LMDS系统应用中几个热点问题的分析

大唐电信科技股份有限公司无线通信公司 魏忠和　总工程师

　　LMDS（26GHz）系统自1998年开始进入中国市场，历经两年多的技术试验阶段后，终于完成了行业标准和频率规划的制定，并于2002年开始进入了商用试验阶段。目前，信息产业部电信管理局已批准了中国移动、中国联通、中国电信和中国网通四个运营商开展26GHz LMDS接入网业务的运营许可，信息产业部无线电管理局正在为上述四个运营商各自上报的第一批开展商用试验的城市分配频率资源。26 LMDS系统的商业应用即将拉开序幕。

　　26频段频谱资源丰富，按FDD双工方式规划的LMDS工作频率范围为24450--27000MHz，其中，可用带宽为：1008MHz×2，可采用的波道配置有4种方案，其基本信道间隔为3.5MHz、7MHz、14MHz和28MHz。工作在26GHz的LMDS系统相对低频段无线接入系统而言自然其接入带宽大是其重要的特点，系统的主流技术均是以支持综合业务接入为设计目标，当前，LMDS系统空中接口协议没有也难以形成统一的标准，设计者从不同的视角和性能价格比的权衡中设计了各具差异性的LMDS产品，在一定程度上给运营商的技术选择带来些困惑，实际上选择本身就是一种权衡的过程，任何事物都有一定的两面性，从单一视角看问题往往是片面的，本文针对LMDS系统的几　　个热点问题开展分析以供参考。

　　一、雨衰及可用性

　　影响LMDS系统可用性的因素：

　　设备的可靠性（取决于设备的质量和所提供的冗余度）

　　为LMDS系统供电的外部电源系统的可靠性

　　反常传播（净空衰落和降水）

　　维护组织的有效性

　　由人为干扰引起的意外中断

　　其他干扰

　　在评估系统可用性时，设备可靠性和反常传播是主要的关注因素。

　　2、设备对系统不可用性的影响：

　　设备的可靠性通常用"平均故障间隔时间"MTBF来表征，在评估设备对系统不可用性影响时，还需考虑维护组织的有效性及设备的可维护性水平，他们决定了当系统出现故障时所需的平均修复时间（用MTTR表征）的长短，以大唐无线通信公司的R3000 LMDS系统为例，说明由于设备特性所引入的不可用性指标如下：

　　MTBF=20万小时

　　MTTR=2小时（因LMDS系统应用于城市环境，交通方便，基站各部件可热插拔，CPE按模块化设计，网管系统完善）则设备的不可用性=[100-（MTBF×100/MTBF+MTTR）]×100%=0.1%

在R3000 LMDS系统中，基站是有冗余设计的（主控板、ATM复用板、电源系统、调制单元、上下变频单元及ODU均可按1+1或N+1冗余配置）。但在所有点对多点的LMDS系统产品中，这些冗余设计均是有损伤切换的，对可用性的改善度主要体现在MTTR中，冗余对外部馈电系统故障及雨衰中断不起任何作用。

3、反常传播对可用性的影响：

（1）阻挡衰落：

　　阻挡衰落是指由于电波传播路径不满足余隙标准而带来的附加衰减，在LMDS系统应用环境下，造成余隙不够的主要因素是建筑物阻挡，例如：在26GHz频段，2Km路径按0.6F1（F1：第一菲涅尔区半径）设计，在路径中点的余隙应大于或等于2.4米，这个余隙标准不仅针对从建筑物顶部电波穿越时要得到保证，而且包括从建筑物边缘（楼间）穿越时也应有足够的余隙。

　　当余隙小于0.6F1时将出现阻挡衰减，衰减的大小取决于余隙的尺寸和阻挡物的物理形状，阻挡衰减势必使衰落储备降低，虽然在LMDS系统应用中由于空中传输距离较小，平衰落引起的中断问题可以不予考虑，但衰落储备的降低必定使降雨带来的不可用性指标恶化，在LMDS系统传输设计和工程实施中应引起足够重视。

（2）多径衰落：

　　由于工作在26GHz的LMDS系统大多是在城市环境中应用，传输距离短，建筑物对26GHz频率的信号反射衰减较大（约20dB以上），因此，多径引起的衰落现象对不可用性指标带来的影响很小，可以不予考虑。

（3）降雨衰减：

　　由于LMDS系统工作在26GHz频段，其波长与雨滴尺寸相近，因此，由于降雨对电波引起的吸引和散射将使信号经受衰减，这种衰减呈现非选择性能和缓慢的时变特性，是导致信号劣化，影响系统可用性的主要因素，国际电信联盟对降雨的影响已进行了深入研究，在ITU-R P.837建议中，将地球分为15个降雨气候区，分别以大写字母A到Q来表示，每一降雨区是以与它相关的降雨强度统计来表证，并给出了对应不同降雨强度所发生的时间概率。遵照ITU-R P.838建议，可以针对工作频率、极化和降雨率计算比衰减（dB／Km）和有效路径长度（这是考虑到在整个传输段长度上降雨强度不是均匀分布的缘故），进而可以针对衰落储备值Ft计算出在一定传输距离下，降雨衰减超出Ft的时间百分数P，或反之，根据雨衰特性及Ft求出在保证P值一定的情况下可用的通信距离是多少。必要时，还可以根据在ITU-R P.841建议，从长期百分数P变换到最坏月份百分数Pu。

　　在考虑LMDS因雨衰引起的不可用性指标时，时间百分数P即为不可用性指标。

　　4、关于LMDS系统不可用性分析：

　　由上述分析可以看出，LMDS系统的不可用性主要是降雨引起的，在26GHz频段不能简单的因雨衰的影响就做出使用LMDS系统将面临极大运营风险的结论，下面几点分析可供参考：

　　 （1）根据ITU-R提供的雨区分布图，我国雨衰较大的地区主要集中在广东、广西、福建、浙江等沿海地区，其他大部分地区因降雨引起的不可用性是可以承受的，如果保证可用性指标达到99.99%，在北方及中西部地区通信距离可达到2-5Km左右，在南方多雨地区可达到0.5-2Km，如果可用性指标降低到99.9%，达到中等质量的应用水平，LMDS系统覆盖范围还可进一步得到改善。

（2）保证足够的衰落储备是提高可用性的重要条件之一。决定衰落储备大小的主要因素有最大发信功率，收发天线增益，接收机的门限电平（BER=10-3）及空间传输损耗等，前三项因素是所选择设备的固有特性决定的，但在发信功率、接收门限一定条件下尽量选择高增益天线是有益的。空间传输损耗除自由空间传输损耗外，应尽量通过设计和施工确保不再增加阻挡衰减的成分，在同一地区，选择不同厂家的设备，以及不同的工程服务支持能力，在相同的距离上将会有不同的可用性指标出现，这是值得使用LMDS系统的运营商注意的一个问题。

　　（3）关于ATPC（自动发信功率控制）

　　ATPC技术本身主要是为了解决系统间干扰及雨衰两个互相矛盾的问题而设计的，LMDS系统是点对多点通信系统，在一个扇区内，不同的用户终端与基站距离不同，在同一基站范围内最好的设计是所有扇区及一个扇区内的所有远端站达到基站接收机的收信电平相近，这样可减少扇区之间或同一扇区由不同远端站引入的相互干扰，因此需要系统具备ATPC功能，而在考虑同城域不同基站之间的干扰时，希望各基站在保证必要的误码特性条件下（BER=10-9），尽量降低发信功率，那么，这势必使每段电路的衰落储备降低，在出现一般降雨时，不可用性指标就已开始劣化。因此，兼顾雨衰而引起的不可用性，在系统设计时采用了ATPC技术，使随着雨衰的增加和误码性能的恶化，系统自动调整发信功率，直到最大发信功率为止，从而解决了前述所说明的矛盾问题。由于雨衰而导致的不可用性是由最大发信功率决定的，因此ATPC并不会对系统可用性指标带来改善。

　　二、 关于调制方式：

　　多数LMDS系统产品采用QPSK（或4QAM）和16QAM自适应调制方式，部分产品仅使用QPSK（或4QAM）一种调整方式，大唐无线通信公司的R3000 LMDS系统采用了QPSK和16QAM自适应调制技术及RS前向纠错，接收机门限在BER=10-9时分别是－77dBm／１６ＱＡＭ和－８３.３dBm／ＱＰＳＫ，两种调制方式在系统参数相同的情况下，衰落储备差6.3dB，有人认为从抗雨衰能力的角度出发，16QAM技术并不可取，这种看法是片面的，因为，对一个特定的降雨区要求可用性指标达到99.99%时，最大通信距离必然是按QPSK调制方式下估算的，如果同样在这个距离上使用16QAM调制方式时，可用性指标将劣化到95%，这就意味着LMDS系统可以在95%的时间内可以工作在16QAM方式下，也就是在95%的时间内在14MHz带宽上可传输16Mbps速率信号，仅在5%的时间段因降雨调整到QPSK方式下工作，此时，在14MHz带宽上仅可传输16Mbps速率信号，相比之下，单纯采用QPSK（或４ＱＡＭ）调制方式的系统，在同样距离上９９.９９％的时间，在１４MHz带宽上，都只能传输１６Mbps速率信号，两者的优劣自然是十分清楚的。当然上面在１６ＱＡＭ方式下的可用性数据仅是一个设计期望值，实际情况会因不同气候区而异，大唐无线通信公司的Ｒ３０００　ＬＭＤＳ系统１６ＱＡＭ与ＱＰＳＫ自适应转换的判决区间是ＳNR ＝（１６-２５） dB。 在考虑到１６ＱＡＭ与ＱＰＳＫ两种调制方式下，传输速率相差一倍的因素时，凡具有这种性能的ＬＭＤＳ系统对用户业务的ＱＯＳ保证应有相应的策略。有的ＬＭＤＳ系统设计时， 规定了一个载波允许ＩＰ业务应用的带宽上限，其他带宽用于最高优先级的专线业务，有的ＬＭＤＳ系统设有安排ＩＰ业务的带宽上限，在这种情况下，网络规划时需要小心，即当以专线业务为主的应用时，其可用带宽应以ＱＰＳＫ方式下的传输速率为依据，或当即有专线业务，又有ＩＰ业务时，可以在一个载波上，按ＱＰＳＫ条件下安排一定的专线业务带宽，在１６ＱＡＭ条件下，按ＣＯＳ等级为不同用户的ＩＰ业务分配带宽，如果专线业务带宽不足，或承诺带宽业务较多时，可通过增加扇区载波数量的方法予以解决。当然，在不同降雨区，业务带宽分配策略可以灵活运用。

　　在合理的安排策略下，在降雨期间，随降雨强度的逐渐增加，ＩＰ业务将会根据业务优先级的设置自动调整其吞吐量，而专线业务带宽仍会得到保证，但误码性能会逐渐变差，直到因降雨强度过大，因ＳNR恶化到ＱＰＳＫ门限以下，则所有业务将会中断。

　　三、关于载波带宽的选择：

　　根据YD/T 1186-2002《接入网技术要求-26GHz LMDS本地多点分配系统》的规定，LMDS系统的载波带宽可以选择3.5MHz、7MHz、14MHz和28MHz，选择哪种载波带宽主要是根据业务需要而定，不同的载波带宽除了可支持业务的能力不同外，还会影响到传输性能上的差异及制造成本上的不同，运营商可以根据实际需要从多个方面进行权衡。以14MHz和28MHz两种载波带宽进行比较时，如果两个产品均在QPSK调制方式下比较，14MHz可支持16Mbps传输净速率，而28MHz可支持32Mbps传输净速率，若在16QAM方式下比较，则14MHz可支持36Mbps传输净速率，28MHz可支持52Mbps传输速率，当单个远端站接口需要的业务速率高于40Mbps时，当然采用28MHz/16QAM方式的产品是合适的，但值得注意的是，如果载波带宽采用28MHz，但只能工作在QPSK方式下，那么14MHz/16QAM与28MHz/QPSK两者在业务速率上是相同的，在14MHz/16QAM和28MHz/QPSK两种方式上权衡可以考虑的因素大致如下：

　　1、与可用性相关的接收机门限：

　　在数字调制解调技术中，门限比特差错率（BER=10-3）条件下，归一化信噪比Eb/No 16QAM要比QPSK差约7dB，那么，在接收机噪声系数和噪声带宽相同情况下，16QAM调制方式比QPSK调制方式的接收机门限电平要恶化约7dB。如果用16QAM@14MHz与QPSK@28MHz两者比较，在相同的接收机噪声系数下，后者的噪声带宽增加了一倍，因此两者的接收机门限仅差约4dB，这也就是说，当考虑采用QPSK以适应雨衰引起的不可用性问题，再将占用带宽提高一倍以提高传输速率的权衡设计中，实际上付出了接收机门限比QPSK@14MHz方式恶化了3dB的代价，与16QAM@14MHz方式相比对抗雨衰性能上的改善并不十分明显，这种情况下，只有在采用QPSK@28MHz方式的同时，发信功率相应比16QAM@14MHz系统再提高3dB才是有意义的。

　　2、16QAM@28MHz方式的选择：如果选用28MHz载波带宽，采用QPSK/16QAM自适应调制方式开展设计，那么，QPSK@28MHz方式前述已做过说明，16QAM@28MHz方式，显然又比16QAM@14MHz方式接收机门限恶化了3dB，如果LMDS系统在16QAM/14MHz方式下接收机门限为－77dBm的话，那么16QAM/28MHz方式下接收机门限仅为－74dBn，与QPSK@14MHz相比接收机门限有近10dB的差距，这在沿海地区LMDS系统应用的抗雨衰特性带来严重威胁。

　　16QAM@28MHz在内陆地区雨衰不十分严重的环境下是可以考虑采用的，因为在这种方式下，单载波可支持52Mbps接入速率，对于大客户要求一个端口接入速率大于40MHz的应用是有利的，但在目前运营商的业务需求中，这种单端口要求如此高带宽的情况并不多见。

　　3、单载波28MHz带宽与频谱规划的关系：

　　在LMDS系统商用试验期间，运营商可获得的频率资源约2×56MHz，随着业务扩展，频率资源不足时获得2×112MHz资源的条件是有可能达到的，在2×56MHz可用带宽条件下，基站扇区之间及小区之间的频谱规划可以有两种方式：

　　载波带宽14MHz的频谱规划：

　　将56MHz带宽分为4个载频F1，F2，F3，F4，将4个载频分为2个载频组，即F1F3或F2F4，相邻扇区采用不同载频组。在一个基站内载频组可以复用。

　　载波带宽28MHz的频谱规划：

　　56MHz带宽只能支持2个载频工作，相邻扇区采用不同载频，在一个基站内载频可以复用。

　　在频谱规划方面，到底采用14MHz载波好些，还是采用28MHz载波好些，一个直观的评估是，28MHz载波带宽其接收机滤波器的噪声带宽必然比14MHz载波带宽其接收机滤波器的噪声带宽要大一倍，无论在抗同频干扰，还是抗邻频干扰的能力上必然也要差，根据国外一些知名公司的研究报告分析，在LMDS系统的频谱规划中，为了解决同城域不同运营商之间的邻频干扰问题，建议两个运营商在相邻载频上，各自留出14MHz的保护带以支持28MHz载频带宽的业务应用，这就充分说明了应用28MHz载频带宽对频谱规划所带来的影响。

　　当然，在保证门限电率恶化1dB的条件下，同频信干比与邻频信干比的指标是与制造商的发射频谱及接收滤波器指标密切相关的，针对每个制造商的LMDS产品实际测试指标去进行频谱规划设计才是可靠的。

结束语：

　　LMDS宽带无线接入系统在解决城域网中大客户接入、商住大楼、驻地网接入及移动通信传送网的项目中，有广泛的应用前景，但由于其技术具有相当的复杂性，通过一篇文章难以覆盖更多热点问题的讨论，比如空中接口是采用ATM方式还是采用IP或PCM方式，TDMA与FDMA比较哪种方式频谱率更高，LMDS系统动态带宽分配的能力到是如何保证的？如何设计LMDS系统商业运营模式等等诸多问题，大唐无线公司的研究人员将会陆续发表相关文章供广大用户参考。

大唐科技股份有限公司供稿，CHINA通信网组稿