天地共网WiMAX系统性能分析

WiMAX是现今比较热的宽带无线接入技术，随着国际电联(ITU)接受其成为3G标准之一，WiMAX将得到新的发展机遇与应用空间。WiMAX标准中提出了的大容量、高带宽、支持固定与移动应用，运营商们对此技术寄予厚望，并已开始陆续建设地面的实验/商用网络。但各种地面无线网络因为受地理环境、频谱资源、站点高度等因素限制，至今仍不能满足全覆盖、高带宽的要求。

为了解决上述问题，ITU曾提出过相关建议：将HAPs置于20km的平流层中，提供3G等宽带接入服务。所谓平流层通信，指的是利用位于平流层的飞艇、气球等承载工具作为安置平台，在其上搭载高空基站(HAP)的通信方式。HAP一般距离地面17～22km，可以实现单站上千平方公里的覆盖面积。这不仅减少了全网基站数量，而且解决了现有地面网络无法覆盖地域的有效覆盖。由于地面无线基站密度过高、频率资源也很稀缺，所以天地一体化部署基站、使用同频组网的技术，对于实际应用尤为重要。那么，将平流层通信与WiMAX结合起来，是否可行呢？

对于WiMAX来说，地面建网与基于平流层建网各有优势。采用平流层基站(H-BS)部署的WiMAX网络，由于其基站高度更高，覆盖更广，可以有效减少基站数量，并保证大部分情况下的视距(LOS)条件通信。而相比卫星通信来说，H-BS因距地面较近，空间损耗更小，其所需的发射功率也小很多。另一方面，H-BS比T-BS (地面基站)覆盖范围大得多，也没有建筑物、树木遮档等非视距(NLOS)条件引起的衰落大。因此，在2-11GHz频段内，天地共网的WiMAX系统即可用于视距通信也可用于非视距通信。在城市，我们用地面建网方式保证热点区域容量；而在人烟稀少的地区，用平流层建网方式保证大面积覆盖。天地共网，互为补充，是WiMAX系统普及应用的重要途径。

本文讨论当平流层WiMAX基站与地面WiMAX基站的覆盖区域相互独立或有重叠两种情况下，基站间的相互影响及下行链路性能指标。这种影响由多种因素共同作用产生：如基站发射功率、天线波束带宽、地面热噪声、传播模型等等。为保证系统性能，需要对WiMAX HAPs下行功率进行控制，以减少对WiMAX系统中地面基站的干扰。通过本文实验结果，可得出以下结论：通过相应手段，天地共网的WiMAX基站可以使用同一频段对某一区域进行分层覆盖。

本文分别讨论基本系统参数及传播模型、评估不同条件下的系统性能，并介绍H-BS与T-BS覆盖区域之间距离固定情况下的相互干扰，通过对基站下行链路的载噪比 (CNR)、载波干扰噪声比(CINR)和干噪比 (INR)的比较，对系统性能做深入分析，还通过H-BS与T-BS覆盖区间距变化时三个参数的对比，讨论WiMAX天地共网的可行性，最后介绍如何通过对H-BS下行功率进行控制来改善网络性能。

系统参数与模型

我们设定的实验环境包括一个T-BS，一个H-BS，及一个测试接收站。T-BS与H-BS的覆盖区间距固定。我们定义H-BS与T-BS覆盖区间距为T-BS覆盖区右侧边缘到H-BS覆盖区左侧边缘间的距离，具体网络部署情况见图1。

图1：T-BS，H-BS及单个测试站的WiMAX系统网络配置。

H-BS天线增益为，为测试站到H-BS联线与H-BS垂线间夹角。测试站天线增益为，为来波方向与测试站天线焦线间的夹角。与功率滚降系数n成余弦函数关系。增益具体值可由公式(1)(2)得出。H-BS高度为17km。T-BS，H-BS均工作于3.5GHz频段。

式中GH与GU分别表示H-BS天线及测试站天线0度角增益。nH和nU分别表示两种天线的主瓣功率滚降因子。Sf表示天线第一副瓣最大增益，单位为dB，H-BS天线由于主瓣很宽，因此副瓣影响乎略不计。

为改善H-BS覆盖区边缘性能，本实验中H-BS选用10dB滚降的方向性天线。天线焦线指向H-BS地面投影中心点，覆盖区域为标准圆形，接收电平低于中心点10dB的一圈定义为覆盖区域边缘。即=(参见图2)

图2：B点的干扰来自H-BS，A点的干扰来自T-BS。

H-BS下行链路损耗按自由空间损耗模型计算：

H-BS的高度与T-BS相比大很多，因此，不考虑H-BS信号的衍射及阴影效应。

基于地面部署的WiMAX系统，其典型的基站覆盖半径是7km，基站初始发射功率一般为40dBm。考虑到WiMAX系统可用频段为2-11GHz，(目前国际通行为3.5GHz)，而人们常用的Hata-Okumura 无线传播模型更适用于2GHz以下的频段，因此，本文采用郊区路损模型来计算WiMAX系统空间损耗PLT。计算公式如下：

PLT由3部分组成：正常空间损耗PLM，接收天线高度修正因子，频率修正因子。其中PLM由AT&T模型给出。IEEE802.16标准中，根据天线高度及工作频段，使用，两个因子对PLM进行修正。另外根据SUI模型的定义，采用T-BS地面WiMAX系统的空间损耗又分为A，B，C三类。本文使用C类模型(平原/低植被覆盖区域)作为T-BS的损耗模型。