非視距NLOS場(chǎng)景下的寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)

王 博

（以色列瑞贏有限公司中國(guó)代表處，北京 100010）

非視距NLOS場(chǎng)景下的寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)

王 博

（以色列瑞贏有限公司中國(guó)代表處，北京 100010）

本文分析并討論了在非視距NLOS條件下，寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)能否部署？能否提供穩(wěn)定可靠的高帶寬連接？市面上有沒(méi)有靠譜的高帶寬非視距NLOS解決方案？

寬帶無(wú)線(xiàn)通信；視距；非視距；菲涅爾區(qū)；OFDM；MIMO

1 引言

無(wú)線(xiàn)通信，特別是寬帶無(wú)線(xiàn)通信一直與應(yīng)用場(chǎng)景密切相關(guān)，拋開(kāi)解決公眾語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信的公網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)不談，傳統(tǒng)的寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)絕大多數(shù)都是基于視距LOS場(chǎng)景傳輸?shù)摹Ｒ暰郘OS傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間為“視距”環(huán)境，遵照基礎(chǔ)的傳播理論，該條件下的傳輸路徑損耗僅與距離和無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)工作頻率相關(guān)，這樣可以非常簡(jiǎn)單地預(yù)算出接收機(jī)的接收信號(hào)強(qiáng)度RSS，并將其與接收機(jī)的接收門(mén)限進(jìn)行比較，檢驗(yàn)并確定一條無(wú)線(xiàn)通信鏈路是否可通及通信效果如何。

實(shí)際的寬帶無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用場(chǎng)景千差萬(wàn)別，并不都能滿(mǎn)足視距LOS條件（或滿(mǎn)足視距條件需要建設(shè)非常高的鐵塔，使基礎(chǔ)設(shè)施的投資遠(yuǎn)高于寬帶無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的投資），這就帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題：在非視距NLOS場(chǎng)景，寬帶無(wú)線(xiàn)通信鏈路是否能夠建立？要討論這個(gè)問(wèn)題，我們首先需要廓清視距LOS和非視距NLOS的基本概念。

2 判定視距LOS和非視距NLOS的方法

寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景可分為視距LOS和非視距NLOS兩種（還有一種準(zhǔn)視距nLOS場(chǎng)景，通常歸類(lèi)到NLOS統(tǒng)一分析）。字面意義上的“視距”，其實(shí)是一種通俗的說(shuō)法，我們通常認(rèn)為兩點(diǎn)間相互“可視”便為視距，這是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。某些肉眼“可視”的環(huán)境如果通過(guò)量化的理論計(jì)算，其結(jié)果可能并不能滿(mǎn)足視距條件，因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電波發(fā)出后，能量并不僅僅只輻射在一條簡(jiǎn)單的直線(xiàn)（如視線(xiàn)一樣）上，而是輻射在一個(gè)兩頭尖中間鼓的橄欖型區(qū)域（菲涅爾區(qū)）中。

為了更準(zhǔn)確量化地確定視距LOS和非視距NLOS，在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，通常使用菲涅爾區(qū)的概念。菲涅爾區(qū)是無(wú)線(xiàn)傳輸不可繞過(guò)的一個(gè)基本概念，其具體定義比較復(fù)雜，篇幅所限，不進(jìn)行詳細(xì)的討論，這里僅給出基本概念和判定依據(jù)。

收發(fā)兩天線(xiàn)的連線(xiàn)與障礙物最高點(diǎn)之間的垂直距離，稱(chēng)為傳播余隙，用Hc表示；菲涅爾區(qū)（即上文所述的橄欖型區(qū)域）的大小一般用第一菲涅爾半徑來(lái)標(biāo)識(shí)，用F1表示。嚴(yán)格的視距LOS要求兩點(diǎn)間的第一菲涅爾區(qū)的0.577（通常簡(jiǎn)化為0.6）倍內(nèi)沒(méi)有任何阻擋物（如建筑物、樹(shù)木或地形凸起等）。即：

⊙ 視距LOS：Hc/F1≥0.6（K=4/3）

⊙ 非視距NLOS：Hc/F1＜0.6（K=4/3）

式中的K為等效地球半徑系數(shù)，考慮到大氣折射，實(shí)際電波在大氣層中是曲線(xiàn)傳播的，工程上為了計(jì)算方便，將電波射線(xiàn)考慮為直線(xiàn)，將彎曲部分計(jì)入地球半徑，用K標(biāo)識(shí)等效地球半徑與真實(shí)地球半徑的比率，K=4/3為標(biāo)準(zhǔn)大氣折射下的等效地球半徑系數(shù)。

有了以上的量化結(jié)果，視距LOS與非視距NLOS的判定變得非常簡(jiǎn)單，也更具操作性。如圖1所示，在Macro Site擬部署一套寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，1對(duì)3連接，通過(guò)計(jì)算3跳鏈路的0.6F1包絡(luò)圖（一般通過(guò)專(zhuān)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

3 非視距NLOS會(huì)帶來(lái)哪些挑戰(zhàn)

如前所述，視距LOS條件下的接收信號(hào)強(qiáng)度如前所述非常容易預(yù)算，鏈路規(guī)劃、安裝調(diào)測(cè)及通信質(zhì)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(huán)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。

（1）衍射指電波遇到障礙物時(shí)偏離原來(lái)直線(xiàn)傳播的物理現(xiàn)象，衍射會(huì)帶來(lái)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。

（2）反射的發(fā)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(huì)在接收機(jī)端造成多路徑信號(hào)疊加，帶來(lái)信號(hào)強(qiáng)度的劇烈變化。

（3）電波通過(guò)完全或部分遮擋視線(xiàn)的對(duì)象時(shí)，將發(fā)生透射。2GHz以上的頻率電波對(duì)大多數(shù)建筑材料的滲透性很差，實(shí)際部署中，透射發(fā)生在阻擋物相對(duì)較薄的時(shí)候，如稀疏樹(shù)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(jié)的樹(shù)木樹(shù)葉增減），損耗也是變化不同的。

結(jié)合理論分析和大量實(shí)際測(cè)試結(jié)果，非視距NLOS主要帶來(lái)以下幾種挑戰(zhàn)：

⊙ 由于障礙物進(jìn)入第一菲涅爾區(qū)，必然引入額外的路徑損耗，由于障礙物的類(lèi)型千差萬(wàn)別（如建筑物、樹(shù)木或地形凸起等），額外的路徑損耗值無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)估。

⊙ 電波直射路徑被阻擋后，會(huì)產(chǎn)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(hào)強(qiáng)度的劇烈變化。

⊙ 反射后電波極化或許會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，使接收端與發(fā)射端極化不匹配，從而降低接收信號(hào)強(qiáng)度。

⊙ 由于反射等多路徑存在，收發(fā)天線(xiàn)或許并不是相向正對(duì)時(shí)接收信號(hào)最強(qiáng)，從而使天線(xiàn)調(diào)測(cè)對(duì)準(zhǔn)變得更加艱難（無(wú)法確定計(jì)算準(zhǔn)確的方位角）。

⊙ 由于多路徑的天然存在，會(huì)帶來(lái)時(shí)延不同步等問(wèn)題，如系統(tǒng)沒(méi)有有效的應(yīng)對(duì)手段，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性無(wú)法得到保證。

為應(yīng)對(duì)以上挑戰(zhàn)，在非視距NLOS場(chǎng)景，必須有針對(duì)性地使用多種技術(shù)手段相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

4 對(duì)抗非視距NLOS挑戰(zhàn)的技術(shù)手段

（1）盡最大可能增加系統(tǒng)總增益，補(bǔ)償額外損耗。無(wú)線(xiàn)設(shè)備使用較高輸出功率的發(fā)射機(jī)，無(wú)線(xiàn)設(shè)備使用高度靈敏的接收機(jī)。

（2）OFDM正交頻分復(fù)用調(diào)制，利用多徑減少符號(hào)間的干擾，提高可靠性，將發(fā)送信號(hào)分成許多更小的信號(hào)子載波，各個(gè)子載波重疊占據(jù)整個(gè)信道帶寬，子載波互相成正交關(guān)系，不會(huì)相互干擾。

（3）MIMO多入多出技術(shù)，空間分集接收和數(shù)據(jù)分路徑傳輸，提高可靠性。

（4）自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)（BPSK/QPSK/16QAM/ 64QAM），近距離或非視距NLOS不太嚴(yán)重情況使用高階調(diào)制方式，提高總帶寬；遠(yuǎn)距離或非視距NLOS嚴(yán)重情況使用低階調(diào)制方式，犧牲部分帶寬，提高健壯性。

（5）自動(dòng)功率控制（ATPC），保證接收機(jī)一直工作在最佳線(xiàn)性區(qū)域。

（6）智能天線(xiàn)（Beamforming），電波能量聚焦終端所在位置，動(dòng)態(tài)提高天線(xiàn)增益，同時(shí)盡最大可能降低來(lái)自其他系統(tǒng)的干擾（同時(shí)顯著減低對(duì)其他系統(tǒng)的干擾威脅）。

（7）多重糾錯(cuò)技術(shù)（FEC），前向糾錯(cuò)，降低系統(tǒng)誤碼率。

（8）自動(dòng)重傳技術(shù)（ARQ），當(dāng)數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)自動(dòng)重傳。

通過(guò)以上各種技術(shù)手段的組合，使非視距NLOS條件下的寬帶無(wú)線(xiàn)應(yīng)用成為可能。

5 高帶寬非視距NLOS寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用需求分析

從帶寬角度考慮，非視距NLOS寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)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(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)由于提供的有效帶寬較低（10～30Mb/s），業(yè)務(wù)承載能力較小，需求有限；更多的需求是可用帶寬高于100Mb/s以上的高帶寬非視距NLOS應(yīng)用。國(guó)內(nèi)高帶寬非視距NLOS寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用需求，可分為公網(wǎng)市場(chǎng)需求和專(zhuān)網(wǎng)市場(chǎng)需求兩大方面。

（1）公網(wǎng)市場(chǎng)的應(yīng)用需求主要來(lái)源于三大運(yùn)營(yíng)商的4G微基站到宏站的回傳需求。在4G時(shí)代的城市密集建筑物環(huán)境下，為了更靠近4G終端用戶(hù)，4G微基站一般都部署在路頂桿、小區(qū)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?xún)?nèi)，帶寬需求100Mb/s以上，一般都不具備有線(xiàn)回傳線(xiàn)路；當(dāng)考慮使用無(wú)線(xiàn)方式到將大量數(shù)據(jù)回傳到宏站時(shí)，又面臨著嚴(yán)重的非視距NLOS挑戰(zhàn)。隨著4G建設(shè)的進(jìn)一步深入，4G微基站的高帶寬非視距NLOS回傳需求巨大。

（2）在專(zhuān)網(wǎng)市場(chǎng)，許多場(chǎng)景（如港口、碼頭、大型貨場(chǎng)、發(fā)電站、煉油廠等）因環(huán)境限制，光纖有線(xiàn)部署困難，必須使用寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的高帶寬連接。部分場(chǎng)景條件理想，可使用視距LOS寬帶無(wú)線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行連接；但仍有很大一部分場(chǎng)景為非視距NLOS場(chǎng)景，帶寬需求100Mb/s以上，必須考慮使用支持高帶寬非視距NLOS傳輸?shù)膶拵o(wú)線(xiàn)設(shè)備。

總體而言，高帶寬非視距NLOS寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)生是由市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)的，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們對(duì)更高帶寬的無(wú)限需求，高帶寬非視距NLOS應(yīng)用的需求呈快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

技術(shù)永遠(yuǎn)以市場(chǎng)需求為最終推動(dòng)力，高帶寬非視距NLOS寬帶無(wú)線(xiàn)解決方案同樣如此。寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)可以提供與光纖有線(xiàn)通信系統(tǒng)相媲美的高帶寬和穩(wěn)定性，并在與時(shí)俱進(jìn)地著力解決應(yīng)用場(chǎng)景的限制問(wèn)題。非視距NLOS的確給高帶寬寬帶無(wú)線(xiàn)通信體系帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，但并非無(wú)法克服，需求不止，技術(shù)進(jìn)步的腳步也永遠(yuǎn)不會(huì)停止。彌補(bǔ)了高帶寬非視距NLOS傳輸?shù)亩贪?，寬帶無(wú)線(xiàn)應(yīng)用獲得了最大的靈活性，幾乎可以實(shí)現(xiàn)在任何場(chǎng)景部署高帶寬寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。我們相信，高帶寬非視距NLOS寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)必將在國(guó)內(nèi)的公網(wǎng)和專(zhuān)網(wǎng)市場(chǎng)獲得越來(lái)越多的應(yīng)用機(jī)會(huì)，為中國(guó)的通信事業(yè)發(fā)展增光添彩?！?/p>

[1] IEEE 802.11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifcations" (PDF). (2012 revision). IEEE-SA. 5 April 2012.

[2] Fresnel Zone, Wikipedia.

[3] Wireless – Fresnel Zones and their Effect. zytrax.com. Retrieved 2008-02-21.

Challenge and Solution-Broadband Wireless Communication System under NLOS Scenario

Wang Bo
(Israel RADWIN Limited China Representative Office, Beijing, 100010)

Under the NLOS condition, whether the broadband wireless system can be chosen and deployed? When deployed, whether it can provide high capacity with high availability? Is there any reliable high capacity broadband wireless solution in the market? The objectives of the article is to discuss the questions above, introduce the new technology and products, and provide the basic adjustment and answers.

Broadband Wireless Communication; LOS; NLOS; Fresnel Zone, OFDM, MIMO

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.02.014

TN92

A

1672-7274（2017）02-0055-03

王 博，男，1973年生，西安人，高級(jí)工程師，從事寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)應(yīng)用多年，具有二十多年的豐富的無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，曾任職于多家國(guó)際、國(guó)內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信企業(yè)，現(xiàn)供職于以色列瑞贏有限公司中國(guó)代表處，擔(dān)任技術(shù)專(zhuān)家和專(zhuān)業(yè)服務(wù)經(jīng)理。