當前微波已是移動回傳中的主要傳輸介質(zhì),但應(yīng)用仍局限在在視距(LOS)條件下。在環(huán)境雜亂的都市中部署小站更需要支持接近和完全非視距的場景。

非視距的應(yīng)用已被無線接入技術(shù)所證實，但對高性能的回傳仍是一個新的挑戰(zhàn)。本文將討論通用原理，主要系統(tǒng)參數(shù)，簡單工程指導同時通過演示愛立信28GHz產(chǎn)品和6Ghz以下產(chǎn)品的對比提出對一般的觀點質(zhì)疑。

一、背景

點對點微波是靈活快速部署回傳網(wǎng)到幾乎任意一點的經(jīng)濟有效的技術(shù)。它是移動網(wǎng)絡(luò)中主要的回傳方式，同時在移動寬帶演進過程中依舊保持這樣的地位。微波技術(shù)也發(fā)展迅猛，現(xiàn)已能夠支持多個吉比特的回傳容量[1]。

無線接入網(wǎng)中小站的引入，微蜂窩層面工程實施將會使回傳網(wǎng)面臨新挑戰(zhàn)。典型的全戶外小站是安裝在街道裝飾物或建筑物表面上，距街道高3-6米，站間距離在50-300米之間。由于小站數(shù)量眾多，所以它們需要更經(jīng)濟，可升級的易于安裝的回傳方案。方案需支持在整個無線接入網(wǎng)中更加統(tǒng)一的用戶經(jīng)驗[2]。 傳統(tǒng)的回傳技術(shù)如經(jīng)濟有效的視距微波，光纖和銅線正滿足這一方案新要求。盡管如此，由于建筑物頂高度位置的限制，仍將會有大量的小站不具備通過有線連接或與對方視距連接的條件。非視距(NLOS)并非微波回傳的新挑戰(zhàn)。現(xiàn)存的方法可以克服非視距傳輸。在山區(qū)地勢下，會使用無源反射和中繼站方案，但方案對于成本敏感小站接入由于增加更多站點而成為非理想方案。在都市，每日都在變化的建筑使接入理想站點很困難，而理想站點恰是小站回傳得最有效的方案。盡管如此，將會有一定數(shù)量的站點難以接入，因此需要非視距的微波回傳方案，如圖1所示。

 

 

圖 1 小站部署的非視距回傳舉例

規(guī)劃回傳容量的最終目標就是支持蜂窩的全容量，即站點的峰值容量和平均站點容量[3]。然而，在實踐中，諸如成本和部署小站類型 (容量或覆蓋) 等參數(shù)將決定最終目標容量和可用性。運營商將會做出成本的權(quán)衡，而這一權(quán)衡使回傳容量即至少支持忙時預(yù)期話務(wù)量又滿足未來發(fā)展統(tǒng)計冗余的容量需要。目前對LTE“熱點”小站的目標容量應(yīng)該在50Mbps左右，但如果需要可能靈活提高到100Mbps。這些數(shù)字預(yù)計將在數(shù)年內(nèi)隨業(yè)務(wù)的繼續(xù)增加而增大，同時更多的小站將被采用。宏蜂窩覆蓋范圍內(nèi)的小站回傳可用性指標可放寬至99-99.9%，而那些室外站的可用指標為99.9-99.99%[3]。這種相對較低的可用性指標將只需要針對短鏈路距離的降雨衰耗冗余。始終如一的，回傳性能必須易于預(yù)測和可靠保證低擁有成本。

大多數(shù)的點對點微波的頻譜有效發(fā)牌政策是針對鏈路的牌照。然而，對于小站網(wǎng)絡(luò)部署來說，簡便及許可證費用將會非常重要，因而應(yīng)該考慮另外的頻譜政策。使用“輕牌照(light licensing)” [3] 或“技術(shù)中性模塊牌照technology neutral block licensing”4 是具有吸引力的，因為這個政策會給予運營商部網(wǎng)的靈活性。無需申請頻率的頻帶使用可能很誘人，因為降低成本，但卻存在不可預(yù)知的部署風險問題。而使用57- 64 GHz 頻帶作為國際上無需申請的頻帶預(yù)計比 5.8 G h z 頻段存在更低的風險，這是由于其非常高的大氣衰減、 稀疏的初始部署和使用窄波束緊湊天線有效減少干擾的可能性。

移動寬帶及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，非視距的無線接入在每天的日常生活中被我們所熟悉。然而，公眾存在大量對非視距微波誤傳和誤解，例如，一個就是非視距微波僅限于使用 6 GHz 頻率以下，另一個是必須使用寬束天線和必須使用基于OFDM的無線電技術(shù)。盡管如此，基于6Ghz以上的頻譜用于非視距研究已進行了相當長的時間‎[4] ‎[5]。在文獻‎[6]中，使用24GHz頻譜，一對50MHz帶寬可以完成90%的小站部署，部署容量超過100Mbps。本文我們將繼續(xù)討論NLOS一般原理，澄清NLOS回傳的誤解。我們將展示NLOS測試的高性能指標，總結(jié)出NLOS部署實施的指導建議。

二、 NLOS原理(h1)

任何非視距方案可以為組合的三種基本傳播現(xiàn)象的描述：

• 衍射

• 反射

• 透射

衍射發(fā)生當電磁波點擊一座建筑物的邊緣，并常常被稱為在邊緣上的"彎曲"信號，如圖 1 所示。在現(xiàn)實中，波的能量被分散在到與邊緣垂直的平面。衍射損失隨著"彎曲"尖銳度及更高的頻率而增大，衍射損失可能會大。

反射，尤其是隨機的多徑反射，是對使用寬束天線的無線接入網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。然而，使用窄波束天線的單一路徑反射是更難施工，因為需要找到反射物使其提供適當?shù)娜肷浣牵鐖D 1 所示。

傳播通過完全或部分遮擋視線的對象時，將發(fā)生透射。2 GHz 以上的頻率對大多數(shù)建筑材料下的滲透性差，現(xiàn)實中，透射只是對相對較薄的對象可以實現(xiàn)，如圖 1 所示，例如稀疏樹木。

通過理解這三個非視距傳播原理屬性將可能定義部署簡單的準則，并在任意的情況下得到的傳輸性能有了直觀的理解。但是，每個點的衍射、 反射和透射增加了路徑損耗，并且對傳輸通道計算具有不確定性，因此，我們建議非視距的部署限制到一個或可能是兩個上述的傳輸情景。

NLOS系統(tǒng)的關(guān)鍵特性 (h2)

以傳統(tǒng)的視距微波的鏈路指標的計算公式再加入非視距的衰耗(ΔLNLOS) 即可以得到簡單的NLOS微波鏈路指標計算公式:

 

 

這里PRX和PTX是接收和發(fā)射功率 (dBm) ;GTX 和GRX分別是發(fā)射機和接收機端天線增益 (dBi);d 是鏈路距離 (公里) ;f 是頻率 (GHz) ;LF 是任何衰落損耗 (dB) ;而ΔLNLOS 是由于非視距傳播的額外損耗(dB)。上述公式中并未顯示但很重要的是要意識到如下結(jié)論: 固定尺寸天線的天線增益隨頻率變化而以20log (f) 的關(guān)系變化， 因而實際的接收電平dB數(shù)也將隨頻率的增加而而以20log (f) 的關(guān)系增加 (天線大小不變)。 這表明在小天線占有重要組成因素的小站傳輸中，更高頻率的使用將會帶來更多的傳輸優(yōu)勢。

為了說明非視距傳輸?shù)囊恍┲匾到y(tǒng)性能，我們專門研究了兩種類型的微波回傳系統(tǒng)。第一個系統(tǒng)是在無牌照的 5.8 GHz 頻段商用產(chǎn)品，產(chǎn)品基于 TDD 和 OFDM 技術(shù)使用 64 QAM 調(diào)制方式，利用2 × 2 MIMO (交叉極化) 配置在 40 MHz 信道帶寬中提供 100 Mbps 全雙工峰值吞吐量 (匯聚 200 Mbps)。第二個系統(tǒng)是在持牌 28 GHz 頻段愛立信 MINI-LINK PT 2010商用產(chǎn)品，基于FDD和達到 512 QAM 調(diào)制的單載波技術(shù)。它在一對 56 MHz 信道中提供400 Mbps 全雙工峰值吞吐量。兩個系統(tǒng)均使用自適應(yīng)調(diào)制, 基于接收信號質(zhì)量來適應(yīng)吞吐量，同時兩個系統(tǒng)使用天線的大小幾乎一致， 28 GHz 系統(tǒng)用30 厘米天線，5.8GHz系統(tǒng)使用20 厘米天線。

圖 2表示了兩個系統(tǒng)在不同鏈路距離下的鏈路冗余, 即公式1的計算接受電平與一個特定的調(diào)制方式 (吞吐量) 的接收器閾值之間的差值。如果我們可以預(yù)測用任何非視距場景的額外損失，我們就可以使用圖 2 預(yù)測預(yù)期的吞吐量。圖 2表示了將頻率移到更高頻率的優(yōu)勢，就是在天線尺寸相同的條件下，28GHz系統(tǒng)的鏈路冗余比5.8GHz系統(tǒng)的鏈路冗余高出約20dB。

 

 

圖2 不同吞吐量(調(diào)制級別)時兩個系統(tǒng)的鏈路冗余比較

28GHz(紅色)頻率，輸出功率19dBm, 2x56 MHz信道帶寬(FDD)，38dBi天線增益

5.8GHz(蘭色)頻率，輸出功率19dBm, 40 MHz信道帶寬(TDD)，17dBi天線增益

三、測試

3.1 衍射(h2)

一般誤解是高于6Ghz頻率的電波衍射損耗很高，實際操作中不適合用于NLOS電波傳播。然而，盡管在30°衍射角時，28GHz的絕對損耗40dB高于5.8GHz的34dB 的絕對損耗，但相對差值也只有6dB‎[8]。 這6dB 差值遠遠小于28Ghz 的接近高出30dB的鏈路冗余(圖2)。

圖3(a) 建立了在衍射場景下的兩套NLOS回傳系統(tǒng)。第一個收發(fā)信機放置于圖片中央的辦公樓頂上(紅色標識)。第二個收發(fā)信機放置于自動升降機上，升降機高度為11米，升降機位于13米高的停車樓后面。如圖3(B)。圖3(c)是在低于LOS不同距離的條件下，“刀鋒”模型衍射的理論接收電平‎[8]和測量得到的接收電平比較。 兩套系統(tǒng)發(fā)射功率均為19dBm, 但5.8Ghz天線增益低21 dBi，因而在NLOS傳播后其接收電平要比28GHz的接收電平弱20dB。 28GHz的理論接收電平與實測電平盡管有少量dB 數(shù)的抵消，但仍然吻合。這種抵消是可以預(yù)見的這是因為，模型簡單而實際電波通過至少5個建筑邊緣，每個邊緣都會引起信號損失。總之，衍射損耗遵循刃狀衍射模型[8]。盡管如此，作為一個經(jīng)驗法則，依據(jù)理想模型假設(shè)我們建議，額外 10 dB 冗余需添加到用于預(yù)測目的的損耗計算之中。

 

 

圖 3　利用衍射的非視距回傳 (a)測試站點(大約200米站距)(b)移動升降機 (c) 吞吐量和接收電平與低于視距的高度

由于預(yù)期鏈路冗余高, 28GHz系統(tǒng)比5.8GHz系統(tǒng)在更深的非視距時保持全雙工吞吐量。28GHz系統(tǒng)在距視距條件6米以內(nèi)的NLOS條件下可傳輸全雙工400Mbps吞吐量，對應(yīng)衍射角度為30度。而5.8GHz只在距視距3米以內(nèi)的NLOS條件下才可達到50Mbps。 鏈路冗余是非視距傳播的系統(tǒng)的唯一最重要的系統(tǒng)參數(shù)。在天線尺寸相同的條件下，28GHz系統(tǒng)比5.8GHz系統(tǒng)的性能表現(xiàn)要好得多。

3.2 反射

圖3(上)所示是金屬和磚墻作為在單一反射點時，兩套系統(tǒng)性能均進行了測試。第一個收發(fā)信機置于圖中央的辦公樓樓頂位置(高出地面18米)，第二個收發(fā)信機置于同一辦公樓臨街的5米高的墻上。對面建筑的磚墻作為反射面，總鏈路長度大約100米。反射點入射角大約15度，依據(jù)早前研究的結(jié)論[9] 28GHz和5.8GHz的ΔLNLOS 的值分別是24 dB 和16 dB。反射損耗與反射物材料有著非常決定性的關(guān)系，作為比較，以鄰近的金屬墻面作為反射點時，兩套系統(tǒng)的ΔLNLOS均為大約5 dB。作為結(jié)論，我們做鏈路指標預(yù)測時，可以假設(shè)28GHz的單點反射損耗在5至25dB之間，而5.8GHz系統(tǒng)在5至20dB之間。早期研究所示，表面粗糙度將導致脈沖擴散‎[9]，但這可以通過充分長的均衡器得以可以緩解。圖4(下)兩個系統(tǒng)測試16個小時以上的吞吐量。

圖4所示，28Ghz系統(tǒng)顯示400Mbps 的穩(wěn)定的吞吐量，而5.8GHz由于使用更寬波束的天線，其吞吐量是波動的，其值是在70Mbps 和100Mbps 之間波動。我們認為這是由于寬波束的強多徑傳輸所致。OFDM是針對多徑傳播的有效的抑制技術(shù)。如圖所示嚴重的多徑衰落導致逐級降低的吞吐量。然而采用窄波瓣的28GHz天線，結(jié)合先進的抑制均衡器可以有效抑制多徑衰落，MINI-LINK系統(tǒng)的單載波QAM技術(shù)可以用于非視距傳播，甚至使用56MHz信道帶寬512QAM技術(shù)。

 

 

圖 4 使用反射的非視距回傳站點(上圖)28GHz和5.8GHz系統(tǒng)的吞吐量Mbps(下圖)

3.3 透射

通常的誤解是只有6GHz以下才支持NLOS透射。圖5所示是兩套系統(tǒng)的透射場景下的測試性能。兩個收發(fā)信機分別置于中間有一高大的稀疏的樹和矮的高密度樹兩端，距離150米，樹木造成視距阻斷。圖5測試了樹葉密度對傳播的影響，圖5左是發(fā)射波穿過稀疏的樹木，圖5右是穿過稀疏的樹木和高密度樹木的場景。

 

 

圖 5 應(yīng)用稀疏樹木(左)和高密樹木(右)時透射的非視距回傳. 紅圈指出接收機位置。上面兩圖是保持最高(綠色)和保持最低(紅色)信道幅頻響應(yīng)

圖5(上)所示頻譜是在強風和低強度降雨導致NLOS損耗具有很大不確定性的測試結(jié)果, 如圖 5 所示, 稀疏的樹木增加 6 dB 穿透損失，而濃密的樹木增加 20-40 dB 的穿透損耗。結(jié)論是用于小站回傳高可靠性指標時，對NLOS微波來說，可以接受稀疏的樹木而高密度的樹林是不建議成為NLOS傳輸路徑。如果比較5.8Ghz和28GHz系統(tǒng)，低頻段的系統(tǒng)性能會有些需提高。但仍然是與一般的大眾的誤解相反的，是28GHz 可以用在稀疏綠植的NLOS的條件下，同時達到相當好的性能指標。

四、部署指南

前幾節(jié)我們討論了NLOS傳播，衍射，反射及透射的關(guān)鍵系統(tǒng)指標。本節(jié)我們將演示討論NLOS回傳部署場景的預(yù)測和實際性能測試。

 

 

圖 6 28GHz和5.8GHz的非視距回傳的性能，彩色區(qū)域表示非視距傳輸效果和預(yù)測吞吐量(括弧內(nèi)為5.8Ghz指標)

瑞典哥德堡市區(qū)內(nèi)是用來測試的站點(圖6)。NLOS無線回傳系統(tǒng)的匯聚站點(主站) 是在高出地面13米的車庫的一角，車庫位于這一測試區(qū)域的南部。這一區(qū)域主要以4-6層的辦公樓構(gòu)成，辦公樓是磚和鋼筋的混合墻面，同時還有由南至北方向的10米寬的大街。大街充滿了汽車和公共汽車。建筑墻面由磚面，玻璃及金屬混合組成。

 

 

表 1　不同非視距場景下的ΔLNLOS 和比特率性能經(jīng)驗值

表1 總結(jié)了上文所討論的非視距關(guān)鍵場景下的兩個測試系統(tǒng)的經(jīng)驗法則ΔLNLOS 。作為一個典型的案例假定衍射 30 °。通過使用ΔLNLOS 作為一個經(jīng)驗法則，對于每個非視距方案吞吐量是從圖 2中讀取和表 1匯總。

通過人工站點查驗, 圖6所示是測試區(qū)域的非視距的預(yù)計傳輸效果,同時以不同的顏色區(qū)域繪制。場景范圍包括純視距(綠色)，單一反射點或部分阻礙視線(黃色)，單一遠距反射(藍色)以及雙衍射或雙反射(紅色)。未上色的區(qū)域指示沒有吞吐量預(yù)計或它是測量區(qū)域之外。白色虛線指示對其作了測量的區(qū)域。為簡單起見，部分阻礙的路徑損失，可以以6dB為經(jīng)驗值。

放置在移動升降機上的接收機距地面3米高，接收機隨移動升降機沿主街道由南到北移動，街道近鄰并與峽谷平行。主站與接收機間的全雙工的吞吐量得到了測量。由于5.8GHz天線主瓣較寬，測量過程中無需調(diào)整主站天線。而28Ghz天線主瓣較窄，對每個測試點都需調(diào)整主站天線，但在非視距條件下，28Ghz天線對準也比較簡單。

所有的測試都超過或與預(yù)期的性能(彩色區(qū)域)吻合。對5.8GHz系統(tǒng)，多經(jīng)衰落包括移動車沿峽谷街道移動的影響是巨大的，但對28GHz系統(tǒng)在更困難的場景下輕微地帶來吞吐量的降低也是顯然的。

五、總結(jié)

與常規(guī)的視距回傳系統(tǒng)的相似，非視距回傳鏈路主要得益于大帶寬和大的鏈路冗余。6GHZ頻帶證實可用于非視距傳輸，同時本文指出距離主站在250米的區(qū)域內(nèi)用6GHz系統(tǒng)，適度尺寸的定向天線可以達到小站回傳性能要求。盡管如此，與傳統(tǒng)觀念形成相反結(jié)論，但與理論一致的是，愛立信的MINI-LINK 28GHz產(chǎn)品性能在大多數(shù)非視距的條件下更優(yōu)于6Ghz以下的設(shè)備。主要在于同尺寸天線對比高出20dB天線增益，更寬的頻率帶寬以及穩(wěn)定的單載頻MINI-LINK設(shè)備。在反射，衍射和稀疏葉子的透射時，400Mbps全雙工的吞吐量在實際實施中得到演示。簡單工程部署指南支持鏈路預(yù)測和可靠部署實施。微波回傳因此不僅能夠提供像光纖一樣的多個吉比特的傳輸容量，而且還可以有效地支持接近或非視距的小站回傳的挑戰(zhàn)。

參考文獻

1) J. Hansryd, J. Edstam, Microwave capacity evolution, Ericsson Review, 1/2011, http://www.ericsson.com/res/docs/review/Microwave-Capacity-Evolution.pdf

2) It all comes back to backhaul, Ericsson white paper, February 2012, http://www.ericsson.com/res/docs/whitepapers/WP-Heterogeneous-Networks-Backhaul.pdf

3) NGMN white paper - Small cell backhaul requirements, NGMN Alliance, June 2012, http://www.ngmn.org/uploads/media/NGMN_Whitepaper_Small_Cell_Backhaul_Requirements.pdf

4) Seidel, S.Y.; Arnold, H.W.; , "Propagation measurements at 28 GHz to investigate the performance of local multipoint distribution service (LMDS)," Global Telecommunications Conference, 1995. GLOBECOM '95., IEEE , vol.1, no., pp.754-757 vol.1, 14-16 Nov 1995

5) Rappaport, T.S.; Yijun Qiao; Tamir, J.I.; Murdock, J.N.; Ben-Dor, E.; , "Cellular broadband millimeter wave propagation and angle of arrival for adaptive beam steering systems (invited paper)," Radio and Wireless Symposium (RWS), 2012 IEEE , vol., no., pp.151-154, 15-18 Jan. 2012

6) Coldrey, M.; Koorapaty, H.; Berg, J.-E.; Ghebretensaé, Z.; Hansryd, J.; Derneryd, A.; Falahati, S.; , "Small-Cell Wireless Backhauling: A Non-Line-of-Sight Approach for Point-to-Point Microwave Links," Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2012 IEEE , vol., no., pp.1-5, 3-6 Sept. 2012

7) Fixed service in Europe – current use and future trends post 2012, ECC Report 173, March 2012.

8) Propagation by diffraction, ITU-R P.526

9) Dillard, C.L.; Gallagher, T.M.; Bostian, C.W.; Sweeney, D.G.; , "28 GHz scattering by brick and limestone walls," Antennas and Propagation Society International Symposium, 2003. IEEE , vol.3, no., pp. 1024- 1027 vol.3, 22-27 June 2003

旁注：

A部分：縮略語

FDD Frequency Division Duplex 頻分復(fù)用

FTTC Fiber to the curb 光纖到交接箱

LOS Line-of-sight 可視

nLOS near-line-of-sight 接近可視

NLOS Non-line-of-sight 非可視

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交頻分復(fù)用

QAM Quadrature Amplitude Modulation

TDD Time Division Duplex 時分復(fù)用

B部分

誤傳：非視距傳輸只有6GHz系統(tǒng)才可行

事實：盡管非視距傳播損耗在高頻率會增加，但天線增益增加更多保證了優(yōu)越的鏈路性能，如28Ghz

C 部分

誤傳：非視距傳輸只有使用寬波瓣天線系統(tǒng)才可行

事實：回傳網(wǎng)絡(luò)兩端的射頻在固定位置，窄瓣天線可以輕松安裝調(diào)試以找到最佳非視距路徑，高增益(窄瓣)天線與低增益(寬瓣)比較更能保障優(yōu)越的鏈路性能。

D 部分

誤傳：非視距傳輸只有使用支持OFDM技術(shù)的系統(tǒng)才可行

事實：雖然 OFDM 是克服多經(jīng)的很好的緩解技術(shù)，但更好的解決方案是使用窄波束天線，有效地制止任何多徑影響。非視距回傳可以使用窄波束天線可以支持優(yōu)越的鏈路性能而不使用OFDM。