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前沿技術

挑戰與跨越,非視距NLOS場景下的寬帶無線通信系統


時間:2016-10-20 17:01來源:RADWIN 作者:王博 點擊:

 導語:寬帶無線通信作為寬帶有線通信(主要傳輸介質是光纖)的有力補充,在整個傳輸網絡中扮演著重要的角色。寬帶無線通信系統以其低成本、快速部署、性能穩定和特殊場合(如跨越江河)的唯一選擇等顯著特點,存在廣闊的應用空間。大多數寬帶無線通信系統必須以視距LOS(Line-Of-Sight)為基本部署條件,而在實際的應用場景中,很多時候無線是唯一的選擇,同時非視距NLOS(None-Line-Of-Sight)也是無法改變的部署條件。在非視距NLOS條件下,寬帶無線通信系統能否部署?能否提供穩定可靠的高帶寬連接?市面上有沒有靠譜的高帶寬非視距NLOS解決方案?帶寬幾何?本文旨在分析并討論以上問題,并結合部分新興技術和產品,給出基本的判斷和答案。

一、概述
        無線通信,特別是寬帶無線通信一直與應用場景密切相關。拋開解決公眾語音和數據通信的公網移動通信系統不談,傳統的寬帶無線通信系統絕大多數都是基于視距LOS場景傳輸的。視距LOS傳輸的優點在于接收機和發射機之間為“視距”環境,遵照基礎的傳播理論,該條件下的傳輸路徑損耗僅與距離和無線系統工作頻率相關,這樣可以非常簡單地預算出接收機的接收信號強度RSS,并將其與接收機的接收門限進行比較,檢驗并確定一條無線通信鏈路是否可通及通信效果如何。
        實際的寬帶無線通信應用場景千差萬別,并不都能滿足視距LOS條件(或滿足視距條件需要建設非常高的鐵塔,使基礎設施的投資遠高于寬帶無線通信設備的投資),這就帶來一個新的問題:在非視距NLOS場景,寬帶無線通信鏈路是否能夠建立?要討論這個問題,我們首先需要廓清視距LOS和非視距NLOS的基本概念。

二、判定視距LOS和非視距NLOS的方法
        寬帶無線通信系統的應用場景可分為視距LOS和非視距NLOS兩種(還有一種準視距nLOS場景,通常歸類到NLOS統一分析)。字面意義上的“視距”,其實是一種通俗的說法,我們通常認為兩點間相互“可視”便為視距,這是不夠嚴謹的。某些肉眼“可視”的環境如果通過量化的理論計算,其結果可能并不能滿足視距條件-因為無線電波發出后,能量并不僅僅只輻射在一條簡單的直線(如視線一樣)上,而是輻射在一個兩頭尖中間鼓的橄欖型區域中。
        為了更準確量化地確定視距LOS和非視距NLOS,在無線通信系統網絡規劃中,通常使用菲涅爾區的概念。菲涅爾區是無線傳輸不可繞過的一個基本概念,其具體定義比較復雜,篇幅所限,不進行詳細的討論,這里僅給出基本概念和判定依據。
        收發兩天線的連線與障礙物最高點之間的垂直距離,稱為傳播余隙,用Hc表示。
        菲涅爾區(即上文所述的橄欖型區域)的大小一般用第一菲涅爾半徑來標識,用F1表示。
        嚴格的視距LOS要求兩點間的第一菲涅爾區的0.577(通常簡化為0.6)倍內沒有任何阻擋物(如建筑物、樹木或地形凸起等)。即:
        上式中的K為等效地球半徑系數。考慮到大氣折射,實際電波在大氣層中是曲線傳播的,工程上為了計算方便,將電波射線考慮為直線,將彎曲部分計入地球半徑,用K標識等效地球半徑與真實地球半徑的比率,K=4/3為標準大氣折射下的等效地球半徑系數。
        有了以上的量化結果,視距LOS與非視距NLOS的判定變得非常簡單,也更具操作性。為便于理解,示例如下。在Macro Site擬部署一套寬帶無線通信系統,1對3連接,通過計算3跳鏈路的0.6F1包絡圖(一般通過專用通信軟件完成),可快速判斷出Site B為視距LOS,而Site A和Site C為非視距NLOS。
圖1 視距LOS和非視距NLOS的判定示意圖

三、非視距NLOS會帶來哪些挑戰
        如前所述,視距LOS條件下的接收信號強度如前所述非常容易預算,鏈路規劃、安裝調測及通信質量都可以得到很好的保證;非視距NLOS則完全不同。從理論上分析,在非視距環境中,電波傳播直射的情況非常少,基本是衍射、反射、透射的組合。
       衍射指電波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象,衍射會帶來較大的損耗,衍射損耗隨著"彎曲"尖銳度及更高的頻率而增大。
       反射的發生要符合入射角等于反射角的條件,可以是地面反射也可以是建筑物表面反射;可以是單次反射也可以是多次反射。反射會在接收機端造成多路徑信號疊加,帶來信號強度的劇烈變化。
       電波通過完全或部分遮擋視線的對象時,將發生透射。2 GHz 以上的頻率的電波對大多數建筑材料的滲透性很差,實際部署中,透射發生在阻擋物相對較薄的時候,如稀疏樹木或刃形阻擋物。透射如阻擋物本身是變化的(如在建的樓房或不同季節的樹木樹葉增減),損耗也是變化不居的。
       結合理論分析和大量實際測試結果,非視距NLOS主要帶來以下幾種挑戰:
  • 由于障礙物進入第一菲涅爾區,必然引入額外的路徑損耗,由于障礙物的類型千差萬別(如建筑物、樹木或地形凸起等),額外的路徑損耗值無法準確預估;
  • 電波直射路徑被阻擋后,會產生反射、散射、折射、繞射和吸收等各種不可控情況,造成接收信號強度的劇烈變化;
  • 反射后電波極化或許會發生反轉,使接收端與發射端極化不匹配,從而降低接收信號強度;
  • 由于反射等多路徑存在,收發天線或許并不是相向正對時接收信號最強,從而使天線調測對準變得更加艱難(無法確定計算準確的方位角);
  • 由于多路徑的天然存在,會帶來時延不同步等問題,如系統沒有有效的應對手段,數據傳輸的穩定性無法得到保證。
為應對以上挑戰,在非視距NLOS場景,必須有針對性地使用多種技術手段相結合的方式來進行應對。
 
四、對抗非視距NLOS挑戰的技術手段
  1. 盡最大可能增加系統總增益—補償額外損耗(無線設備使用較高輸出功率的發射機;無線設備使用高度靈敏的接收機)
  2. OFDM正交頻分復用調制—利用多徑,減少符號間的干擾,提高可靠性(將發送信號分成許多更小的信號 – 子載波;
    各個子載波重疊占據整個信道帶寬,子載波互相成正交關系,不會相互干擾)。
  3. MIMO多入多出技術—空間分集接收和數據分路徑傳輸,提高可靠性
  4. 自適應調制技術(BPSK/QPSK/16QAM/64QAM)—近距離或非視距NLOS不太嚴重情況使用高階調制方式,提高總帶寬;遠距離或非視距NLOS嚴重情況使用低階調制方式,犧牲部分帶寬,提高健壯性
  5. 自動功率控制(ATPC)—保證接收機一直工作在最佳線性區域(甜區)
  6. 智能天線(Beamforming)—電波能量聚焦終端所在位置,動態提高天線增益,同時盡最大可能降低來自其他系統的干擾(同時顯著減低對其它系統的干擾威脅)
  7. 多重糾錯技術(FEC)—前向糾錯,降低系統誤碼率
  8. 自動重傳技術(ARQ)—當數據出錯時,自動檢測自動重傳

五、高帶寬非視距NLOS寬帶無線技術應用需求分析
       從帶寬角度考慮,非視距NLOS寬帶無線通信系統可大體分為低帶寬和高帶寬兩種情況。低帶寬的非視距NLOS寬帶無線通信系統由于提供的有效帶寬較低(10-30Mbps),業務承載能力較小,需求有限;更多的需求是可用帶寬高于100Mbps以上的高帶寬非視距NLOS應用。國內高帶寬非視距NLOS寬帶無線技術的應用需求可具體分為公網市場需求和專網市場需求兩大方面。
       公網市場的應用需求主要來源于三大運營商的4G 微基站到宏站的回傳需求。在4G時代的城市密集建筑物環境下,為了更靠近4G終端用戶,4G微基站一般都部署在路頂桿、小區樓頂、路邊商鋪等地方,這些地方到宏站的距離一般在300—500米以內,帶寬需求100Mbps以上,一般都不具備有線回傳線路;當考慮使用無線方式到將大量數據回傳到宏站時,又面臨著嚴重的非視距NLOS挑戰。隨著4G建設的進一步深入,4G微基站的高帶寬非視距NLOS回傳需求巨大。
       在專網市場,許多場景如港口、碼頭、大型貨場、發電站、煉油廠等,因環境限制,光纖有線部署困難,必須使用寬帶無線通信系統實現點對點或點對多點的高帶寬連接。部分場景條件理想,可使用視距LOS寬帶無線設備進行連接;但仍有很大一部分場景為非視距NLOS場景,帶寬需求100Mbps以上,必須考慮使用支持高帶寬非視距NLOS傳輸的寬帶無線設備。
        總體而言,高帶寬非視距NLOS寬帶無線技術的產生是由市場需求驅動的,隨著社會經濟的快速發展和人們對更高帶寬的無限需求,高帶寬非視距NLOS應用的需求呈快速增長的態勢。

六、RADWIN JET NLOS高帶寬非視距NLOS寬帶無線通信系統實測
       目前國內市場有許多廠商均宣稱其產品支持高帶寬非視距NLOS傳輸,但具體到實現方式、技術細節、有效帶寬等又都語焉不詳、莫衷一是。
       因為工作關系,筆者接觸到一款以色列RADWIN(瑞贏)公司的支持高帶寬非視距NLOS的產品RADWIN JET NLOS,并有幸現場觀摩了其在香港的一次現場測試。
       測試在香港孫中山紀念公園和某社區樓頂之間進行,兩站測試高度約25米,測試距離0.5公里,測試場景如下圖所示,在距離孫中山紀念公園約0.4公里的地方是林立的高樓,阻擋嚴重,是完全非視距NLOS場景。測試之前,結合多年無線通信經驗,筆者認為在這種嚴重的非視距NLOS場景,無線鏈路能否建立都是問題,更遑論高帶寬。但實際的測試結果讓人大跌眼鏡,連連稱奇。

圖2 測試站點非視距NLOS示意圖
圖3 Site A端測試場景(朝向Site B方向)
圖4 Site B端測試場景(朝向Site A方向)

圖5 接收信號強度RSS情況

圖6 實測雙向凈帶寬(140.8Mbps)
 
根據廠商提供的基本資料,該產品主要特點如下:
電信級的非視距NLOS無線傳輸系統
全調制方式(BPSK-QAM64)統一高發射功率25dBm
350Mbps最大凈帶寬
支持點對點PtP(1對1)和點對多點PtMP部署(1對4)
支持許可頻段(3.5GHz)和免申請頻段(5GHz)
3×3MIMO & OFDM
支持智能Beamforming波束賦形技術(將14dBi@90°的扇區覆蓋天線等效為20dBi@8°的定向天線,整體系統增益提高6dB)
支持天線自動對準功能
支持1588v2和Sync-E時鐘同步以太網協議(透傳骨干網時鐘同步信號)
雙GbE接口
內嵌GPS
內嵌Wi-Fi(調測使用)
支持獨有智能天線調測對準軟件(WinTouch),任何人均可快速安裝部署
 
七、總結
        技術永遠以市場需求為最終推動力,高帶寬非視距NLOS寬帶無線解決方案同樣如此。寬帶無線通信系統可以提供與光纖有線通信系統相媲美的高帶寬和穩定性,并在與時俱進地著力解決應用場景的限制問題。非視距NLOS的確給高帶寬寬帶無線通信體系帶來巨大的挑戰,但并非無法克服,需求不止,技術進步的腳步也永遠不會停止。彌補了高帶寬非視距NLOS傳輸的短板,寬帶無線應用獲得了最大的靈活性,幾乎可以實現在任何場景部署高帶寬寬帶無線通信系統。我們相信,高帶寬非視距NLOS寬帶無線通信系統必將在國內的公網和專網市場獲得越來越多的應用機會,為中國的通信事業發展增光添彩。
 
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