小基站部署中的非视距微波回传方案

当前微波已是移动回传中的主要传输介质，但应用仍局限在在视距（LOS）条件下。在环境杂乱的都市中部署小基站更需要支持接近和完全非视距的场景。
 

非视距的应用已被无线接入技术所证实，但对高性能的回传仍是一个新的挑战。本文将讨论通用原理，主要系统参数，简单工程指导同时通过演示爱立信28GHz产品和6GHz以下产品的对比提出对一般的观点质疑。

一、背景

点对点微波是灵活快速部署回传网到几乎任意一点的经济有效的技术。它是移动网络中主要的回传方式，同时在移动宽带演进过程中依旧保持这样的地位。微波技术也发展迅猛，现已能够支持多个吉比特的回传容量。

无线接入网中小基站的引入，微蜂窝层面工程实施将会使回传网面临新挑战。典型的全户外小基站是安装在街道装饰物或建筑物表面上，距街道高3-6米，站间距离在50-300米之间。由于小基站数量众多，所以它们需要更经济，可升级的易于安装的回传方案。方案需支持在整个无线接入网中更加统一的用户经验。传统的回传技术如经济有效的视距微波，光纤和铜线正满足这一方案新要求。尽管如此，由于建筑物顶高度位置的限制，仍将会有大量的小基站不具备通过有线连接或与对方视距连接的条件。非视距（NLOS）并非微波回传的新挑战。现存的方法可以克服非视距传输。在山区地势下，会使用无源反射和中继站方案，但方案对于成本敏感小基站接入由于增加更多站点而成为非理想方案。在都市，每日都在变化的建筑使接入理想站点很困难，而理想站点恰是小基站回传得最有效的方案。尽管如此，将会有一定数量的站点难以接入，因此需要非视距的微波回传方案，如图1所示。

图1 小基站部署的非视距回传举例

规划回传容量的最终目标就是支持蜂窝的全容量，即站点的峰值容量和平均站点容量。然而，在实践中，诸如成本和部署小基站类型（容量或覆盖）等参数将决定最终目标容量和可用性。运营商将会做出成本的权衡，而这一权衡使回传容量即至少支持忙时预期话务量又满足未来发展统计冗余的容量需要。目前对LTE“热点”小基站的目标容量应该在50Mbps左右，但如果需要可能灵活提高到100Mbps.这些数字预计将在数年内随业务的继续增加而增大，同时更多的小基站将被采用。宏蜂窝覆盖范围内的小基站回传可用性指标可放宽至99-99.9%，而那些室外站的可用指标为99.9-99.99%.这种相对较低的可用性指标将只需要针对短链路距离的降雨衰耗冗余。始终如一的，回传性能必须易于预测和可靠保证低拥有成本。

大多数的点对点微波的频谱有效发牌政策是针对链路的牌照。然而，对于小基站网络部署来说，简便及许可证费用将会非常重要，因而应该考虑另外的频谱政策。使用“轻牌照（light licensing）”或“技术中性模块牌照technology neutral block licensing”是具有吸引力的，因为这个政策会给予运营商部网的灵活性。无需申请频率的频带使用可能很诱人，因为降低成本，但却存在不可预知的部署风险问题。而使用57- 64GHz频带作为国际上无需申请的频带预计比5.8GHz频段存在更低的风险，这是由于其非常高的大气衰减、稀疏的初始部署和使用窄波束紧凑天线有效减少干扰的可能性。

移动宽带及Wi-Fi网络中，非视距的无线接入在每天的日常生活中被我们所熟悉。然而，公众存在大量对非视距微波误传和误解，例如，一个就是非视距微波仅限于使用6 GHz频率以下，另一个是必须使用宽束天线和必须使用基于OFDM的无线电技术。尽管如此，基于6Ghz以上的频谱用于非视距研究已进行了相当长的时间。在文献中，使用24GHz频谱，一对50MHz带宽可以完成90%的小基站部署，部署容量超过100Mbps。本文我们将继续讨论NLOS一般原理，澄清NLOS回传的误解。我们将展示NLOS测试的高性能指标，总结出NLOS部署实施的指导建议。

二、NLOS原理（H1）

任何非视距方案可以为组合的三种基本传播现象的描述：

衍射,反射,透射

衍射发生当电磁波点击一座建筑物的边缘，并常常被称为在边缘上的"弯曲"信号，如图1所示。在现实中，波的能量被分散在到与边缘垂直的平面。衍射损失随着"弯曲"尖锐度及更高的频率而增大，衍射损失可能会大。

反射，尤其是随机的多径反射，是对使用宽束天线的无线接入网络至关重要。然而，使用窄波束天线的单一路径反射是更难施工，因为需要找到反射物使其提供适当的入射角，如图1所示。

传播通过完全或部分遮挡视线的对象时，将发生透射。2GHz以上的频率对大多数建筑材料下的渗透性差，现实中，透射只是对相对较薄的对象可以实现，如图1所示，例如稀疏树木。

通过理解这三个非视距传播原理属性将可能定义部署简单的准则，并在任意的情况下得到的传输性能有了直观的理解。但是，每个点的衍射、反射和透射增加了路径损耗，并且对传输通道计算具有不确定性，因此，我们建议非视距的部署限制到一个或可能是两个上述的传输情景。

NLOS系统的关键特性（H2）

以传统的视距微波的链路指标的计算公式再加入非视距的衰耗（ΔLNLOS）即可以得到简单的NLOS微波链路指标计算公式：

这里PRX和PTX是接收和发射功率（dBm）；GTX和GRX分别是发射机和接收机端天线增益（dBi）；d是链路距离（公里）；f是频率（GHz）；LF是任何衰落损耗（dB）；而ΔLNLOS是由于非视距传播的额外损耗（dB）。上述公式中并未显示但很重要的是要意识到如下结论：固定尺寸天线的天线增益随频率变化而以20log （f）的关系变化，因而实际的接收电平dB数也将随频率的增加而而以20log （f）的关系增加（天线大小不变）。这表明在小天线占有重要组成因素的小基站传输中，更高频率的使用将会带来更多的传输优势。

为了说明非视距传输的一些重要系统性能，我们专门研究了两种类型的微波回传系统。第一个系统是在无牌照的5.8GHz频段商用产品，产品基于TDD和OFDM技术使用64QAM调制方式，利用2×2MIMO（交叉极化）配置在40MHz信道带宽中提供100Mbps全双工峰值吞吐量（汇聚200 Mbps）。第二个系统是在持牌28GHz频段爱立信MINI-LINK PT 2010商用产品，基于FDD和达到512QAM调制的单载波技术。它在一对56MHz信道中提供400 Mbps全双工峰值吞吐量。两个系统均使用自适应调制，基于接收信号质量来适应吞吐量，同时两个系统使用天线的大小几乎一致，28 GHz系统用30厘米天线，5.8GHz系统使用20厘米天线。