爱立信：小站非视距微波回传解决方案

在纷繁的都市环境中, 更高密度的无线接入网络演进为微波回传带来新的挑战。节点间直接可视距传输并非一直可行---这就提出了接近或完全非视距微波回传的需求。

在建设无线接入网络时，使用非视距（NLOS）传播已被证明是可行的探讨。但是，在不能直接可视的地方部署高性能的微波回传网络对网络建设仍然是新挑战。通信行业传统的观念是6Ghz以下的微波可以确保NLOS环境下的性能。本文将利用20GHz以上频段尽管在并非直接可视的位置上，证明其实际更优于6Ghz的性能，本文验证了这类观念，提供了一般原理，关键系统参数和简单的工程指导。

点对点微波是灵活快速部署回传网到几乎任和站点的经济有效的技术。它是移动网络中主要的回传方式，同时也在移动宽带演进过程中依旧保持同样重要的地位。微波技术发展迅猛，现已能够支持多个吉比特的回传容量[1]。

无线接入网中通过把小站加入到RAN中而实现宏站层面优化部署会使回传网面临新挑战。典型的全户外小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。由于小站数量众多，所以它们需要更经济，可升级并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[2]。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，由于小站位置低于建筑物顶高度，仍将会有大量小站不具备通过有线连接或与宏站，远端光传输点视距连接的条件。

由于位置的限制，不具备清晰可视的传输条件并非微波工程师的新问题。工程师们现有的方法可以克服非视距传输的影响。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站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，而理想站点恰是小站回传的最有效方案。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。

在复杂的位置梅花链是通常被使用的接入站点方式—也是小站回传的有效方案(见图 1)。

图1小站部署的微波回传场景

网络规划师目标是规划回传网络支持蜂窝峰值容量---目前可达到100Mbs或更高。然而，在事实上，在成本，容量和覆盖之间存在一个权衡，这一权衡使回传容量至少即支持忙时预期话务量又满足未来发展统计冗余的需要，当可用性指标放宽至99-99.9%时，实际大约是50Mbps。这一可靠性指标在短距链路时仅需几个dB的冗余。

小站回传简单化和频率许可证成本是建网的重要因素。使用轻牌照或模块化分配牌照相比于逐条链路发放牌照方式更具有吸引力，因为这给予运营商布网的灵活性。使用无需牌照的频带可能是很诱人，但却存在不可预知干扰且降低网络指标。使用无需牌照的57- 64 GHz 频带预计比 5.8 G h z 频段存在更低的风险，因为其非常高的大气衰减、 稀疏的初始部署和使用窄波束天线均可有效减少干扰的可能性。

移动宽带及Wi-Fi网络中，没有清晰可视条件的无线接入在每天的日常生活中被我们所熟悉。然而，也许因为此，才使公众普遍存在对非视距微波误传和误解。比如认为，非视距微波回传为满足覆盖和容量的需求仅限于使用  6 GHz 频率以下，使用宽束天线和必须使用基于OFDM的无线电技术。但是，使用基于6Ghz以上的频谱用于非视距固定无线接入[5]和移动接入[6]已经进行了研究。Coldrey et al 证实使用24GHz频谱，一对50MHz带宽可以完成90%的小站部署，容量超过100Mbps[7]。

NLOS原理

如图1所示，任何NLOS传播场景都可以是下列一种或多种传播现象组合：

衍射

反射

透射

所有的电波当遭遇障碍物时都会发生改变。  当电磁波触击一座建筑物的边缘时，衍射即已发生—现象是常被描述为弯曲信号。在现实中，波的能量被分散到与建筑边缘垂直的平面。可以想象的是，能量损失是与"弯曲"尖锐度及电波频率成比例对应的[8]。

反射，尤其是随机的多径反射，对使用宽束天线的移动宽带是必然现象。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恰巧使其提供所需的入射角度。

当电波通过完全或部分阻碍视线的对象时，将发生透射。通常大家的共识是透射导致的路径损耗更多取决于电波频率。然而，研究表明实际由于透射产生的路径损耗，频率只是有很小的影响，而阻挡物的厚度和类型本身将对穿透量产生影响[9][10]。薄的非金属的物质，例如稀疏的树叶，尽管针对高频段电波也只是增加相对较小的损耗（如图 1 所示）。

基于上述三种传输影响的应用和对它们的正确理解，部署指南将为网络工程师针对任意场景性能估算提供简单规则。

NLOS系统特性

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1:

公式 1：PRX=PTX+GTX+GRX-92-20log(d)-20log(f)-LF-ΔLNLOS

这里PRX和PTX是接收和发射电平（dBm - 相对1毫瓦的功率dB值）；GTX 和GRX分别是发射机和接收机端天线增益 (dBi- 全向性dB相对值)；d 是链路距离 (公里) ；f 是频率 (GHz) ；LF 是任何衰落损耗 (以dB计) ；而ΔLNLOS 是由于非视距传播的额外损耗(以dB计)。上述公式中并未明确指出的是理论上天线增益决定于频率， 固定尺寸天线的天线增益以20log (f) 增加， 因而实际的接收电平PRX也将随频率的增加而以20log (f)值 增加 (天线大小不变)。 这种关系表明在小天线占有重要组成因素的小站传输中，使用更高频率将会带来更多的性能优势。

为了说明非视距传输的一些重要系统性能，爱立信专门测量了目前商用的两种不同频段微波回传系统（见表1）。第一个系统是在无需牌照的 5.8 GHz 频段商用产品，产品基于 TDD 和 OFDM 技术使用 64 QAM 调制方式，利用2 × 2 MIMO （交叉极化) 配置在 40 MHz 信道带宽中提供 100 Mbps 全双工峰值吞吐量 (汇聚 200 Mbps)。 第二个系统是需牌照的 28 GHz 频段爱立信 MINI-LINK PT 2010商用产品，基于FDD，56 MHz 信道和单载波技术达到 512 QAM 调制方式。它在提供400 Mbps 全双工峰值吞吐量（800 Mbps汇聚）。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。两个系统使用天线的物理尺寸相近，但由于频率决定天线增益和28Ghz的抛物面天线类型， 28 GHz 系统天线增益是38dBi, 而5.8GHz系统的平板天线增益达到17dBi。

图2表示了在不同链路距离下的链路冗余与吞吐量比较, 冗余定义是接收功率（依据公式1）与一个特定的调制方式 （吞吐量） 的接收器阈值之间的差值—在视距条件下无衰落（LF =0）。如果我们可以预测由于非视距场景产生的额外损失ΔLNLOS，图 2中的曲线就可以估算吞吐量。天线尺寸相近的条件下, 使用更高频率的优势很明显。28GHz系统400Mbps峰值速率时的链路冗余比5.8GHz系统100Mbps峰值速率时的链路冗余高出约20dB。

图2  链路冗余，吞吐量与站距

测试

衍射

通常人们认为高于6Ghz频率的电波衍射损耗绝对地高，因而使用高频率部署NLOS传播的系统是不可行的。然而，尽管在30°衍射角时，28GHz的绝对损耗40dB高于5.8GHz的34dB 的绝对损耗，但相对差值也只有6dB[8]。尽管将28Ghz较高的自由空间损耗也列入考虑之列，这6dB 差值远远小于相当尺寸天线的增益差值(见图2)。

图3A和图3B分别演示了建立设计测量衍射的场景和测量结果。第一个收发信机放置于办公楼顶上（图3A中以白色圆圈标出）。第二个收发信机放置于移动升降机上，升降机放置于13米高的停车楼后面的11米处。通过降低移动升降机来测量第二个收发信机的接收功率的影响。如图3B演示了两套被测系统的测量接收功率值与低于可视线距离的对比，以及通过"刀锋"模型衍射理论计算的理论接收电平[8]。 两套系统发射功率均为19dBm, 但5.8Ghz天线增益低21 dBi，因而在NLOS传播后其接收电平要比28GHz的接收功率低20dB。

28GHz的实测功率与理论接收电平吻合很好，尽管有少量dB 数的偏差。这种偏差是可以预见的这是因为模型的简化。

总之，衍射损耗可以依据刃锋模型估算[8]。尽管如此，由于模型的简单化，计算出的损耗有一点被低估了。这可以在规划过程中简单地在损耗冗余上加上几个dB作为补偿。

由于28GHz系统预期链路冗余高, 它比5.8GHz系统在更深的非视距时保持全部吞吐量。28GHz系统在距视距条件6米以内的NLOS条件下可传输全部400Mbps吞吐量，对应衍射角度为30度。而5.8GHz只在距视距3米以内的NLOS条件下才可达到50Mbps。 链路冗余是非视距传播的系统的唯一最重要的系统参数。与我们预期相同，在天线尺寸相近的条件下，28GHz系统在衍射场景下实际比5.8GHz系统的性能表现要好得多。

反射

图4A所示是金属和砖墙构成的平面作为在单一反射点时，5.8GHz和28GHz系统性能均进行了测试。第一个收发信机置于办公楼楼顶位置（以白色圆圈标示），其高出地面18米，第二个收发信机置于同一办公楼临街的5米高的墙上。对面建筑的砖墙作为反射面，总链路长度大约100米。反射损耗依入射角的不同而不同，本试验中反射点入射角大约15度，28GHz和5.8GHz的ΔLNLOS 的测试结果分别是24 dB 和16 dB。此数据与早前研究结论[11]相吻合。反射损耗与反射物材料有着非常决定性的关系，作为比较，以邻近的金属墙面作为反射点同时入射角相近时，两套系统的ΔLNLOS均为大约5dB。

总之，原则上使用多个反射点传输很难达到的地点是可行的。尽管如此，由于有限的冗余限制和寻找合适反射点的困难，使使用两个以上的反射点是实际难以实现的。ΔLNLOS在 28GHz在测试区域的单点反射损耗在5至25dB之间变化，而5.8GHz系统在5至20dB之间。图4B所示是两个系统测试16个小时以上的吞吐量。

28GHz系统保持400Mbps稳定的吞吐量，而使用宽波束天线的5.8Ghz系统吞吐量在100Mbps和70Mbps之间浮动。这种浮动预期因为宽波束的强多径传输所致。OFDM是针对多径传播的有效的抑制衰落技术。如图所示严重的多径衰落导致逐级降低的吞吐量。然而采用窄波瓣的28GHz天线，结合高性能MINI—LINK收发信机的先进的均衡器可以有效抑制多径衰落，使单载波QAM技术可以用于非视距条件，甚至包括使用512QAM 和56MHz信道带宽。

透射

与NLOS反射的场景一样，透射产生的路径损耗绝对取决于阻挡视距的障碍物的材料。 图5A和5B所示是两套测试系统的场景和性能。两个收发信机分别置于距离150米的两端，中间有一棵高大的稀疏的树和一颗高密度矮树，树木造成视距阻断。调整置于移动升降机上的收发信机位置，分别测量透射稀疏树木和更高密度树木的波束，如图A所示。圆圈和三角标示分别代表波束穿透点。

测试是在降雨和刮风的条件下进行的，28GHz链路接收信号范围反映了NLOS路径衰耗变化，如图5A。NLOS条件下，幅频包络可达-50dBm。经过超过5分钟的测试，结果是，单一树木（稀疏的树木）场景下，增加的路径损耗在0和6dB之间不同。在两棵树（高密度树木）场景下，增加路径损耗会在8dB甚至超过28dB。补充的测试证明5.8GHz系统增加了相似的路径损耗。

结论是，一般的大众的误解相反，是28GHz 可以用在稀疏绿植的NLOS的条件下，同时达到相当好的性能指标。

部署指南

到目前为止，本文讨论了NLOS传播，衍射，反射及透射的关键系统指标，批驳了只有6Ghz以下才可以使用的误解。下一步是应用理论和测试结果指导微波回传实际场景的部署。

表2是针对每一个NLOS场景，使用测得的损耗同时结合图2的曲线图得出的指导性吞吐量。

图6所示是试验站点，用来测量NLOS回传部署场景的覆盖范围。测试区域以4-6层的办公楼为主，   建筑墙面由砖面，玻璃及金属混合组成。NLOS无线回传系统的汇聚站点(主站)  是在高出地面13米的车库的一角，位于这一测试区域的南端。应用衍射，反射和透射的损耗测量值，作为经验法则；根据图2的曲线图读出指导性吞吐量，并总结在表2之中。

图6中的彩色区域是测试区域的可视条件。黄色区域代表单点反射区域，蓝色代表衍射区域，红色区域代表需要双反射点，未上色的区域表示预计没有吞吐量或它是测量区域之外。白色虚线指示对其作了测量的区域。依据表2，5.8Ghz在距离汇聚站半径250米范围内满足小站回传需要（）50Mbps）是可行的；而28Ghz系统在距汇聚站500米的范围内全双工吞吐量可大于100Mbps。为了准确测量主站与接收机间的全双工的吞吐量，放置在移动升降机上的接收机距地面3米高，接收机随移动升降机沿主街道和邻近街道移动。由于5.8GHz采用宽束天线，测量过程中无需调整主站天线。而28Ghz天线主瓣较窄，对每个测试点都需调整主站天线，但尽管在非视距条件下，28Ghz天线对准也比较简单。

在每个测试点的实际测量值 都超过或与表2预期的性能相吻合。由于缺少合适的反射平面，只能针对双反射点技术进行了有限的几点测试（图6中测试区域中的红色区域）。5.8GHz系统多经衰落的影响是巨大的，这种影响包括移动车沿峡谷街道移动的反射。但对28GHz系统在更困难的场景下只是轻微地降低了一点吞吐量。

总结

在传统的LOS方案中，高系统增益用来支持需要的链路站距并抵消降雨衰耗。对于短距方案，这个增益可以补偿NLOS传播损耗。6GHZ频带被证实作为传统的NLOS应用，本文也证明了这点，应用该频段可用于NLOS移动回传方案。但是，与公众理念相反，但与理论相一致的是，20GHz以上频段的MINI-LINK产品在大多数NLOS条件下的性能比6Ghz以下设备更优越。

能使用高频段的主要关键参数是在同尺寸天线下非常高的天线增益。仅仅依据几个简单的工程指南，完全有可能部署高性能的NLOS回传网络。同时，有大量的20Ghz的专用频谱可用，微波回传不仅能够支持象光纤一样的多个吉比特容量，而且还可以支持小站高性能回传，甚至是在并非直接可视的地点。

作者：JONASHANSRYD,JONASEDSTAM, BENGT-ERIK OLSSON 和 CHRISTINA LARSSON

翻译:潘景胜