挑战与跨越—非视距NLOS场景下的宽带无线通信系统

BNC2016

挑战与跨越—非视距NLOS场景下的宽带无线通信系统

王博  以色列RADWIN公司技术经理

关键词：宽带无线通信、视距LOS、非视距NLOS、菲涅尔区、OFDM、MIMO、Beamforming、RADWIN瑞赢、RADWIN JET NLOS

导语：宽带无线通信作为宽带有线通信（主要传输介质是光纤）的有力补充，在整个传输网络中扮演着重要的角色。宽带无线通信系统以其低成本、快速部署、性能稳定和特殊场合（如跨越江河）的唯一选择等显著特点，存在广阔的应用空间。大多数宽带无线通信系统必须以视距LOS（Line-Of-Sight）为基本部署条件，而在实际的应用场景中，很多时候无线是唯一的选择，同时非视距NLOS（None-Line-Of-Sight）也是无法改变的部署条件。在非视距NLOS条件下，宽带无线通信系统能否部署？能否提供稳定可靠的高带宽连接？市面上有没有靠谱的高带宽非视距NLOS解决方案？带宽几何？本文旨在分析并讨论以上问题，并结合部分新兴技术和产品，给出基本的判断和答案。

一、概述

无线通信，特别是宽带无线通信一直与应用场景密切相关。抛开解决公众语音和数据通信的公网移动通信系统不谈，传统的宽带无线通信系统绝大多数都是基于视距LOS场景传输的。视距LOS传输的优点在于接收机和发射机之间为“视距”环境，遵照基础的传播理论，该条件下的传输路径损耗仅与距离和无线系统工作频率相关，这样可以非常简单地预算出接收机的接收信号强度RSS，并将其与接收机的接收门限进行比较，检验并确定一条无线通信链路是否可通及通信效果如何。

实际的宽带无线通信应用场景千差万别，并不都能满足视距LOS条件（或满足视距条件需要建设非常高的铁塔，使基础设施的投资远高于宽带无线通信设备的投资），这就带来一个新的问题：在非视距NLOS场景，宽带无线通信链路是否能够建立？要讨论这个问题，我们首先需要廓清视距LOS和非视距NLOS的基本概念。

二、判定视距LOS和非视距NLOS的方法

宽带无线通信系统的应用场景可分为视距LOS和非视距NLOS两种（还有一种准视距nLOS场景，通常归类到NLOS统一分析）。字面意义上的“视距”，其实是一种通俗的说法，我们通常认为两点间相互“可视”便为视距，这是不够严谨的。某些肉眼“可视”的环境如果通过量化的理论计算，其结果可能并不能满足视距条件－因为无线电波发出后，能量并不仅仅只辐射在一条简单的直线（如视线一样）上，而是辐射在一个两头尖中间鼓的橄榄型区域中。

为了更准确量化地确定视距LOS和非视距NLOS，在无线通信系统网络规划中，通常使用菲涅尔区的概念。菲涅尔区是无线传输不可绕过的一个基本概念，其具体定义比较复杂，篇幅所限，不进行详细的讨论，这里仅给出基本概念和判定依据。

收发两天线的连线与障碍物最高点之间的垂直距离，称为传播余隙，用Hc表示。

菲涅尔区（即上文所述的橄榄型区域）的大小一般用第一菲涅尔半径来标识，用F1表示。

严格的视距LOS要求两点间的第一菲涅尔区的0.577（通常简化为0.6）倍内没有任何阻挡物（如建筑物、树木或地形凸起等）。即：

l  视距LOS：Hc/F1≥0.6（K=4/3）

l  非视距NLOS：Hc/F1＜0.6（K=4/3）

上式中的K为等效地球半径系数。考虑到大气折射，实际电波在大气层中是曲线传播的，工程上为了计算方便，将电波射线考虑为直线，将弯曲部分计入地球半径，用K标识等效地球半径与真实地球半径的比率，K=4/3为标准大气折射下的等效地球半径系数。

有了以上的量化结果，视距LOS与非视距NLOS的判定变得非常简单，也更具操作性。为便于理解，示例如下。在Macro Site拟部署一套宽带无线通信系统，1对3连接，通过计算3跳链路的0.6F1包络图（一般通过专用通信软件完成），可快速判断出Site B为视距LOS，而Site A和Site C为非视距NLOS。

图1 视距LOS和非视距NLOS的判定示意图

三、非视距NLOS会带来哪些挑战

如前所述，视距LOS条件下的接收信号强度如前所述非常容易预算，链路规划、安装调测及通信质量都可以得到很好的保证；非视距NLOS则完全不同。从理论上分析，在非视距环境中，电波传播直射的情况非常少，基本是衍射、反射、透射的组合。

衍射指电波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象，衍射会带来较大的损耗，衍射损耗随着"弯曲"尖锐度及更高的频率而增大。

反射的发生要符合入射角等于反射角的条件，可以是地面反射也可以是建筑物表面反射；可以是单次反射也可以是多次反射。反射会在接收机端造成多路径信号叠加，带来信号强度的剧烈变化。

电波通过完全或部分遮挡视线的对象时，将发生透射。2 GHz 以上的频率的电波对大多数建筑材料的渗透性很差，实际部署中，透射发生在阻挡物相对较薄的时候，如稀疏树木或刃形阻挡物。透射如阻挡物本身是变化的（如在建的楼房或不同季节的树木树叶增减），损耗也是变化不居的。

结合理论分析和大量实际测试结果，非视距NLOS主要带来以下几种挑战：

l  由于障碍物进入第一菲涅尔区，必然引入额外的路径损耗，由于障碍物的类型千差万别（如建筑物、树木或地形凸起等），额外的路径损耗值无法准确预估；

l  电波直射路径被阻挡后，会产生反射、散射、折射、绕射和吸收等各种不可控情况，造成接收信号强度的剧烈变化；

l  反射后电波极化或许会发生反转，使接收端与发射端极化不匹配，从而降低接收信号强度；

l  由于反射等多路径存在，收发天线或许并不是相向正对时接收信号最强，从而使天线调测对准变得更加艰难（无法确定计算准确的方位角）；

l  由于多路径的天然存在，会带来时延不同步等问题，如系统没有有效的应对手段，数据传输的稳定性无法得到保证。

为应对以上挑战，在非视距NLOS场景，必须有针对性地使用多种技术手段相结合的方式来进行应对。

四、对抗非视距NLOS挑战的技术手段

l  尽最大可能增加系统总增益—补偿额外损耗

n  无线设备使用较高输出功率的发射机

n  无线设备使用高度灵敏的接收机

l  OFDM正交频分复用调制—利用多径，减少符号间的干扰，提高可靠性

n  将发送信号分成许多更小的信号 – 子载波

n  各个子载波重叠占据整个信道带宽，子载波互相成正交关系，不会相互干扰

l  MIMO多入多出技术—空间分集接收和数据分路径传输，提高可靠性

l  自适应调制技术（BPSK/QPSK/16QAM/64QAM）—近距离或非视距NLOS不太严重情况使用高阶调制方式，提高总带宽；远距离或非视距NLOS严重情况使用低阶调制方式，牺牲部分带宽，提高健壮性

l  自动功率控制（ATPC）—保证接收机一直工作在最佳线性区域（甜区）

l  智能天线（Beamforming）—电波能量聚焦终端所在位置，动态提高天线增益，同时尽最大可能降低来自其他系统的干扰（同时显著减低对其它系统的干扰威胁）

l  多重纠错技术（FEC）—前向纠错，降低系统误码率

l  自动重传技术（ARQ）—当数据出错时，自动检测自动重传

    通过以上各种技术手段的组合，使非视距NLOS条件下的宽带无线应用成为可能。

五、高带宽非视距NLOS宽带无线技术应用需求分析

从带宽角度考虑，非视距NLOS宽带无线通信系统可大体分为低带宽和高带宽两种情况。低带宽的非视距NLOS宽带无线通信系统由于提供的有效带宽较低（10-30Mbps），业务承载能力较小，需求有限；更多的需求是可用带宽高于100Mbps以上的高带宽非视距NLOS应用。国内高带宽非视距NLOS宽带无线技术的应用需求可具体分为公网市场需求和专网市场需求两大方面。

公网市场的应用需求主要来源于三大运营商的4G 微基站到宏站的回传需求。在4G时代的城市密集建筑物环境下，为了更靠近4G终端用户，4G微基站一般都部署在路顶杆、小区楼顶、路边商铺等地方，这些地方到宏站的距离一般在300—500米以内，带宽需求100Mbps以上，一般都不具备有线回传线路；当考虑使用无线方式到将大量数据回传到宏站时，又面临着严重的非视距NLOS挑战。随着4G建设的进一步深入，4G微基站的高带宽非视距NLOS回传需求巨大。

在专网市场，许多场景如港口、码头、大型货场、发电站、炼油厂等，因环境限制，光纤有线部署困难，必须使用宽带无线通信系统实现点对点或点对多点的高带宽连接。部分场景条件理想，可使用视距LOS宽带无线设备进行连接；但仍有很大一部分场景为非视距NLOS场景，带宽需求100Mbps以上，必须考虑使用支持高带宽非视距NLOS传输的宽带无线设备。

总体而言，高带宽非视距NLOS宽带无线技术的产生是由市场需求驱动的，随着社会经济的快速发展和人们对更高带宽的无限需求，高带宽非视距NLOS应用的需求呈快速增长的态势。

六、RADWIN JET NLOS高带宽非视距NLOS宽带无线通信系统实测

目前国内市场有许多厂商均宣称其产品支持高带宽非视距NLOS传输，但具体到实现方式、技术细节、有效带宽等又都语焉不详、莫衷一是。

因为工作关系，笔者接触到一款以色列RADWIN（瑞赢）公司的支持高带宽非视距NLOS的产品RADWIN JET NLOS，并有幸现场观摩了其在香港的一次现场测试。

测试在香港孙中山纪念公园和某社区楼顶之间进行，两站测试高度约25米，测试距离0.5公里，测试场景如下图所示，在距离孙中山纪念公园约0.4公里的地方是林立的高楼，阻挡严重，是完全非视距NLOS场景。测试之前，结合多年无线通信经验，笔者认为在这种严重的非视距NLOS场景，无线链路能否建立都是问题，更遑论高带宽。但实际的测试结果让人大跌眼镜，连连称奇。

根据厂商提供的基本资料，该产品主要特点如下：

•       电信级的非视距NLOS无线传输系统

•       全调制方式（BPSK-QAM64）统一高发射功率25dBm

•       350Mbps最大净带宽

•       支持点对点PtP（1对1）和点对多点PtMP部署（1对4）

•       支持许可频段（3.5GHz）和免申请频段（5GHz）

•       3×3MIMO & OFDM

•       支持智能Beamforming波束赋形技术（将14dBi@90°的扇区覆盖天线等效为20dBi@8°的定向天线，整体系统增益提高6dB）

•       支持天线自动对准功能

•       支持1588v2和Sync-E时钟同步以太网协议（透传骨干网时钟同步信号）

•       双GbE接口

•       内嵌GPS

•       内嵌Wi-Fi（调测使用）

•       支持独有智能天线调测对准软件（WinTouch），任何人均可快速安装部署

七、总结

技术永远以市场需求为最终推动力，高带宽非视距NLOS宽带无线解决方案同样如此。宽带无线通信系统可以提供与光纤有线通信系统相媲美的高带宽和稳定性，并在与时俱进地着力解决应用场景的限制问题。非视距NLOS的确给高带宽宽带无线通信体系带来巨大的挑战，但并非无法克服，需求不止，技术进步的脚步也永远不会停止。弥补了高带宽非视距NLOS传输的短板，宽带无线应用获得了最大的灵活性，几乎可以实现在任何场景部署高带宽宽带无线通信系统。我们相信，高带宽非视距NLOS宽带无线通信系统必将在国内的公网和专网市场获得越来越多的应用机会，为中国的通信事业发展增光添彩。