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移动WiMAX容量分析_图文


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移动 WiMAX 容量分析
梅亮,杨大成
北京邮电大学电信工程学院,北京 (100876)
E-mail:meiliang1983@gmail.cn

摘 要:在 WiMAX 加入 3G 标准行列之后,WiMAX 在产业界和学术界受到了广泛关注。 对于 WiMAX 的容量,也是一个争议话题。本文通过提出完整的 WiMAX 系统仿真方法论, 并经仿真实现,对 WiMAX 系统容量进行相关分析,并对比 3G 其它系统,做出了一些相关 结论。 关键词:3G;WiMAX;QoS;容量分析

1.引言
WiMAX是一种宽带无线城域网技术,移动WiMAX是基于IEEE802.16e标准的[1]。 WiMAX技术在这样的背景下产生,定位为宽带无线城域网技术。WiMAX论坛对于WiMAX 技术的推广起到了积极作用。WiMAX技术是产业界和学术界的热门的话题。现在WiMAX 成为了3G标准之一,意义重大和深远。 除了WiMAX对传统无线传输技术的冲击之外,其技术本身也倍受争议。WiMAX论坛 宣称WiMAX可实现半径十几公里的覆盖和单扇区75Mbit/s的吞吐量,而实际网络性能如何, 本文将通过科学的仿真方法,对WiMAX系统吞吐量进行估算。

2.WiMAX容量分析
容量和覆盖是无线网络规划和优化的两个主要方面。 容量分析主要考察系统吞吐量。 可 以从扇区吞吐量出发,来考察这一指标。扇区吞吐量指在扇区资源一定配置的情况下,通过 仿真,进行干扰计算和资源调度,从而得到扇区吞吐量。本文将对 WiMAX 容量进行科学分 析。

2.1 系统参数设置
系统参数: 系统工作带宽:10MHz 工作频率:2.3GHz 采样频率:11.2MHz FFT 点数:1024 子载波间隔:10.94kHz 有效符号时间:91.4?s 保护时间:11.4?s OFDMA 符号周期:102.9?s 帧周期:5ms 热噪声密度:-174dbm/Hz 频率复用因子:1

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下行子信道数:30 上行子信道;35 下行数据符号数:35(其中系统开销为 7) 上行数据符号数 :13(其中系统开销为 4) 小区最大发射功率 :43dbm 基站天线增益:15dbi 基站天线高:30m 馈线损耗:3db 噪声系数:6db 快衰模型:Jakes 模型

2.2 传播模型
由于 WiMAX 许可的频段是 2.3, 2.5, 3.5GHz, 在常用传播模型中, 只有 COST231-Hata 模型在 2GHz 附近较使用,因此选用 COST231-Hata 模型[2]。 COST-231Hata 模型路径损耗计算的经验公式为:

L ( dB ) = 46.3 + 33.9log10 fc ? 13.82log10 hte ? α ( hre ) + ( 44.9 ? 6.55log10 hte ) log10 d + Ccell + Cterrain + CM
式中, C M 为大城市中心校正因子。

(1)

? 0 dB 中等城市和郊区 CM = ? 大城 市中心 ?3 dB
:工作频率; 其中 f c (MHz)

(2)

hte (m) :基站天线有效高度,定义为基站天线实际海拔高度与基站沿传播方向实际距
离内的平均地面海拔高度之差;

hre (m) :移动台有效天线高度,定义为移动台天线高出地表的高度;
d (km) :基站天线和移动台天线之间的水平距离;

α (hre ) :有效天线修正因子,是覆盖区大小的函数。
2.3 天线
定向基站使用定向天线,全向基站使用全向天线。在仿真中,基站均为三扇区拓扑结 构,都分配定向天线,天线水平增益图见下图。

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图 1 天线水平增益图

2.4 业务模型
为了满足 QoS 机制, WiMAX 协议规定了四种业务类型 UGS (主动授权业务) rtPS , (实 时轮询业务),nrtPS(非实时轮询业务) ,BE(尽力而为业务)[3]。三者的优先级依次降低。 由于本文主要进行 WiMAX 系统容量的考察,所以只使用 FTP(属于 nrtPS)模型。FTP 业 务建模采用 ETSI 标准模型,参数如下所示:

图 2 FTP 业务模型

2.5 干扰计算
在 Wimax 系统中,干扰计算公式如下: 下行方向, 干扰=本小区邻频干扰 (多谱勒频移) +邻小区同频干扰+邻小区邻频干扰 (多 谱勒频移)+邻小区上行干扰(同步) 由上述条件,只考虑邻小区同频干扰。 Wimax 里面频域上分配的最小单位是一个子信道,一个子信道包含多个子载波,具体 数目根据变换域的不同而不同。 假设用户 i 分配的子载波数量为 M(先不区分载波类型) , 那么第 m 个子载波受同频干扰为
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I

m ,i

=

∑ P
K

k ,m

G

k

/

L

k ,i

(3)

K 为干扰邻小区数, 天线增益,

P

k ,m

为邻小区 k 在子载波 m 上分配的发射功率,

G

k

为小区 k 的

L

k ,i

为小区 k 到用户 i 的路径损耗。那么,载波 m 的 SIR 可以得到
i
m ,i

SIR = P / I P 为有用信号的接收功率。
m

(4)

i

这样,M 个载波的综合有效 SIR 可由下面公式得到

SIR

eff

= ? β ln(

1 M

∑e
m =1

M

?

SIR m
β

)

(5)

其中 M 为使用子载波数, β 是链路级仿真得到的关于调制编码方式的一个参数。 上行方向也只考虑邻小区的同频干扰,方法与下行方向相同。

2.6 调度算法
调度算法采用 PF(正比公平调度算法) 。

S = arg max i

DRCi Eα

(6)

其中 α=0.75,E 使用下面这个递归的公式来结算,表示在时间窗口 T=1000 时隙内的指 数平均的正确传输 bit 数:

E ( n + 1) =

T ?1 1 E ( n) + r ( n) T T

(7)

其中 r(n)表示在第 n 个调度周期内成功传输的 bit 数。

3.实验及结果分析
在仿真中,配置每扇区用户数为 20,且上下行均处于激活状态。仿真采用蒙特卡洛方 法,时隙驱动。下面将展示一些仿真结果。下图 3 是截取的部分扇区的吞吐量。

图 3 WiMAX 扇区吞吐量示例

下图 4 是截取的 WiMAX 网络吞吐量,即各仿真扇区的吞吐量的平均值。

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图 4 WiMAX 网络吞吐量

由于 WiMAX 物理层采用了 OFDMA 技术[4], 从某种意义上讲, WiMAX 系统可被视作 资源受限的系统。所以,MCS 等级,对于考察系统容量有很大的意义。下图 5 是 WiMAX 下行 MCS 等级示意图。

图 5 WiMAX 网络下行 MCS 等级

从上述仿真结果来看,WiMAX 系统能够提供的扇区吞吐量,远远小于其标榜的 75Mbit/s。同时这个下行 5.8Mbit/s 的吞吐量,比最近 WiMAX 论坛公布的 8.8Mbit/s 的吞吐 量也要小。尽管如此,由于 WiMAX 采用了先进的物理层技术,在吞吐量方面,对比 3G 其 他技术,仍然有一定优势,但并没有 WiMAX 论坛宣称的那么优势巨大。

4.总结
本文通过介绍完整的 WiMAX 系统仿真, 从系统容量角度出发, WiMAX 网络性能进 对 行了分析。WiMAX 由于使用频段较高,当前常用模型中选用 COST231-Hata 模型。本文通 过建立合适的业务,合理的干扰计算和调度算法,对 WiMAX 系统容量进行了仿真计算。 WiMAX 系统,由于采用了先进的物理层技术,对 3G 其他系统带来了一定的冲击。虽 然 WiMAX 系统在频谱利用率方面有一定的优势,其系统吞吐量也倍受 WiMAX 论坛吹捧, 但是从仿真结果来看,WiMAX 系统吞吐量相对于 3G 其他系统虽然有一定优势,但并没有 WiMAX 论坛宣称的那么巨大。尽管如此,WiMAX 作为 3G 标准之一,其发展前景仍然值 得期待。

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参考文献
[1] Harri Holma Antti Toskala.《WCDMA 技术与系统设计》,北京:机械工业出版社,2005.7. [2] 杨大成等.《cdma2000 1x 移动通信系统》[M],北京:机械工业出版社,2003.1. [3] IEEE 802.16-2004, “IEEE Standard for Local and Metropolitan Areas Networks Part16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access System, IEEE std 802.16-2004” October 1, 2004. [4] J. Chen, W. Jiao, and H. Wang, "A fair scheduling for IEEE 802.16 broadband wireless access systems", ICC2005, May 16-20, Seoul, Korea.

Capacity Analysis of Mobile WiMAX
Mei Liang, Yang Dacheng
School of Telecommunication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications Beijing, China (100876) Abstract After WiMAX was adopted as a standard of 3G, WiMAX obtained so much attention. The capaticy of mobile WiMAX is is also disputed. In this paper, a complete WiMAX simulation system will be introduced. The capacity of WiMAX system will be displayed via this system. A compare between WiMAX and other 3G system will be given, and the result indicated that the capacity of WiMAX is one of its advantage, but it’s not so good as WiMAX forum declared. Keywords: 3G, WiMAX, QoS, capacity analysis

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