根據雨衰特性及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，還可以根據在ITU-R P.841建議，從長期百分數P變換到最壞月份百分數Pu。

　　在考慮LMDS因雨衰引起的不可用性指標時，時間百分數P即為不可用性指標。

　　4、關于LMDS系統不可用性分析：

　　由上述分析可以看出，LMDS系統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系統將面臨極大運營風險的結論，下面幾點分析可供參考：

　　（1）根據ITU-R提供的雨區分布圖，我國雨衰較大的地區主要集中在廣東、廣西、福建、浙江等沿海地區，其他大部分地區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達到99.99%，在北方及中西部地區通信距離可達到2-5Km左右，在南方多雨地區可達到0.5-2Km，如果可用性指標降低到99.9%，達到中等質量的應用水平，LMDS系統覆蓋范圍還可進一步得到改善。

（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信功率，收發天線增益，接收機的門限電平（BER=10-3）及空間傳輸損耗等，前三項因素是所選擇設備的固有特性決定的，但在發信功率、接收門限一定條件下盡量選擇高增益天線是有益的。空間傳輸損耗除自由空間傳輸損耗外，應盡量通過設計和施工確保不再增加阻擋衰減的成分，在同一地區，選擇不同廠家的設備，以及不同的工程服務支持能力，在相同的距離上將會有不同的可用性指標出現，這是值得使用LMDS系統的運營商注意的一個問題。

　　（3）關于ATPC（自動發信功率控制）

　　ATPC技術本身主要是為了解決系統間干擾及雨衰兩個互相矛盾的問題而設計的，LMDS系統是點對多點通信系統，在一個扇區內，不同的用戶終端與基站距離不同，在同一基站范圍內最好的設計是所有扇區及一個扇區內的所有遠端站達到基站接收機的收信電平相近，這樣可減少扇區之間或同一扇區由不同遠端站引入的相互干擾，因此需要系統具備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），盡量降低發信功率，那么，這勢必使每段電路的衰落儲備降低，在出現一般降雨時，不可用性指標就已開始劣化。因此，兼顧雨衰而引起的不可用性，在系統設計時采用了ATPC技術，使隨著雨衰的增加和誤碼性能的惡化，系統自動調整發信功率，直到最大發信功率為止，從而解決了前述所說明的矛盾問題。由于雨衰而導致的不可用性是由最大發信功率決定的，因此ATPC并不會對系統可用性指標帶來改善。

　　二、關于調制方式：

　　多數LMDS系統產品采用QPSK（或4QAM）和16QAM自適應調制方式，部分產品僅使用QPSK（或4QAM）一種調整方式，大唐無線通信公司的R3000 LMDS系統采用了QPSK和16QAM自適應調制技術及RS前向糾錯，接收機門限在BER=10-9時分別是－77dBm／１６ＱＡＭ和－８３.３dBm／ＱＰＳＫ，兩種調制方式在系統參數相同的情況下，衰落儲備差6.3dB，有人認為從抗雨衰能力的角度出發，16QAM技術并不可取，這種看法是片面的，因為，對一個特定的降雨區要求可用性指標達到99.99%時，最大通信距離必然是按QPSK調制方式下估算的，如果同樣在這個距離上使用16QAM調制方式時，可用性指標將劣化到95%，這就意味著LMDS系統可以在95%的時間內可以工作在16QAM方式下，也就是在95%的時間內在14MHz帶寬上可傳輸16Mbps速率信號，僅在5%的時間段因降雨調整到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）調制方式的系統，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，兩者的優劣自然是十分清楚的。當然上面在１６ＱＡＭ方式下的可用性數據僅是一個設計期望值，實際情況會因不同氣候區而異，大唐無線通信公司的Ｒ３０００　ＬＭＤＳ系統１６ＱＡＭ與ＱＰＳＫ自適應轉換的判決區間是ＳNR ＝（１６-２５） dB。在考慮到１６ＱＡＭ與ＱＰＳＫ兩種調制方式下，傳輸速率相差一倍的因素時，凡具有這種性能的ＬＭＤＳ系統對用戶業務的ＱＯＳ保證應有相應的策略。有的ＬＭＤＳ系統設計時，規定了一個載波允許ＩＰ業務應用的帶寬上限，其他帶寬用于最高優先級的專線業務，有的ＬＭＤＳ系統設有安排ＩＰ業務的帶寬上限，在這種情況下，網絡規劃時需要小心，即當以專線業務為主的應用時，其可用帶寬應以ＱＰＳＫ方式下的傳輸速率為依據，或當即有專線業務，又有ＩＰ業務時，可以在一個載波上，按ＱＰＳＫ條件下安排一定的專線業務帶寬，在１６ＱＡＭ條件下，按ＣＯＳ等級為不同用戶的ＩＰ業務分配帶寬，如果專線業務帶寬不足，或承諾帶寬業務較多時，可通過增加扇區載波數量的方法予以解決。當然，在不同降雨區，業務帶寬分配策略可以靈活運用。

　　在合理的安排策略下，在降雨期間，隨降雨強度的逐漸增加，ＩＰ業務將會根據業務優先級的設置自動調整其吞吐量，而專線業務帶寬仍會得到保證，但誤碼性能會逐漸變差，直到因降雨強度過大，因ＳNR惡化到ＱＰＳＫ門限以下，則所有業務將會中斷。

　　三、關于載波帶寬的選擇：

　　根據YD/T 1186-2002《接入網技術要求-26GHz LMDS本地多點分配系統》的規定，LMDS系統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業務需要而定，不同的載波帶寬除了可支持業務的能力不同外，還會影響到傳輸性能上的差異及制造成本上的不同，運營商可以根據實際需要從多個方面進行權衡。以14MHz和28MHz兩種載波帶寬進行比較時，如果兩個產品均在QPSK調制方式下比較，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，當單個遠端站接口需要的業務速率高于40Mbps時，當然采用28MHz/16QAM方式的產品是合適的，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兩者在業務速率上是相同的，在14MHz/16QAM和28MHz/QPSK兩種方式上權衡可以考慮的因素大致如下：

　　1、與可用性相關的接收機門限：

　　在數字調制解調技術中，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，在接收機噪聲系數和噪聲帶寬相同情況下，16QAM調制方式比QPSK調制方式的接收機門限電平要惡化約7dB。如果用16QAM@14MHz與QPSK@28MHz兩者比較，在相同的接收機噪聲系數下，后者的噪聲帶寬增加了一倍，因此兩者的接收機門限僅差約4dB，這也就是說，當考慮采用QPSK以適應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衡設計中，實際上付出了接收機門限比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，發信功率相應比16QAM@14MHz系統再提高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自適應調制方式開展設計，那么，QPSK@28MHz方式前述已做過說明，16QAM@28MHz方式，顯然又比16QAM@14MHz方式接收機門限惡化了3dB，如果LMDS系統在16QAM/14MHz方式下接收機門限為－77dBm的話，那么16QAM/28MHz方式下接收機門限僅為－74dBn，與QPSK@14MHz相比接收機門限有近10dB的差距，這在沿海地區LMDS系統應用的抗雨衰特性帶來嚴重威脅。

　　16QAM@28MHz在內陸地區雨衰不十分嚴重的環境下是可以考慮采用的，因為在這種方式下，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的應用是有利的，但在目前運營商的業務需求中，這種單端口要求如此高帶寬的情況并不多見。

　　3、單載波28MHz帶寬與頻譜規劃的關系：

　　在LMDS系統商用試驗期間，運營商可獲得的頻率資源約2×56MHz，隨著業務擴展，頻率資源不足時獲得2×112MHz資源的條件是有可能達到的，在2×56MHz可用帶寬條件下，基站扇區之間及小區之間的頻譜規劃可以有兩種方式：

　　載波帶寬14MHz的頻譜規劃：

　　將56MHz帶寬分為4個載頻F1，F2，F3，F4，將4個載頻分為2個載頻組，即F1F3或F2F4，相鄰扇區采用不同載頻組。在一個基站內載頻組可以復用。

　　載波帶寬28MHz的頻譜規劃：

　　56MHz帶寬只能支持2個載頻工作，相鄰扇區采用不同載頻，在一個基站內載頻可以復用。

　　在頻譜規劃方面，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載波帶寬其接收機濾波器的噪聲帶寬必然比14MHz載波帶寬其接收機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，根據國外一些知名公司的研究報告分析，在LMDS系統的頻譜規劃中，為了解決同城域不同運營商之間的鄰頻干擾問題，建議兩個運營商在相鄰載頻上，各自留出14MHz的保護帶以支持28MHz載頻帶寬的業務應用，這就充分說明了應用28MHz載頻帶寬對頻譜規劃所帶來的影響。

　　當然，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是與制造商的發射頻譜及接收濾波器指標密切相關的，針對每個制造商的LMDS產品實際測試指標去進行頻譜規劃設計才是可靠的。結束語：

　　LMDS寬帶無線接入系統在解決城域網中大客戶接入、商住大樓、駐地網接入及移動通信傳送網的項目中，有廣泛的應用前景，但由于其技術具有相當的復雜性，通過一篇文章難以覆蓋更多熱點問題的討論，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系統動態帶寬分配的能力到是如何保證的？如何設計LMDS系統商業運營模式等等諸多問題，大唐無線公司的研究人員將會陸續發表相關文章供廣大用戶參考。

大唐科技股份有限公司供稿，CHINA通信網組稿

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