當(dāng)前微波已是移動回傳中的主要傳輸介質(zhì),但應(yīng)用仍局限在在視距(LOS)條件下。在環(huán)境雜亂的都市中部署小站更需要支持接近和完全非視距的場景。
非視距的應(yīng)用已被無線接入技術(shù)所證實(shí)，但對高性能的回傳仍是一個新的挑戰(zhàn)。本文將討論通用原理，主要系統(tǒng)參數(shù)，簡單工程指導(dǎo)同時通過演示愛立信28GHz產(chǎn)品和6Ghz以下產(chǎn)品的對比提出對一般的觀點(diǎn)質(zhì)疑。
一、背景
點(diǎn)對點(diǎn)微波是靈活快速部署回傳網(wǎng)到幾乎任意一點(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，同時在移動寬帶演進(jìn)過程中依舊保持這樣的地位。微波技術(shù)也發(fā)展迅猛，現(xiàn)已能夠支持多個吉比特的回傳容量[1]。
無線接入網(wǎng)中小站的引入，微蜂窩層面工程實(shí)施將會使回傳網(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)，可升級的易于安裝的回傳方案。方案需支持在整個無線接入網(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，由于建筑物頂高度位置的限制，仍將會有大量的小站不具備通過有線連接或與對方視距連接的條件。非視距（NLOS）并非微波回傳的新挑戰(zhàn)。現(xiàn)存的方法可以克服非視距傳輸。在山區(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接入由于增加更多站點(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)恰是小站回傳得最有效的方案。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。
圖 1 小站部署的非視距回傳舉例
規(guī)劃回傳容量的最終目標(biāo)就是支持蜂窩的全容量，即站點(diǎn)的峰值容量和平均站點(diǎn)容量[3]。然而，在實(shí)踐中，諸如成本和部署小站類型 （容量或覆蓋） 等參數(shù)將決定最終目標(biāo)容量和可用性。運(yùn)營商將會做出成本的權(quán)衡，而這一權(quán)衡使回傳容量即至少支持忙時預(yù)期話務(wù)量又滿足未來發(fā)展統(tǒng)計冗余的容量需要。目前對LTE“熱點(diǎn)”小站的目標(biāo)容量應(yīng)該在50Mbps左右，但如果需要可能靈活提高到100Mbps。這些數(shù)字預(yù)計將在數(shù)年內(nèi)隨業(yè)務(wù)的繼續(xù)增加而增大，同時更多的小站將被采用。宏蜂窩覆蓋范圍內(nèi)的小站回傳可用性指標(biāo)可放寬至99-99.9%，而那些室外站的可用指標(biāo)為99.9-99.99%[3]。這種相對較低的可用性指標(biāo)將只需要針對短鏈路距離的降雨衰耗冗余。始終如一的，回傳性能必須易于預(yù)測和可靠保證低擁有成本。
大多數(shù)的點(diǎn)對點(diǎn)微波的頻譜有效發(fā)牌政策是針對鏈路的牌照。然而，對于小站網(wǎng)絡(luò)部署來說，簡便及許可證費(fèi)用將會非常重要，因而應(yīng)該考慮另外的頻譜政策。使用“輕牌照(light licensing)” [3] 或“技術(shù)中性模塊牌照technology neutral block licensing”4 是具有吸引力的，因?yàn)檫@個政策會給予運(yùn)營商部網(wǎng)的靈活性。無需申請頻率的頻帶使用可能很誘人，因?yàn)榻档统杀荆珔s存在不可預(yù)知的部署風(fēng)險問題。而使用57- 64 GHz 頻帶作為國際上無需申請的頻帶預(yù)計比 5.8 G h z 頻段存在更低的風(fēng)險，這是由于其非常高的大氣衰減、 稀疏的初始部署和使用窄波束緊湊天線有效減少干擾的可能性。
移動寬帶及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，非視距的無線接入在每天的日常生活中被我們所熟悉。然而，公眾存在大量對非視距微波誤傳和誤解，例如，一個就是非視距微波僅限于使用 6 GHz 頻率以下，另一個是必須使用寬束天線和必須使用基于OFDM的無線電技術(shù)。盡管如此，基于6Ghz以上的頻譜用于非視距研究已進(jìn)行了相當(dāng)長的時間 [4] [5]。在文獻(xiàn) [6]中，使用24GHz頻譜，一對50MHz帶寬可以完成90%的小站部署，部署容量超過100Mbps。本文我們將繼續(xù)討論NLOS一般原理，澄清NLOS回傳的誤解。我們將展示NLOS測試的高性能指標(biāo)，總結(jié)出NLOS部署實(shí)施的指導(dǎo)建議。
二、 NLOS原理(h1)
任何非視距方案可以為組合的三種基本傳播現(xiàn)象的描述：
衍射
反射
透射
衍射發(fā)生當(dāng)電磁波點(diǎn)擊一座建筑物的邊緣，并常常被稱為在邊緣上的"彎曲"信號，如圖 1 所示。在現(xiàn)實(shí)中，波的能量被分散在到與邊緣垂直的平面。衍射損失隨著"彎曲"尖銳度及更高的頻率而增大，衍射損失可能會大。
反射，尤其是隨機(jī)的多徑反射，是對使用寬束天線的無線接入網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。然而，使用窄波束天線的單一路徑反射是更難施工，因?yàn)樾枰业椒瓷湮锸蛊涮峁┻m當(dāng)?shù)娜肷浣牵鐖D 1 所示。
傳播通過完全或部分遮擋視線的對象時，將發(fā)生透射。2 GHz 以上的頻率對大多數(shù)建筑材料下的滲透性差，現(xiàn)實(shí)中，透射只是對相對較薄的對象可以實(shí)現(xiàn)，如圖 1 所示，例如稀疏樹木。
通過理解這三個非視距傳播原理屬性將可能定義部署簡單的準(zhǔn)則，并在任意的情況下得到的傳輸性能有了直觀的理解。但是，每個點(diǎn)的衍射、 反射和透射增加了路徑損耗，并且對傳輸通道計算具有不確定性，因此，我們建議非視距的部署限制到一個或可能是兩個上述的傳輸情景。
NLOS系統(tǒng)的關(guān)鍵特性 （h2）
以傳統(tǒng)的視距微波的鏈路指標(biāo)的計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)計算公式:
這里PRX和PTX是接收和發(fā)射功率 （dBm） ；GTX 和GRX分別是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)端天線增益 (dBi)；d 是鏈路距離 (公里) ；f 是頻率 (GHz) ；LF 是任何衰落損耗 (dB) ；而ΔLNLOS 是由于非視距傳播的額外損耗(dB)。上述公式中并未顯示但很重要的是要意識到如下結(jié)論: 固定尺寸天線的天線增益隨頻率變化而以20log (f) 的關(guān)系變化， 因而實(shí)際的接收電平dB數(shù)也將隨頻率的增加而而以20log (f) 的關(guān)系增加 (天線大小不變)。 這表明在小天線占有重要組成因素的小站傳輸中，更高頻率的使用將會帶來更多的傳輸優(yōu)勢。
為了說明非視距傳輸?shù)囊恍┲匾到y(tǒng)性能，我們專門研究了兩種類型的微波回傳系統(tǒng)。第一個系統(tǒng)是在無牌照的 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)。第二個系統(tǒng)是在持牌 28 GHz 頻段愛立信 MINI-LINK PT 2010商用產(chǎn)品，基于FDD和達(dá)到 512 QAM 調(diào)制的單載波技術(shù)。它在一對 56 MHz 信道中提供400 Mbps 全雙工峰值吞吐量。兩個系統(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，同時兩個系統(tǒng)使用天線的大小幾乎一致， 28 GHz 系統(tǒng)用30 厘米天線，5.8GHz系統(tǒng)使用20 厘米天線。
圖 2表示了兩個系統(tǒng)在不同鏈路距離下的鏈路冗余, 即公式1的計算接受電平與一個特定的調(diào)制方式 （吞吐量） 的接收器閾值之間的差值。如果我們可以預(yù)測用任何非視距場景的額外損失，我們就可以使用圖 2 預(yù)測預(yù)期的吞吐量。圖 2表示了將頻率移到更高頻率的優(yōu)勢，就是在天線尺寸相同的條件下，28GHz系統(tǒng)的鏈路冗余比5.8GHz系統(tǒng)的鏈路冗余高出約20dB。
圖2 不同吞吐量（調(diào)制級別）時兩個系統(tǒng)的鏈路冗余比較
28GHz（紅色）頻率，輸出功率19dBm, 2x56 MHz信道帶寬（FDD），38dBi天線增益
5.8GHz（蘭色）頻率，輸出功率19dBm, 40 MHz信道帶寬（TDD），17dBi天線增益
三、測試
3.1 衍射(h2)
一般誤解是高于6Ghz頻率的電波衍射損耗很高，實(shí)際操作中不適合用于NLOS電波傳播。然而，盡管在30°衍射角時，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]。 這6dB 差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于28Ghz 的接近高出30dB的鏈路冗余(圖2)。
圖3(a) 建立了在衍射場景下的兩套NLOS回傳系統(tǒng)。第一個收發(fā)信機(jī)放置于圖片中央的辦公樓頂上（紅色標(biāo)識）。第二個收發(fā)信機(jī)放置于自動升降機(jī)上，升降機(jī)高度為11米，升降機(jī)位于13米高的停車樓后面。如圖3（B）。圖3（c）是在低于LOS不同距離的條件下，“刀鋒”模型衍射的理論接收電平 [8]和測量得到的接收電平比較。 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的接收電平弱20dB。 28GHz的理論接收電平與實(shí)測電平盡管有少量dB 數(shù)的抵消，但仍然吻合。這種抵消是可以預(yù)見的這是因?yàn)椋Ｐ秃唵味鴮?shí)際電波通過至少5個建筑邊緣，每個邊緣都會引起信號損失。總之，衍射損耗遵循刃狀衍射模型[8]。盡管如此，作為一個經(jīng)驗(yàn)法則，依據(jù)理想模型假設(shè)我們建議，額外 10 dB 冗余需添加到用于預(yù)測目的的損耗計算之中。
圖 3 利用衍射的非視距回傳 （a）測試站點(diǎn)（大約200米站距）（b）移動升降機(jī) （c） 吞吐量和接收電平與低于視距的高度
由于預(yù)期鏈路冗余高, 28GHz系統(tǒng)比5.8GHz系統(tǒng)在更深的非視距時保持全雙工吞吐量。28GHz系統(tǒng)在距視距條件6米以內(nèi)的NLOS條件下可傳輸全雙工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)。在天線尺寸相同的條件下，28GHz系統(tǒng)比5.8GHz系統(tǒng)的性能表現(xiàn)要好得多。
3.2 反射
圖3（上）所示是金屬和磚墻作為在單一反射點(diǎn)時，兩套系統(tǒng)性能均進(jìn)行了測試。第一個收發(fā)信機(jī)置于圖中央的辦公樓樓頂位置（高出地面18米），第二個收發(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。反射點(diǎn)入射角大約15度，依據(jù)早前研究的結(jié)論[9] 28GHz和5.8GHz的ΔLNLOS 的值分別是24 dB 和16 dB。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)時，兩套系統(tǒng)的ΔLNLOS均為大約5 dB。作為結(jié)論，我們做鏈路指標(biāo)預(yù)測時，可以假設(shè)28GHz的單點(diǎn)反射損耗在5至25dB之間，而5.8GHz系統(tǒng)在5至20dB之間。早期研究所示，表面粗糙度將導(dǎo)致脈沖擴(kuò)散 [9]，但這可以通過充分長的均衡器得以可以緩解。圖4（下）兩個系統(tǒng)測試16個小時以上的吞吐量。
圖4所示，28Ghz系統(tǒng)顯示400Mbps 的穩(wěn)定的吞吐量，而5.8GHz由于使用更寬波束的天線，其吞吐量是波動的，其值是在70Mbps 和100Mbps 之間波動。我們認(rèn)為這是由于寬波束的強(qiáng)多徑傳輸所致。OFDM是針對多徑傳播的有效的抑制技術(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)合先進(jìn)的抑制均衡器可以有效抑制多徑衰落，MINI-LINK系統(tǒng)的單載波QAM技術(shù)可以用于非視距傳播，甚至使用56MHz信道帶寬512QAM技術(shù)。
圖 4 使用反射的非視距回傳站點(diǎn)（上圖）28GHz和5.8GHz系統(tǒng)的吞吐量Mbps(下圖)
3.3 透射
通常的誤解是只有6GHz以下才支持NLOS透射。圖5所示是兩套系統(tǒng)的透射場景下的測試性能。兩個收發(fā)信機(jī)分別置于中間有一高大的稀疏的樹和矮的高密度樹兩端，距離150米，樹木造成視距阻斷。圖5測試了樹葉密度對傳播的影響，圖5左是發(fā)射波穿過稀疏的樹木，圖5右是穿過稀疏的樹木和高密度樹木的場景。
圖 5 應(yīng)用稀疏樹木（左）和高密樹木（右）時透射的非視距回傳. 紅圈指出接收機(jī)位置。上面兩圖是保持最高（綠色）和保持最低（紅色）信道幅頻響應(yīng)
圖5(上)所示頻譜是在強(qiáng)風(fēng)和低強(qiáng)度降雨導(dǎo)致NLOS損耗具有很大不確定性的測試結(jié)果, 如圖 5 所示, 稀疏的樹木增加 6 dB 穿透損失，而濃密的樹木增加 20-40 dB 的穿透損耗。結(jié)論是用于小站回傳高可靠性指標(biāo)時，對NLOS微波來說，可以接受稀疏的樹木而高密度的樹林是不建議成為NLOS傳輸路徑。如果比較5.8Ghz和28GHz系統(tǒng)，低頻段的系統(tǒng)性能會有些需提高。但仍然是與一般的大眾的誤解相反的，是28GHz 可以用在稀疏綠植的NLOS的條件下，同時達(dá)到相當(dāng)好的性能指標(biāo)。
四、部署指南
前幾節(jié)我們討論了NLOS傳播，衍射，反射及透射的關(guān)鍵系統(tǒng)指標(biāo)。本節(jié)我們將演示討論NLOS回傳部署場景的預(yù)測和實(shí)際性能測試。
圖 6 28GHz和5.8GHz的非視距回傳的性能，彩色區(qū)域表示非視距傳輸效果和預(yù)測吞吐量（括弧內(nèi)為5.8Ghz指標(biāo)）
瑞典哥德堡市區(qū)內(nèi)是用來測試的站點(diǎn)（圖6）。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，車庫位于這一測試區(qū)域的南部。這一區(qū)域主要以4-6層的辦公樓構(gòu)成，辦公樓是磚和鋼筋的混合墻面，同時還有由南至北方向的10米寬的大街。大街充滿了汽車和公共汽車。建筑墻面由磚面，玻璃及金屬混合組成。
表 1不同非視距場景下的ΔLNLOS 和比特率性能經(jīng)驗(yàn)值
表 1 總結(jié)了上文所討論的非視距關(guān)鍵場景下的兩個測試系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法則ΔLNLOS 。作為一個典型的案例假定衍射 30 °。通過使用ΔLNLOS 作為一個經(jīng)驗(yàn)法則，對于每個非視距方案吞吐量是從圖 2中讀取和表 1匯總。
通過人工站點(diǎn)查驗(yàn), 圖6所示是測試區(qū)域的非視距的預(yù)計傳輸效果,同時以不同的顏色區(qū)域繪制。場景范圍包括純視距（綠色），單一反射點(diǎn)或部分阻礙視線（黃色），單一遠(yuǎn)距反射（藍(lán)色）以及雙衍射或雙反射（紅色）。未上色的區(qū)域指示沒有吞吐量預(yù)計或它是測量區(qū)域之外。白色虛線指示對其作了測量的區(qū)域。為簡單起見，部分阻礙的路徑損失，可以以6dB為經(jīng)驗(yàn)值。
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)沿主街道由南到北移動，街道近鄰并與峽谷平行。主站與接收機(jī)間的全雙工的吞吐量得到了測量。由于5.8GHz天線主瓣較寬，測量過程中無需調(diào)整主站天線。而28Ghz天線主瓣較窄，對每個測試點(diǎn)都需調(diào)整主站天線，但在非視距條件下，28Ghz天線對準(zhǔn)也比較簡單。
所有的測試都超過或與預(yù)期的性能（彩色區(qū)域）吻合。對5.8GHz系統(tǒng)，多經(jīng)衰落包括移動車沿峽谷街道移動的影響是巨大的，但對28GHz系統(tǒng)在更困難的場景下輕微地帶來吞吐量的降低也是顯然的。
五、總結(jié)
與常規(guī)的視距回傳系統(tǒng)的相似，非視距回傳鏈路主要得益于大帶寬和大的鏈路冗余。6GHZ頻帶證實(shí)可用于非視距傳輸，同時本文指出距離主站在250米的區(qū)域內(nèi)用6GHz系統(tǒng)，適度尺寸的定向天線可以達(dá)到小站回傳性能要求。盡管如此，與傳統(tǒng)觀念形成相反結(jié)論，但與理論一致的是，愛立信的MINI-LINK 28GHz產(chǎn)品性能在大多數(shù)非視距的條件下更優(yōu)于6Ghz以下的設(shè)備。主要在于同尺寸天線對比高出20dB天線增益，更寬的頻率帶寬以及穩(wěn)定的單載頻MINI-LINK設(shè)備。在反射，衍射和稀疏葉子的透射時，400Mbps全雙工的吞吐量在實(shí)際實(shí)施中得到演示。簡單工程部署指南支持鏈路預(yù)測和可靠部署實(shí)施。微波回傳因此不僅能夠提供像光纖一樣的多個吉比特的傳輸容量，而且還可以有效地支持接近或非視距的小站回傳的挑戰(zhàn)。
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旁注：
A部分：縮略語
FDD Frequency Division Duplex 頻分復(fù)用
FTTC Fiber to the curb 光纖到交接箱
LOS Line-of-sight 可視
nLOS near-line-of-sight 接近可視
NLOS Non-line-of-sight 非可視
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交頻分復(fù)用
QAM Quadrature Amplitude Modulation
TDD Time Division Duplex 時分復(fù)用
B部分
誤傳：非視距傳輸只有6GHz系統(tǒng)才可行
事實(shí)：盡管非視距傳播損耗在高頻率會增加，但天線增益增加更多保證了優(yōu)越的鏈路性能，如28Ghz
C 部分
誤傳：非視距傳輸只有使用寬波瓣天線系統(tǒng)才可行
事實(shí)：回傳網(wǎng)絡(luò)兩端的射頻在固定位置，窄瓣天線可以輕松安裝調(diào)試以找到最佳非視距路徑，高增益（窄瓣）天線與低增益（寬瓣）比較更能保障優(yōu)越的鏈路性能。
D 部分
誤傳：非視距傳輸只有使用支持OFDM技術(shù)的系統(tǒng)才可行
事實(shí)：雖然 OFDM 是克服多經(jīng)的很好的緩解技術(shù)，但更好的解決方案是使用窄波束天線，有效地制止任何多徑影響。非視距回傳可以使用窄波束天線可以支持優(yōu)越的鏈路性能而不使用OFDM 。
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