在紛繁的都市環(huán)境中, 更高密度的無線接入網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)為微波回傳帶來新的挑戰(zhàn)。節(jié)點(diǎn)間直接可視距傳輸并非一直可行---這就提出了接近或完全非視距微波回傳的需求。

在建設(shè)無線接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，使用非視距（NLOS）傳播已被證明是可行的探討。但是，在不能直接可視的地方部署高性能的微波回傳網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)仍然是新挑戰(zhàn)。通信行業(yè)傳統(tǒng)的觀念是6Ghz以下的微波可以確保NLOS環(huán)境下的性能。本文將利用20GHz以上頻段盡管在并非直接可視的位置上，證明其實(shí)際更優(yōu)于6Ghz的性能，本文驗(yàn)證了這類觀念，提供了一般原理，關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)和簡單的工程指導(dǎo)。

點(diǎn)對點(diǎn)微波是靈活快速部署回傳網(wǎng)到幾乎任和站點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)。它是移動網(wǎng)絡(luò)中主要的回傳方式，同時(shí)也在移動寬帶演進(jìn)過程中依舊保持同樣重要的地位。微波技術(shù)發(fā)展迅猛，現(xiàn)已能夠支持多個(gè)吉比特的回傳容量[1]。

無線接入網(wǎng)中通過把小站加入到RAN中而實(shí)現(xiàn)宏站層面優(yōu)化部署會使回傳網(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(jì)，可升級并易于安裝的回傳方案。方案需支持在整個(gè)無線接入網(wǎng)中更加統(tǒng)一的用戶經(jīng)驗(yàn)[2]。傳統(tǒng)的回傳技術(shù)如經(jīng)濟(jì)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，由于小站位置低于建筑物頂高度，仍將會有大量小站不具備通過有線連接或與宏站，遠(yuǎn)端光傳輸點(diǎn)視距連接的條件。

由于位置的限制，不具備清晰可視的傳輸條件并非微波工程師的新問題。工程師們現(xiàn)有的方法可以克服非視距傳輸?shù)挠绊憽Ｔ谏絽^(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由于增加更多站點(diǎn)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(diǎn)很困難，而理想站點(diǎn)恰是小站回傳的最有效方案。盡管如此，將會有一定數(shù)量的站點(diǎn)難以接入，因此需要非視距的微波回傳方案，如圖1所示。

在復(fù)雜的位置梅花鏈?zhǔn)峭ǔ１皇褂玫慕尤胝军c(diǎn)方式—也是小站回傳的有效方案(見圖 1)。

圖1小站部署的微波回傳場景

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃師目標(biāo)是規(guī)劃回傳網(wǎng)絡(luò)支持蜂窩峰值容量---目前可達(dá)到100Mbs或更高。然而，在事實(shí)上，在成本，容量和覆蓋之間存在一個(gè)權(quán)衡，這一權(quán)衡使回傳容量至少即支持忙時(shí)預(yù)期話務(wù)量又滿足未來發(fā)展統(tǒng)計(jì)冗余的需要，當(dāng)可用性指標(biāo)放寬至99-99.9%時(shí)，實(shí)際大約是50Mbps。這一可靠性指標(biāo)在短距鏈路時(shí)僅需幾個(gè)dB的冗余。

小站回傳簡單化和頻率許可證成本是建網(wǎng)的重要因素。使用輕牌照或模塊化分配牌照相比于逐條鏈路發(fā)放牌照方式更具有吸引力，因?yàn)檫@給予運(yùn)營商布網(wǎng)的靈活性。使用無需牌照的頻帶可能是很誘人，但卻存在不可預(yù)知干擾且降低網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。使用無需牌照的57- 64 GHz 頻帶預(yù)計(jì)比 5.8 G h z 頻段存在更低的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槠浞浅８叩拇髿馑p、 稀疏的初始部署和使用窄波束天線均可有效減少干擾的可能性。

移動寬帶及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，沒有清晰可視條件的無線接入在每天的日常生活中被我們所熟悉。然而，也許因?yàn)榇耍攀构娖毡榇嬖趯Ψ且暰辔⒉ㄕ`傳和誤解。比如認(rèn)為，非視距微波回傳為滿足覆蓋和容量的需求僅限于使用  6 GHz 頻率以下，使用寬束天線和必須使用基于OFDM的無線電技術(shù)。但是，使用基于6Ghz以上的頻譜用于非視距固定無線接入[5]和移動接入[6]已經(jīng)進(jìn)行了研究。Coldrey et al 證實(shí)使用24GHz頻譜，一對50MHz帶寬可以完成90%的小站部署，容量超過100Mbps[7]。

NLOS原理

如圖1所示，任何NLOS傳播場景都可以是下列一種或多種傳播現(xiàn)象組合：

衍射

反射

透射

所有的電波當(dāng)遭遇障礙物時(shí)都會發(fā)生改變。  當(dāng)電磁波觸擊一座建筑物的邊緣時(shí)，衍射即已發(fā)生—現(xiàn)象是常被描述為彎曲信號。在現(xiàn)實(shí)中，波的能量被分散到與建筑邊緣垂直的平面。可以想象的是，能量損失是與"彎曲"尖銳度及電波頻率成比例對應(yīng)的[8]。

反射，尤其是隨機(jī)的多徑反射，對使用寬束天線的移動寬帶是必然現(xiàn)象。然而，使用窄波束天線的單一路徑反射是更難施工，因?yàn)樾枰业椒瓷湮锴∏墒蛊涮峁┧璧娜肷浣嵌取?/p>

當(dāng)電波通過完全或部分阻礙視線的對象時(shí)，將發(fā)生透射。通常大家的共識是透射導(dǎo)致的路徑損耗更多取決于電波頻率。然而，研究表明實(shí)際由于透射產(chǎn)生的路徑損耗，頻率只是有很小的影響，而阻擋物的厚度和類型本身將對穿透量產(chǎn)生影響[9][10]。薄的非金屬的物質(zhì)，例如稀疏的樹葉，盡管針對高頻段電波也只是增加相對較小的損耗（如圖 1 所示）。

基于上述三種傳輸影響的應(yīng)用和對它們的正確理解，部署指南將為網(wǎng)絡(luò)工程師針對任意場景性能估算提供簡單規(guī)則。

NLOS系統(tǒng)特性

以傳統(tǒng)的視距微波的鏈路指標(biāo)的計(jì)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(biāo)計(jì)算公式1:

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

這里PRX和PTX是接收和發(fā)射電平（dBm - 相對1毫瓦的功率dB值）；GTX 和GRX分別是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)端天線增益 (dBi- 全向性dB相對值)；d 是鏈路距離 (公里) ；f 是頻率 (GHz) ；LF 是任何衰落損耗 (以dB計(jì)) ；而ΔLNLOS 是由于非視距傳播的額外損耗(以dB計(jì))。上述公式中并未明確指出的是理論上天線增益決定于頻率， 固定尺寸天線的天線增益以20log (f) 增加， 因而實(shí)際的接收電平PRX也將隨頻率的增加而以20log (f)值 增加 (天線大小不變)。 這種關(guān)系表明在小天線占有重要組成因素的小站傳輸中，使用更高頻率將會帶來更多的性能優(yōu)勢。

為了說明非視距傳輸?shù)囊恍┲匾到y(tǒng)性能，愛立信專門測量了目前商用的兩種不同頻段微波回傳系統(tǒng)（見表1）。第一個(gè)系統(tǒng)是在無需牌照的 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(gè)系統(tǒng)是需牌照的 28 GHz 頻段愛立信 MINI-LINK PT 2010商用產(chǎn)品，基于FDD，56 MHz 信道和單載波技術(shù)達(dá)到 512 QAM 調(diào)制方式。它在提供400 Mbps 全雙工峰值吞吐量（800 Mbps匯聚）。兩個(gè)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。兩個(gè)系統(tǒng)使用天線的物理尺寸相近，但由于頻率決定天線增益和28Ghz的拋物面天線類型， 28 GHz 系統(tǒng)天線增益是38dBi, 而5.8GHz系統(tǒng)的平板天線增益達(dá)到17dBi。

圖2表示了在不同鏈路距離下的鏈路冗余與吞吐量比較, 冗余定義是接收功率（依據(jù)公式1）與一個(gè)特定的調(diào)制方式 （吞吐量） 的接收器閾值之間的差值—在視距條件下無衰落（LF =0）。如果我們可以預(yù)測由于非視距場景產(chǎn)生的額外損失ΔLNLOS，圖 2中的曲線就可以估算吞吐量。天線尺寸相近的條件下, 使用更高頻率的優(yōu)勢很明顯。28GHz系統(tǒng)400Mbps峰值速率時(shí)的鏈路冗余比5.8GHz系統(tǒng)100Mbps峰值速率時(shí)的鏈路冗余高出約20dB。

圖2  鏈路冗余，吞吐量與站距

測試

衍射

通常人們認(rèn)為高于6Ghz頻率的電波衍射損耗絕對地高，因而使用高頻率部署NLOS傳播的系統(tǒng)是不可行的。然而，盡管在30°衍射角時(shí)，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]。盡管將28Ghz較高的自由空間損耗也列入考慮之列，這6dB 差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相當(dāng)尺寸天線的增益差值(見圖2)。

圖3A和圖3B分別演示了建立設(shè)計(jì)測量衍射的場景和測量結(jié)果。第一個(gè)收發(fā)信機(jī)放置于辦公樓頂上（圖3A中以白色圓圈標(biāo)出）。第二個(gè)收發(fā)信機(jī)放置于移動升降機(jī)上，升降機(jī)放置于13米高的停車樓后面的11米處。通過降低移動升降機(jī)來測量第二個(gè)收發(fā)信機(jī)的接收功率的影響。如圖3B演示了兩套被測系統(tǒng)的測量接收功率值與低于可視線距離的對比，以及通過“刀鋒”模型衍射理論計(jì)算的理論接收電平[8]。 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的接收功率低20dB。

28GHz的實(shí)測功率與理論接收電平吻合很好，盡管有少量dB 數(shù)的偏差。這種偏差是可以預(yù)見的這是因?yàn)槟Ｐ偷暮喕?/p>

總之，衍射損耗可以依據(jù)刃鋒模型估算[8]。盡管如此，由于模型的簡單化，計(jì)算出的損耗有一點(diǎn)被低估了。這可以在規(guī)劃過程中簡單地在損耗冗余上加上幾個(gè)dB作為補(bǔ)償。

由于28GHz系統(tǒng)預(yù)期鏈路冗余高, 它比5.8GHz系統(tǒng)在更深的非視距時(shí)保持全部吞吐量。28GHz系統(tǒng)在距視距條件6米以內(nèi)的NLOS條件下可傳輸全部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(dá)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)。與我們預(yù)期相同，在天線尺寸相近的條件下，28GHz系統(tǒng)在衍射場景下實(shí)際比5.8GHz系統(tǒng)的性能表現(xiàn)要好得多。

反射

圖4A所示是金屬和磚墻構(gòu)成的平面作為在單一反射點(diǎn)時(shí)，5.8GHz和28GHz系統(tǒng)性能均進(jìn)行了測試。第一個(gè)收發(fā)信機(jī)置于辦公樓樓頂位置（以白色圓圈標(biāo)示），其高出地面18米，第二個(gè)收發(fā)信機(jī)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。反射損耗依入射角的不同而不同，本試驗(yàn)中反射點(diǎn)入射角大約15度，28GHz和5.8GHz的ΔLNLOS 的測試結(jié)果分別是24 dB 和16 dB。此數(shù)據(jù)與早前研究結(jié)論[11]相吻合。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(diǎn)同時(shí)入射角相近時(shí)，兩套系統(tǒng)的ΔLNLOS均為大約5dB。

總之，原則上使用多個(gè)反射點(diǎn)傳輸很難達(dá)到的地點(diǎn)是可行的。盡管如此，由于有限的冗余限制和尋找合適反射點(diǎn)的困難，使使用兩個(gè)以上的反射點(diǎn)是實(shí)際難以實(shí)現(xiàn)的。ΔLNLOS在 28GHz在測試區(qū)域的單點(diǎn)反射損耗在5至25dB之間變化，而5.8GHz系統(tǒng)在5至20dB之間。圖4B所示是兩個(gè)系統(tǒng)測試16個(gè)小時(shí)以上的吞吐量。

28GHz系統(tǒng)保持400Mbps穩(wěn)定的吞吐量，而使用寬波束天線的5.8Ghz系統(tǒng)吞吐量在100Mbps和70Mbps之間浮動。這種浮動預(yù)期因?yàn)閷挷ㄊ膹?qiáng)多徑傳輸所致。OFDM是針對多徑傳播的有效的抑制衰落技術(shù)。如圖所示嚴(yán)重的多徑衰落導(dǎo)致逐級降低的吞吐量。然而采用窄波瓣的28GHz天線，結(jié)合高性能MINI—LINK收發(fā)信機(jī)的先進(jìn)的均衡器可以有效抑制多徑衰落，使單載波QAM技術(shù)可以用于非視距條件，甚至包括使用512QAM 和56MHz信道帶寬。

透射

與NLOS反射的場景一樣，透射產(chǎn)生的路徑損耗絕對取決于阻擋視距的障礙物的材料。 圖5A和5B所示是兩套測試系統(tǒng)的場景和性能。兩個(gè)收發(fā)信機(jī)分別置于距離150米的兩端，中間有一棵高大的稀疏的樹和一顆高密度矮樹，樹木造成視距阻斷。調(diào)整置于移動升降機(jī)上的收發(fā)信機(jī)位置，分別測量透射稀疏樹木和更高密度樹木的波束，如圖A所示。圓圈和三角標(biāo)示分別代表波束穿透點(diǎn)。

測試是在降雨和刮風(fēng)的條件下進(jìn)行的，28GHz鏈路接收信號范圍反映了NLOS路徑衰耗變化，如圖5A。NLOS條件下，幅頻包絡(luò)可達(dá)-50dBm。經(jīng)過超過5分鐘的測試，結(jié)果是，單一樹木（稀疏的樹木）場景下，增加的路徑損耗在0和6dB之間不同。在兩棵樹（高密度樹木）場景下，增加路徑損耗會在8dB甚至超過28dB。補(bǔ)充的測試證明5.8GHz系統(tǒng)增加了相似的路徑損耗。

結(jié)論是，一般的大眾的誤解相反，是28GHz 可以用在稀疏綠植的NLOS的條件下，同時(shí)達(dá)到相當(dāng)好的性能指標(biāo)。

部署指南

到目前為止，本文討論了NLOS傳播，衍射，反射及透射的關(guān)鍵系統(tǒng)指標(biāo)，批駁了只有6Ghz以下才可以使用的誤解。下一步是應(yīng)用理論和測試結(jié)果指導(dǎo)微波回傳實(shí)際場景的部署。

表2是針對每一個(gè)NLOS場景，使用測得的損耗同時(shí)結(jié)合圖2的曲線圖得出的指導(dǎo)性吞吐量。

圖6所示是試驗(yàn)站點(diǎn)，用來測量NLOS回傳部署場景的覆蓋范圍。測試區(qū)域以4-6層的辦公樓為主，   建筑墻面由磚面，玻璃及金屬混合組成。NLOS無線回傳系統(tǒng)的匯聚站點(diǎn)(主站)  是在高出地面13米的車庫的一角，位于這一測試區(qū)域的南端。應(yīng)用衍射，反射和透射的損耗測量值，作為經(jīng)驗(yàn)法則；根據(jù)圖2的曲線圖讀出指導(dǎo)性吞吐量，并總結(jié)在表2之中。

圖6中的彩色區(qū)域是測試區(qū)域的可視條件。黃色區(qū)域代表單點(diǎn)反射區(qū)域，藍(lán)色代表衍射區(qū)域，紅色區(qū)域代表需要雙反射點(diǎn)，未上色的區(qū)域表示預(yù)計(jì)沒有吞吐量或它是測量區(qū)域之外。白色虛線指示對其作了測量的區(qū)域。依據(jù)表2，5.8Ghz在距離匯聚站半徑250米范圍內(nèi)滿足小站回傳需要（）50Mbps）是可行的；而28Ghz系統(tǒng)在距匯聚站500米的范圍內(nèi)全雙工吞吐量可大于100Mbps。為了準(zhǔn)確測量主站與接收機(jī)間的全雙工的吞吐量，放置在移動升降機(jī)上的接收機(jī)距地面3米高，接收機(jī)隨移動升降機(jī)沿主街道和鄰近街道移動。由于5.8GHz采用寬束天線，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(gè)測試點(diǎn)都需調(diào)整主站天線，但盡管在非視距條件下，28Ghz天線對準(zhǔn)也比較簡單。

在每個(gè)測試點(diǎn)的實(shí)際測量值 都超過或與表2預(yù)期的性能相吻合。由于缺少合適的反射平面，只能針對雙反射點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了有限的幾點(diǎn)測試（圖6中測試區(qū)域中的紅色區(qū)域）。5.8GHz系統(tǒng)多經(jīng)衰落的影響是巨大的，這種影響包括移動車沿峽谷街道移動的反射。但對28GHz系統(tǒng)在更困難的場景下只是輕微地降低了一點(diǎn)吞吐量。

總結(jié)

在傳統(tǒng)的LOS方案中，高系統(tǒng)增益用來支持需要的鏈路站距并抵消降雨衰耗。對于短距方案，這個(gè)增益可以補(bǔ)償NLOS傳播損耗。6GHZ頻帶被證實(shí)作為傳統(tǒng)的NLOS應(yīng)用，本文也證明了這點(diǎn)，應(yīng)用該頻段可用于NLOS移動回傳方案。但是，與公眾理念相反，但與理論相一致的是，20GHz以上頻段的MINI-LINK產(chǎn)品在大多數(shù)NLOS條件下的性能比6Ghz以下設(shè)備更優(yōu)越。

能使用高頻段的主要關(guān)鍵參數(shù)是在同尺寸天線下非常高的天線增益。僅僅依據(jù)幾個(gè)簡單的工程指南，完全有可能部署高性能的NLOS回傳網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，有大量的20Ghz的專用頻譜可用，微波回傳不僅能夠支持象光纖一樣的多個(gè)吉比特容量，而且還可以支持小站高性能回傳，甚至是在并非直接可視的地點(diǎn)。

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

翻譯:潘景勝