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无线宽频网络设计规划研究报告
WIFIRFSYSTEMDESIGN
无线宽频网络设计规划研究报告
7/2/2005
A.Introduction
Coverage,interference,andblockingconsiderationsarethecenteroftheRFsystemdesignwork.ForanypointintheserviceareaoftheRFsystem,wemustfirsthaveenoughRSLinbothuplinkanddownlinkdirections.Therequiredsignalismainlytocombatthenoiseintheenvironment.Inananalogvoicesystem,thisRSLprovidesthesystemwithenoughS/Nsothatthevoicequalityisacceptable.Inadigitalsystem,theS/NrendersalowenoughBERsothattheamountofretransmissioniswithinlimitandthesystemcanoperatenormally.Coveragecanbeimprovedbyraisingthetransmitterpowerorbyinstallingmoretransmittersites.Butdoingsowillhaveimpactontheothertwodesignconsiderationsletalonethecostfactor.
含盖,干扰,以及通讯阻塞等问题的思考.是R/F系统设计工作的中心议题.在无线电通讯系统含盖范围内的每一个地方.我们必须要提供足够的讯号.足够的讯号应定义为同时满足下行(Downlink)及上行(Uplink)两种含盖的需求.这种足够的讯号同时被要求能克服外在环境中噪声的影响.在复频式的通讯系统中.最低接受讯号强度(RSL)应该满足系统中主讯号与噪声的比值(S/N).在这种条件下.通话的品质是可以被接受的.在数字式的通讯系统中.主讯号与噪声的比值.可提供RF系统工程师计算出最低的误码率.使得讯号重复传输的情况减少到最小.使得系统能正常的运作.工程师可借着这些资料来提供基地台的增减及天线输出功率大小的参数.含盖设计的好坏也影响到干扰及频道阻塞的问题思考以及系统的成本因素.
Theco-channelinterferencehassimilareffectasthenoise.Italsodeterioratesthecommunicationsqualityandmustbecontrolled.RaisingthepowerofatransmittercanimproveSIRandthecommunicationqualitybuttherearelimitstothemaximumpoweratransmittercanhave.Besides,raisingthepowerofonetransmittercanraisetheinterferenceatotherreceiversandadverselyimpacttheperformanceofthewholesystem.Consequently,arbitrarilyraisingtransmitterpowerdoesnotseemtobeaviablesolution.
同频干扰和噪声对R/F系统影响的效果是相同的.它同样可以使通讯品质恶化.所以同频干扰也必需要加以控制.提高输出功率可以加强讯号和干扰的比值(SIR)并改善通讯的品质.但是输出功率有一定的限制.此外,输出功率的提高.同时也提高了干扰的强度.这对系统的整体通讯品质.会产生负面的影响.而且任意提高输出功率.并不是系统最佳的解决方案.
Theco-channelinterferencecomesasanunavoidableconsequenceofchannelreuse.ThechannelcanbeafrequencychannelinanFDMAsystem,atimeslotinaTDMAsystem,oracodeinaCDMAsystem.Theamountofco-channelinterferenceisdeterminedbyhowthechannelsarereusedspatially.Thisistheessenceofcellularsystems.Ifthechannelsareusedmorefrequentlyinanattempttoenhancethesystemcapacity,theco-channelinterferencetendstoincreaseandthecommunicationqualitydeclinesandviceversa.Itistheprudentbalanceofthesetwoconflictingconsiderationsthatproduceanoptimumsystem.
由于无线电通讯系统频道有限而必须重复使用的时候.同频干扰就是不可避免而必须面对的问题.不论它是使用frequencychannel的FDMA系统.或是使用timesiot的TDMA系统.或是使用code来控制的CDMA系统.同频干扰的情况都是由频道重复使用的次数及空间来决定的.这就是蜂巢通讯系统的基本精神.如果系统企图增加通讯的容量而频繁的重复使用频道.同频干扰就不可避免的增加.系统的通讯品质则下降.反之亦然.系统规划的重要课题就是如何仅慎小心的取得两者之间的平衡.来造就一个最优良的通讯系统.
Thelastconsiderationistheblocking.Thedensityofsitesneedberoughlyproportionaltothetrafficratesothatblockingcanbereducedtoadesiredlevel.Alltherethreefactorsareinterrelated.Forexample,inaruralareaweonlyneedtodeploysitessparsely.Butbecauseofthecoverageconsideration,thetransmitterpowersneedbehigh,orhightowerneedbeusedsothateachtowerhasawidercoveragearea.
最后一个问题是频道阻塞.基地台设立的密度是视通话量的多寡而来决定的.如此频道阻塞的情形就可以降低到一个理想的水准.但是这三个因素在R/F系统的设计里.是会相互影响的.举例来说.在乡下人口密度较小的地区.我们只需要建置较少的基地台.但是在考量含盖因素的问题之下.我们需要调高天线的输出功率.或增加天线的高度.以加大基地台含盖的范围.
Otherfactors,likechannelassignment,antennagains,orientationbothintheverticalandhorizontaldirections,powercontrol,allneedbeconsideredinacompletesystemdesign.Additionally,RSLcontoursarenotcircularbecausethegroundisnotflatandtherearerestrictionsastowhereasitecanbehavefurthercomplicatedeploymentofarealsystem.Inthisarticle,twoWi-FiRFsystemsareconsideredtoillustratesomeofthedesignaspectsofarealcellularsystem.
有关其它可能影响到R/F系统设计的因素.如频道的安排.天线增益.天线水平和垂直方向的定位.输出功率的控制等.在一个完整的系统设计里.这些因素都应该被考虑在内的.除此之外.讯号接受范围的外形因为地形的不规则.使得它的轮廓并不是一个圆形的.由于外在环境的限制.使得正确的系统天线选址及布建.变得更为复杂.在这篇文章里.我们举出了两个Wi-FiRF系统的设计.来论述蜂巢无线电通讯系统在R/F设计上.基本的观念和方法
Inthisarticle,outdoorareasneedbecoveredupto90%andindoorareasareignored.Mainly,threenon-overlappingchannelsareusedwhenco-channelinterferenceisconsidered.Partiallyoverlappingchannelsarealsopotentialcandidateswhenspatialseparationprovesappropriate.Adjacentchannelinterferenceisconsideredinthisregard.
在本案例里.室外涵盖被要求达到90%以上.室内涵盖则不在本案例的讨论范围之内.一般的无线局域网络(WiFi)在频道使用上.只选择了三个没有频谱重叠的频道.这种设计使得频道的重复使用变得非常困难.造成同频干扰变得更加严重.所以当同频干扰被处理的同时.其它有频谱重叠的频道也可以一并被考虑使用在系统中.当然.邻频干扰的问题也一并列入系统设计的考虑条件内.
B.Coverage
Oneareaofsize1600mby1200minTaipeibasinisusedtoillustratetheprocessofcoveragecalculations.ThisexampleisshowninFigure1below.ThebuildupsareextractedfromtheGISmapandareshowninpink.SixtyAP’s,s1–s60,areconsidered.Theyareindicatedwithredcircles.Agridisusedtofacilitateallcalculations.Thegridhas20,000divisionsperarcdegree.Consequently,thegridcelldimensionisabout5mby5m.Thereare27,949outdoorgridcellsinthisexample.RSSI’sarecalculatedaccordingtothefollowingformula:
在本案例中.我们选择了台北市大同区一块1600公尺X1200公尺的范围.(中山北路以西.环河北路以东.长安西路以北.凉州街以南)来处理涵盖及干扰问题的最佳化计算.我们从GIS的地图中取得本区的建筑物资料.用粉红色显示出来.在这区域里共选取了60个AP的位置.(s1—s60).我们用红色的圆圈来表示它的位置.在每一arcdegree划分了20,000个小格子.(cell)每个格子的面积为5公尺平方.本区室外部分共有27,949个格子.RSSI(最低接收功率)的计算公式如下:
RSSI=20dBm–pathloss–17dB
(1)
ThefirsttermistheAPEIRP,100mw,indBm.ThesecondtermisthepathlosscalculatedbyTIREM11.Thelasttermistheenvironmentallossduetobuilding,cluttering,etc.Allantennasareomni-directional.TheverticalradiationpatternusedforallsitesisshowninFigure2below.The3-dBwidthisabout15degrees.Thedesignresultsareverysensitivetothispattern.Intherealdesignwork,onehastomakesurethatthecorrectpatternsareused.
第一个要件是AP的EIRP.(最大输出功率)为100mw,我们用dBm为单位.第二个要件.我们用TIREM11来计算讯号传递衰减.最后的要件是外界的环境影响.如建筑物等.全部的天线是用omni-directional.各项天线参数如图2所示.天线参数对设计的结果是非常重要的.在正式的设计前.必须取得完整而正确的天线参数数据.
Figure1Systemwith60AP’sandbuildupareas.
Figure2Verticalantennapattern.
First,signallevelfromeachAPtoeachgridcellpointiscalculated.Foreachpoint,iftheRSSIofatleastoneAPishigherthanthethresholdof-80dBm,thepointhascoverage.Thisisthedownlinkcoverage.Theuplinkhasslightlybettercoveragethanthedownlinkandisnotconsideredhere.Coverageofthewholeareawhenall60AP’sareusedisshowninFigure3.
首先计算downlinkcoverage,从每一个AP到每一个格子的讯号强度.最少要有一个AP的讯号强度大于-80dBm,这个格子就被认为有涵盖了.由于uplink的讯号强度大于downlink.在本案例中不列入考虑.全部60个AP所形成的涵盖情况请参考图3所显示的资料.
Figure3Coverageof60AP’sis96.61%,with-17dBbuildinglossandRSSLof–80dBm.
FortheRSSIcalculations,-17dBlossisusedforbuildingandenvironmentalcluttering.TheEIRPoftheAP’sissetat100mw.TheheightofallAP’sis3.5m.Theheightofthemobileantennais0.9m(3ft).Thefrequencyis2.4GHz.Becauseoftheflatnessoftheterrain,contourscomeoutcircular.Ingeneral,theycanhavearbitraryshapes.
针对RSSI的计算.外在的环境及建筑物等的讯号衰减参数为-17dB.每个AP的最大输出功率(EIRP)设为100mw.AP的高度为3.5公尺.手机的高度为0.9公尺.(3ft)使用的频段为2.4GHz.由于地表是不平坦的因素.涵盖的轮廓不会是圆形的.一般来说.它们是个不规则的形状
Sincethepopulation/trafficdistributionisnotknownatthistime,thetrafficisassumedtobeevenlydistributed.Consequently,areacoverageiscalculatedhere.Forthe60AP’s,thecoverageis96.61%.
在本案例里.由于缺少人口及交通量分布的资料.它们被假设为平均分布.经计算的结果.60个AP的涵盖率为96.61%.
WhatwewanttoaccomplishnextistoselectaminimumnumberofAP’stoachievetherequired90%coverage.Thisisamultivariableoptimizationproblem.SA(SimulatedAnnealing)[3]isused.TodotheSA,weneedanOF(ObjectiveFunction).ThisOFforthesystemhastwotermsasbelow:
接下来的工作是选择出最少的AP数量.又能满足90%涵盖率的要求.这是一种非线性最佳化的问题.我们使用SA(SimulatedAnnealing)的技术.首先我们需要一个目标函数OF(ObjectiveFunction).而这个OF必须要满足系统中的两个条件.OF如下列公式
(2).
ObjectiveFunction=%Coverage+f⨯#ofAP’sremoved
(2)
Ifthecoverageis92%,thefirsttermis92.ThesecondtermisthenumberofAP’sremovedmultipliedbyanf-factor.Thisf-factorisauserinputandisusedtocontroltheamountofAP’sweintendtoremove.
如果涵盖被要求为92%.第一个条件就订为92.第二个条件是最多可以减少多少个AP.对AP数量影响的另外一个参数是f.这个参数可由使用者自己来决定.
Thesetwotermsareconflicting;whenonegoesup,theothergoesdown.WhenwestartremovingAP’sfromthesystem,unavoidably,thecoveragegoesdown.ThegoalhereistoremoveAP’sinanoptimumwaysuchthatthemaximumnumberofAP’scanberemovedwhilethecoveragestaysabove90%.Ifwecantoleratealowercoverage,wecansetfhigherandmoreAP’scanberemoved.Whenwesetfat0.66,theoptimizationresultisindicatedinFigure4.FourtyAP’sremainwithcoverageof90.78%.TheremovedAP’sareshowninGreen.
这两个条件是互相冲突的.当一个数值增加另外一个就会减少.当我们从系统中删减AP时.涵盖范围也跟着减少.我们的目的是要在最好的情况下.删减最多的AP数量.而涵盖率又能维持在90%以上.如果我们能容许这个低的涵盖率.我们就能提高f的值和删减最多的AP.当我们设定f的值为0.66,最佳化的结果我们用图形4来表示.有40个AP被保留下来.系统的涵盖率仍然维持在90.78%.绿色的圆圈表示从系统中删除的AP.
Figure4Coverageof40AP’sis90.78%.
C.ChannelAssignment
SincetheearthisnotflatandAP’sarescatteredirregularly,theregularhexagonalortriangularrepetitionpatternsforchannelassignmentcannotbeemployed.Todoacompleteassignmentwemustconsiderco-channelandadjacentchannelinterferenceinbothuplinkanddownlinkdirections.
由于地表不是平坦的.所有的AP分布是不规则的.一般六角形或三角形的多次重复的频道使用规划是不适用的.为了要规划一个完整而正确的频道分配.我们必须在uplink及downlink的两种状况下同时考虑同频以及邻频干扰的发生情况.
Letusconsiderfirstthe3non-overlappingchannels,1,6,and11.Wecouldstaggerthe3channelsspatiallyinafashionsuchthatadjacentAP’susesamechannelaslittleaspossible.ThiscannotbedoneexactlybecauseAP’sarescattered.Moreimportantly,wehavetoconsidertheinterference.Sincethesethreechannelsarenon-overlapping,wecanignoretheadjacentchannelinterferenceforthetimebeing.Toassignchannelsinanoptimumfashion,weuse
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