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移动WiMAX的频率复用分析


综 合
丁志刚 夏晓忠: 移动 WiMAX 的频率复用分析

Ge ne ra l

移动 WiMAX 的频率复用分析
The Analysis of Mobile WiMAX Frequency Reuse
丁志刚
Ding Zhigang
1998 年毕业于山东理工大学, 获学士学位, 2001
年毕业于西安电子科技大学, 获硕 士 学 位 。 阿 尔 卡特朗讯 中国) 市场部市场策略经理。 (





简述了网络规划和频率复用问题, 然后详述

了移动 WiMAX 在频率复用度分别为 1 和 3 时的对比 分析, 最后介绍了部分频率复用。 关键词 复用 移动通信

WiMAX

频率复用

部分频率

网络规划

夏晓忠
Xia Xiaozhong
毕业山东大学 计算机科学与技术学院, 获硕士学 位。现在中国人民解放 军 72433 部 队 工 作 , 主 要 研究方向为计算机网络综合管理。

Abs tra ct It briefly describes the issues on network plan- ning and frequency reuse, and gives the comparison of mo- bile WiMAX when the frequency reuse coefficient are 1 and 3, and finally presents partial frequency reuse. Ke ywords Mobile communication WiMAX Frequency reuse Partial frequency reuse Network planning

0 前言
随着 3G 及其演进技术 ( 如 HSDPA/HSUPA) 的 发展, 无线接入方式的宽带化受到越来越多的运营 商和用户的关注。在 2005 年 12 月 7 日最终冻结的

频率复用也称频率再用, 就是重复使用频率。 在 GSM 网络中, 频率复用就是使同一频率覆盖 不同的区域 ( 一个基站或该基站的一个扇区所覆盖 的区域) , 这些使用同一频率的区域彼此需要相隔一 定的距离( 称为同频复用距离) , 以满足将同频干扰 抑制到允许的指标以内。根据 GSM 规范的建议, 通 常在无线网络规划中都采用 4× 频率复用方式, 即 3 扇形小区或 60° 4 个基站区( 每个基站分为 3 个 120° 三叶草形小区) , 12 个扇区为一扇区群。这种频率复 用方式由于同频复用距离大, 能够比较可靠地满足

IEEE 802.16e ( IEEE 802.16- 2005) 规范在原来 IEEE 802.16d 的基础上增加了移动性, 并通过措施保证基
于 IEEE 802.16e 的 终 端 接 入 设 备 能 够 在 基 站 之 间 切换, 使这种宽带接入技术从固定应用扩大到移动 应用。这种基于 IEEE 802.16e 的技术一般称作移动

WiMAX, 该技术支持非视距, 覆盖距离更广, 频谱效
率更高, 被业界认为是超越 3G 技术的下一代移动 通信技术。

GSM 体制对同频干 扰 保 护 比 和 邻 频 干 扰 保 护 比 的
指标要求, 保证 GSM 网络的运行质量和安全性。 在 3G 网 络 中 , WCDMA 的 频 率 复 用 系 数 是 1 , 即所有不同的扇区可以使用相同的频率。该系统利 用编码区分信源, 是干扰受限系统, 容量的实质是干 扰的水平。所以与 GSM 系统不一样, WCDMA 系统 不需要过多考虑频率复用问题。 与 GSM 和 WCDMA 技术相比, 移动 WiMAX 的

1 无线网络规划和频率复用
无线网络规划确保系统符合容量、覆盖以及服 务质量的综合需求, 而频率复用方式是无线网络规 划需要考虑的重要方面。

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OFDMA 技 术 覆 盖 半 径 和 信 道 带 宽 通 常 都 要 大 许
多。其频谱效率的高低对移动 WiMAX 技术的大规 模应用必然会产生影响所以影响整体频谱效率的频 率复用方式就显得非常重要。 移动 WiMAX 的频率复用要确保同一基站的相 邻扇区以及相邻基站的相邻扇区采用不同的频率, 也可以采取相邻扇区使用相同频段的不同子载波的 网络建设 频率资源分配方案, 即部分频率复用方式。 初期, 在容量允许的条件下, 如果不采用部分频率复 用应尽可能减小频率复用度, 为后期网络扩容和优 化预留资源。 随着对网络容量要求的加大, 采用部分 频率复用可以有效解决网络的容量问题。

覆 盖 , SINR 分 布 就 可 以 做 到 这 一 点 。 如 果 在 大 于

90%( 典型值) 的扇区面积 SINR 值满足要求, 即可提
供基本无线业务。 对于每个 SINR 值, 都会 b) 扇区的数据吞吐量。 根据信道环境采用一个最适合的调制编码方式满足 质量要求。因此, 通过扇区的 SINR 分布可以得出扇 区的数据吞吐量的分布, 如果假定扇区内用户地理 上均匀分布, 则可以得出扇区的数据吞吐量。 而扇区内的干扰主受到下面几个因素的影响。

a) 系统复用系数。一般说来, 复用度越低, 干扰
越高( 见图 2 ) 。

2 频率复用分析
2.1 WiMAX 的无线性能标准
移动 WiMAX 是具有高频谱效率的移动宽带无 线接入数据系统。其物理层设计在非常多变的无线 传播环境下, 可以有效地在用户和基站之间传送数 据。IEEE 为此定义了多种调制和编码方式, 使系统 可以根据不同的信道条件动态选择最佳的调制编码 组合。图 1 给出了一个简单示意, 当信道条件较好 时, 可以采用调制方式 64QAM, 同时采用编码效率 更高的信道编码, 提高传输速率; 当信道传输条件恶 劣, 基站无法基于 64QAM 建立连接时, 可以切换为
图2 复用系数对干扰的影响

b) 服务扇区分配子信道的无 线 资 源 管 理 算 法
和物理层调制编码方式的选择。

16QAM 或 QPSK 调制, 同时采用编码效率更低的信
道编码, 这样可以提高传输的可靠性、增大覆盖范 围。

c) 高级无线功能的使用。阿尔卡特朗讯推出产
品最初就采用 AAS, 用来降低同信道干扰。

2.2 复用系数 1 和复用系数 3 的对比 2.2.1 下行链路
复用系数为 1 时, 即使采用 AAS 等干扰消除技 术, 也无法达到满意的覆盖质量( <70% ) 。而复用系 数为 3 时可以更多地采用有效的调制和编码方式, 且覆盖质量高( >95% ) 。 通过 MCS 分布即调制编码方案分布可以得出:
图1 自适应调制方式随覆盖范围而改变

在一个扇区, 复用系数为 1 和 3 时的频谱效率分别 为 1 和 2 bit/s/Hz。 如果考虑一个三扇区站, 则该站在复用系数为

实际上, 移动 WiMAX 的无线性能直接取决于 扇区内的信干噪比 SINR( 信号干扰噪声比) 的分布。

1 和 3 时的整体效率分别为 3 和 2 bit/s/Hz。
图 3 给出了覆盖概率和 MCS 的关系, 说明了采 用不同的复用系数, 不同的 MSC 所能对应达到的覆

SINR 分布可以提供如下信息。 a) 实际扇区覆盖。链路预算无法准确估计扇区

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图3

下行覆盖概率和 MCS 的关系

图4

上行覆盖概率和 MCS 的关系

盖概率。 除了用户数据信号外, 信令信号也需要发送到 所有的用户。使用重复编码广播模可以达到与使用 波束形成的用户数据信号的相同的覆盖质量。复用 系数为 1 时的接收信号并非理想, 而复用系数为 3 时 ( 采用因子为 4 的重复编码) 信号质量就足够好 了。

术, WiMAX 可以获得和传统蜂窝网络相同的覆盖质 量, 而其高带宽和高频谱效率所达到的高数据吞吐 量超过现在的 3G 网络( 如 EV- DO 和 HSDPA) 。 然而, 系统复用系数 1 的整体效率( 如考虑一个

3 扇区的站) 要大于复用系数 3, 但这时系统会产生
非常大的干扰。部分频率复用技术就很好地解决了 这个问题。

2.2.2 上行链路
复用系数为 1 时即使采用 AAS 等干扰消除 技 术, 也无法达到满意的覆盖质量( <80% ) 。而复用系 数为 3 时可以更多采用有效的调制和编码方式, 且 覆盖质量高( >95%) 。 通过 MCS 分布可以得出: 在一个扇区, 复用系 数 为 1 和 3 时 的 频 谱 效 率 分 别 为 1.6 和 2.4 bit/s/

2 部分频率复用
移动 WiMAX 支持系数为 1 的频率复用, 即几 个扇区使用同样频率的信道使得频谱效率最大化。 然而, 采用复用系数 1 会产生严重的同信道干扰, 使 得在小区边缘用户的信号质量变差。 实际上, 在移动

WiMAX 系统中用户使用的子信道仅占用整个信道
带宽的一部分, 通过无线资源管理适当配置子信道 的使用, 不需借助传统的频率规划( 如采用复用系数 为 3 的频率规划) 就可以解决小区边缘的干扰问题。 在移动 WiMAX 中, 子信道分段和排列域使得 子信道复用更加容易和灵活。段就是一个可用

Hz。
如果考虑一个三扇区站, 则该站在复用系数分 别 为 3 和 2 时 的 整 体 效 率 分 别 为 4.8 和 2.4 bit/s/

Hz。
图 4 给出了覆盖概率和 MCS 的关系, 说明了采 用不同的复用系数, 不同的 MSC 所能对应达到的覆 盖概率。 需要指出, 复用系数为 3 并同时采用 AAS 才能 保证覆盖概率达到 95% 。复用系数 1 对于一个站来 说 具 有 较 高 的 整 体 效 率 ( 下 行 是 3 bit/s/Hz, 上 行 是

OFDMA 子信道的子集( 可用包括所有子信道) 。排
列域是在上行或下行一系列使用相同段的 OFDMA 码元。上行或下行子帧可能包含多个排列域 ( 见图

5) 。
通过配置子信道复用模式, 使得接近基站的用 户( 通过其所在域定义) 能够使用所有可用子信道, 而在扇区边缘的用户只能使用部分子信道。图 6 就 说明了部分频率复用的原理。 图 6 中, F1 、 和 F3 代表在相同频率的不同子 F2

4.8 bit/s/Hz) , 但是需要先进的无线资源管理方式。
阿 尔 卡 特 朗 讯 的 WiMAX 解 决 方 案 使 用 AAS 和复用系数为 3 的频率规划, 在最初就可以同时实 现高容量和大覆盖。 事实上, 采用上述提到的两种技

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图5

多排列域帧结构

信道的子集。在这 种频率配置下, 扇 区中心用户采用复 用系数 1 使得频谱 效率最大, 扇区边 缘用户采用部分频
图6 部分频率复用

的影响。通过仿真可以得知, 系统单扇区复用系数 3 的效率要优于复用系数 1 , 但是站的整体效率则是 复用系数 1 时占优, 而这时又会产生较大的干扰。 利 用先进的无线资源管理方式, 采用部分频率复用则 可很好地解决这个问题。 参考文献
1 Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Sys- tems. IEEE P802.16e/D12 , February, 2005 2 Mobile WiMAX - Part I: A Technical Overview and Performance E- valuation. WiMAX Forum, 2006 3 Mobile WiMAX - Part II: A Comparative Analysis. WiMAX Forum, 2006 4 WiMAX End- to- End Network Systems Architecture - Stage 2: Ar- chitecture Tenets , Reference Model and Reference Points. WiMAX Forum, December , 2005
DTP T

率复用保证服务质 量和吞吐量。

系统采用部分频率复用的整体频谱效率优于复 用系数 1 和复用系数 3 的情况, 但目前暂时还没有 获得采用部分频率复用的仿真分析定量的结果。

3 结束语
移动 WiMAX 系统空中接口采用了具有较高频 谱效率的 OFDMA 技术, 实现了移动宽带无线接入, 可以满足企业和个人用户对数据和语音业务的需求 频率复用技术对移动 WiMAX 网络的质量产生较大

收稿日期: 2007- 04- 19

( 编辑

王坚)

西门子信息
西门 子 与 西 南 交 通 大 学 签 署 合 作 协 议 : 近日 , 西 门 子 与 西 南 交 通 大 学 就 全 面 战 略合作签署协议。此次活动标志着西门 子与西南交通大学合作伙伴关系发展 进入 了 新 阶 段 , 同 时 也 见 证 了 西 门 子 在 支持 中 国 铁 路 教 育 事 业 发 展 , 培 养 高 等 人才方面所做出的长期而积极的贡献。 双方合作协议的一项主要内容是 “西门子 铁 路 奖 学 金 ” 划 , 即 西 门 子 每 计 年向西南交通大学提供数十个奖学金

名额 , 以 奖 励 品 学 兼 优 的 大 学 本 科 生 及 研究生。目前奖学金计划主要针对电气 工程学院、 械工程学院、 通与运输 机 交 学院 发 放 , 将 来 会 逐 渐 覆 盖 更 多 学 院 。 此次颁奖仪式上共有 40 名学生获奖。 根据双方协议, 西门子今后会在更 多领域加深与西南交通大学的合作关 系, 如 为 年 轻 的 优 秀 人 才 提 供 到 西 门 子 总部 实 习 的 机 会 , 开 展 研 讨 会 等 学 术 活 动, 以及邀请知名学者、 授到西南交 教 通大 学 讲 学 。 同 时 , 西 南 交 通 大 学 也 会

为西门子员工提供继续在职教育。 ( 康凯) 西 门 子 J uniper 赢 得 南 非 IP 网 络 订 单 : 近日, 西门子近日宣布赢得南非第二大 运 营 商 Neotel 的 全 国 IP 核 心 网 络 和

DWDM 传输网络建设合同。
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