在紛繁的都市環境中, 更高密度的無線接入網絡演進為微波回傳帶來新的挑戰。節點間直接可視距傳輸并非一直可行---這就提出了接近或完全非視距微波回傳的需求。

在建設無線接入網絡時，使用非視距（NLOS）傳播已被證明是可行的探討。但是，在不能直接可視的地方部署高性能的微波回傳網絡對網絡建設仍然是新挑戰。通信行業傳統的觀念是6Ghz以下的微波可以確保NLOS環境下的性能。本文將利用20GHz以上頻段盡管在并非直接可視的位置上，證明其實際更優于6Ghz的性能，本文驗證了這類觀念，提供了一般原理，關鍵系統參數和簡單的工程指導。

點對點微波是靈活快速部署回傳網到幾乎任和站點的經濟有效的技術。它是移動網絡中主要的回傳方式，同時也在移動寬帶演進過程中依舊保持同樣重要的地位。微波技術發展迅猛，現已能夠支持多個吉比特的回傳容量[1]。

無線接入網中通過把小站加入到RAN中而實現宏站層面優化部署會使回傳網面臨新挑戰。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。由于小站數量眾多，所以它們需要更經濟，可升級并易于安裝的回傳方案。方案需支持在整個無線接入網中更加統一的用戶經驗[2]。傳統的回傳技術如經濟有效的視距微波，光纖和銅線正滿足這一方案新要求。盡管如此，由于小站位置低于建筑物頂高度，仍將會有大量小站不具備通過有線連接或與宏站，遠端光傳輸點視距連接的條件。

由于位置的限制，不具備清晰可視的傳輸條件并非微波工程師的新問題。工程師們現有的方法可以克服非視距傳輸的影響。在山區地勢下，會使用無源反射和中繼站方案，但方案對于成本敏感小站由于增加更多站點而成為非理想方案。在都市，每日都在變化的建筑使接入理想站點很困難，而理想站點恰是小站回傳的最有效方案。盡管如此，將會有一定數量的站點難以接入，因此需要非視距的微波回傳方案，如圖1所示。

在復雜的位置梅花鏈是通常被使用的接入站點方式—也是小站回傳的有效方案(見圖 1)。

圖1小站部署的微波回傳場景

網絡規劃師目標是規劃回傳網絡支持蜂窩峰值容量---目前可達到100Mbs或更高。然而，在事實上，在成本，容量和覆蓋之間存在一個權衡，這一權衡使回傳容量至少即支持忙時預期話務量又滿足未來發展統計冗余的需要，當可用性指標放寬至99-99.9%時，實際大約是50Mbps。這一可靠性指標在短距鏈路時僅需幾個dB的冗余。

小站回傳簡單化和頻率許可證成本是建網的重要因素。使用輕牌照或模塊化分配牌照相比于逐條鏈路發放牌照方式更具有吸引力，因為這給予運營商布網的靈活性。使用無需牌照的頻帶可能是很誘人，但卻存在不可預知干擾且降低網絡指標。使用無需牌照的57- 64 GHz 頻帶預計比 5.8 G h z 頻段存在更低的風險，因為其非常高的大氣衰減、 稀疏的初始部署和使用窄波束天線均可有效減少干擾的可能性。

移動寬帶及Wi-Fi網絡中，沒有清晰可視條件的無線接入在每天的日常生活中被我們所熟悉。然而，也許因為此，才使公眾普遍存在對非視距微波誤傳和誤解。比如認為，非視距微波回傳為滿足覆蓋和容量的需求僅限于使用  6 GHz 頻率以下，使用寬束天線和必須使用基于OFDM的無線電技術。但是，使用基于6Ghz以上的頻譜用于非視距固定無線接入[5]和移動接入[6]已經進行了研究。Coldrey et al 證實使用24GHz頻譜，一對50MHz帶寬可以完成90%的小站部署，容量超過100Mbps[7]。

NLOS原理

如圖1所示，任何NLOS傳播場景都可以是下列一種或多種傳播現象組合：

衍射

反射

透射

所有的電波當遭遇障礙物時都會發生改變。  當電磁波觸擊一座建筑物的邊緣時，衍射即已發生—現象是常被描述為彎曲信號。在現實中，波的能量被分散到與建筑邊緣垂直的平面。可以想象的是，能量損失是與"彎曲"尖銳度及電波頻率成比例對應的[8]。

反射，尤其是隨機的多徑反射，對使用寬束天線的移動寬帶是必然現象。然而，使用窄波束天線的單一路徑反射是更難施工，因為需要找到反射物恰巧使其提供所需的入射角度。

當電波通過完全或部分阻礙視線的對象時，將發生透射。通常大家的共識是透射導致的路徑損耗更多取決于電波頻率。然而，研究表明實際由于透射產生的路徑損耗，頻率只是有很小的影響，而阻擋物的厚度和類型本身將對穿透量產生影響[9][10]。薄的非金屬的物質，例如稀疏的樹葉，盡管針對高頻段電波也只是增加相對較小的損耗（如圖 1 所示）。

基于上述三種傳輸影響的應用和對它們的正確理解，部署指南將為網絡工程師針對任意場景性能估算提供簡單規則。

NLOS系統特性

以傳統的視距微波的鏈路指標的計算公式再加入非視距的衰耗(ΔLNLOS) 即可以得到簡單的NLOS微波鏈路指標計算公式1:

公式 1：PRX=PTX+GTX+GRX-92-20log(d)-20log(f)-LF-ΔLNLOS

這里PRX和PTX是接收和發射電平（dBm - 相對1毫瓦的功率dB值）；GTX 和GRX分別是發射機和接收機端天線增益 (dBi- 全向性dB相對值)；d 是鏈路距離 (公里) ；f 是頻率 (GHz) ；LF 是任何衰落損耗 (以dB計) ；而ΔLNLOS 是由于非視距傳播的額外損耗(以dB計)。上述公式中并未明確指出的是理論上天線增益決定于頻率， 固定尺寸天線的天線增益以20log (f) 增加， 因而實際的接收電平PRX也將隨頻率的增加而以20log (f)值 增加 (天線大小不變)。 這種關系表明在小天線占有重要組成因素的小站傳輸中，使用更高頻率將會帶來更多的性能優勢。

為了說明非視距傳輸的一些重要系統性能，愛立信專門測量了目前商用的兩種不同頻段微波回傳系統（見表1）。第一個系統是在無需牌照的 5.8 GHz 頻段商用產品，產品基于 TDD 和 OFDM 技術使用 64 QAM 調制方式，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)。 第二個系統是需牌照的 28 GHz 頻段愛立信 MINI-LINK PT 2010商用產品，基于FDD，56 MHz 信道和單載波技術達到 512 QAM 調制方式。它在提供400 Mbps 全雙工峰值吞吐量（800 Mbps匯聚）。兩個系統均使用自適應調制, 基于接收信號質量來適應吞吐量。兩個系統使用天線的物理尺寸相近，但由于頻率決定天線增益和28Ghz的拋物面天線類型， 28 GHz 系統天線增益是38dBi, 而5.8GHz系統的平板天線增益達到17dBi。

圖2表示了在不同鏈路距離下的鏈路冗余與吞吐量比較, 冗余定義是接收功率（依據公式1）與一個特定的調制方式 （吞吐量） 的接收器閾值之間的差值—在視距條件下無衰落（LF =0）。如果我們可以預測由于非視距場景產生的額外損失ΔLNLOS，圖 2中的曲線就可以估算吞吐量。天線尺寸相近的條件下, 使用更高頻率的優勢很明顯。28GHz系統400Mbps峰值速率時的鏈路冗余比5.8GHz系統100Mbps峰值速率時的鏈路冗余高出約20dB。

圖2  鏈路冗余，吞吐量與站距

測試

衍射

通常人們認為高于6Ghz頻率的電波衍射損耗絕對地高，因而使用高頻率部署NLOS傳播的系統是不可行的。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]。盡管將28Ghz較高的自由空間損耗也列入考慮之列，這6dB 差值遠遠小于相當尺寸天線的增益差值(見圖2)。

圖3A和圖3B分別演示了建立設計測量衍射的場景和測量結果。第一個收發信機放置于辦公樓頂上（圖3A中以白色圓圈標出）。第二個收發信機放置于移動升降機上，升降機放置于13米高的停車樓后面的11米處。通過降低移動升降機來測量第二個收發信機的接收功率的影響。如圖3B演示了兩套被測系統的測量接收功率值與低于可視線距離的對比，以及通過“刀鋒”模型衍射理論計算的理論接收電平[8]。 兩套系統發射功率均為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的接收功率低20dB。

28GHz的實測功率與理論接收電平吻合很好，盡管有少量dB 數的偏差。這種偏差是可以預見的這是因為模型的簡化。

總之，衍射損耗可以依據刃鋒模型估算[8]。盡管如此，由于模型的簡單化，計算出的損耗有一點被低估了。這可以在規劃過程中簡單地在損耗冗余上加上幾個dB作為補償。

由于28GHz系統預期鏈路冗余高, 它比5.8GHz系統在更深的非視距時保持全部吞吐量。28GHz系統在距視距條件6米以內的NLOS條件下可傳輸全部400Mbps吞吐量，對應衍射角度為30度。而5.8GHz只在距視距3米以內的NLOS條件下才可達到50Mbps。 鏈路冗余是非視距傳播的系統的唯一最重要的系統參數。與我們預期相同，在天線尺寸相近的條件下，28GHz系統在衍射場景下實際比5.8GHz系統的性能表現要好得多。

反射

圖4A所示是金屬和磚墻構成的平面作為在單一反射點時，5.8GHz和28GHz系統性能均進行了測試。第一個收發信機置于辦公樓樓頂位置（以白色圓圈標示），其高出地面18米，第二個收發信機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。反射損耗依入射角的不同而不同，本試驗中反射點入射角大約15度，28GHz和5.8GHz的ΔLNLOS 的測試結果分別是24 dB 和16 dB。此數據與早前研究結論[11]相吻合。反射損耗與反射物材料有著非常決定性的關系，作為比較，以鄰近的金屬墻面作為反射點同時入射角相近時，兩套系統的ΔLNLOS均為大約5dB。

總之，原則上使用多個反射點傳輸很難達到的地點是可行的。盡管如此，由于有限的冗余限制和尋找合適反射點的困難，使使用兩個以上的反射點是實際難以實現的。ΔLNLOS在 28GHz在測試區域的單點反射損耗在5至25dB之間變化，而5.8GHz系統在5至20dB之間。圖4B所示是兩個系統測試16個小時以上的吞吐量。

28GHz系統保持400Mbps穩定的吞吐量，而使用寬波束天線的5.8Ghz系統吞吐量在100Mbps和70Mbps之間浮動。這種浮動預期因為寬波束的強多徑傳輸所致。OFDM是針對多徑傳播的有效的抑制衰落技術。如圖所示嚴重的多徑衰落導致逐級降低的吞吐量。然而采用窄波瓣的28GHz天線，結合高性能MINI—LINK收發信機的先進的均衡器可以有效抑制多徑衰落，使單載波QAM技術可以用于非視距條件，甚至包括使用512QAM 和56MHz信道帶寬。

透射

與NLOS反射的場景一樣，透射產生的路徑損耗絕對取決于阻擋視距的障礙物的材料。 圖5A和5B所示是兩套測試系統的場景和性能。兩個收發信機分別置于距離150米的兩端，中間有一棵高大的稀疏的樹和一顆高密度矮樹，樹木造成視距阻斷。調整置于移動升降機上的收發信機位置，分別測量透射稀疏樹木和更高密度樹木的波束，如圖A所示。圓圈和三角標示分別代表波束穿透點。

測試是在降雨和刮風的條件下進行的，28GHz鏈路接收信號范圍反映了NLOS路徑衰耗變化，如圖5A。NLOS條件下，幅頻包絡可達-50dBm。經過超過5分鐘的測試，結果是，單一樹木（稀疏的樹木）場景下，增加的路徑損耗在0和6dB之間不同。在兩棵樹（高密度樹木）場景下，增加路徑損耗會在8dB甚至超過28dB。補充的測試證明5.8GHz系統增加了相似的路徑損耗。

結論是，一般的大眾的誤解相反，是28GHz 可以用在稀疏綠植的NLOS的條件下，同時達到相當好的性能指標。

部署指南

到目前為止，本文討論了NLOS傳播，衍射，反射及透射的關鍵系統指標，批駁了只有6Ghz以下才可以使用的誤解。下一步是應用理論和測試結果指導微波回傳實際場景的部署。

表2是針對每一個NLOS場景，使用測得的損耗同時結合圖2的曲線圖得出的指導性吞吐量。

圖6所示是試驗站點，用來測量NLOS回傳部署場景的覆蓋范圍。測試區域以4-6層的辦公樓為主，   建筑墻面由磚面，玻璃及金屬混合組成。NLOS無線回傳系統的匯聚站點(主站)  是在高出地面13米的車庫的一角，位于這一測試區域的南端。應用衍射，反射和透射的損耗測量值，作為經驗法則；根據圖2的曲線圖讀出指導性吞吐量，并總結在表2之中。

圖6中的彩色區域是測試區域的可視條件。黃色區域代表單點反射區域，藍色代表衍射區域，紅色區域代表需要雙反射點，未上色的區域表示預計沒有吞吐量或它是測量區域之外。白色虛線指示對其作了測量的區域。依據表2，5.8Ghz在距離匯聚站半徑250米范圍內滿足小站回傳需要（）50Mbps）是可行的；而28Ghz系統在距匯聚站500米的范圍內全雙工吞吐量可大于100Mbps。為了準確測量主站與接收機間的全雙工的吞吐量，放置在移動升降機上的接收機距地面3米高，接收機隨移動升降機沿主街道和鄰近街道移動。由于5.8GHz采用寬束天線，測量過程中無需調整主站天線。而28Ghz天線主瓣較窄，對每個測試點都需調整主站天線，但盡管在非視距條件下，28Ghz天線對準也比較簡單。

在每個測試點的實際測量值 都超過或與表2預期的性能相吻合。由于缺少合適的反射平面，只能針對雙反射點技術進行了有限的幾點測試（圖6中測試區域中的紅色區域）。5.8GHz系統多經衰落的影響是巨大的，這種影響包括移動車沿峽谷街道移動的反射。但對28GHz系統在更困難的場景下只是輕微地降低了一點吞吐量。

總結

在傳統的LOS方案中，高系統增益用來支持需要的鏈路站距并抵消降雨衰耗。對于短距方案，這個增益可以補償NLOS傳播損耗。6GHZ頻帶被證實作為傳統的NLOS應用，本文也證明了這點，應用該頻段可用于NLOS移動回傳方案。但是，與公眾理念相反，但與理論相一致的是，20GHz以上頻段的MINI-LINK產品在大多數NLOS條件下的性能比6Ghz以下設備更優越。

能使用高頻段的主要關鍵參數是在同尺寸天線下非常高的天線增益。僅僅依據幾個簡單的工程指南，完全有可能部署高性能的NLOS回傳網絡。同時，有大量的20Ghz的專用頻譜可用，微波回傳不僅能夠支持象光纖一樣的多個吉比特容量，而且還可以支持小站高性能回傳，甚至是在并非直接可視的地點。

作者：JONASHANSRYD,JONASEDSTAM, BENGT-ERIK OLSSON 和 CHRISTINA LARSSON

翻譯:潘景勝