当前微波已是移动回传中的主要传输介质,但应用仍局限在在视距(LOS)条件下。在环境杂乱的都市中部署小站更需要支持接近和完全非视距的场景。
非视距的应用已被无线接入技术所证实，但对高性能的回传仍是一个新的挑战。本文将讨论通用原理，主要系统参数，简单工程指导同时通过演示爱立信28GHz产品和6Ghz以下产品的对比提出对一般的观点质疑。
一、背景
点对点微波是灵活快速部署回传网到几乎任意一点的经济有效的技术。它是移动网络中主要的回传方式，同时在移动宽带演进过程中依旧保持这样的地位。微波技术也发展迅猛，现已能够支持多个吉比特的回传容量[1]。
无线接入网中小站的引入，微蜂窝层面工程实施将会使回传网面临新挑战。典型的全户外小站是安装在街道装饰物或建筑物表面上，距街道高3-6米，站间距离在50-300米之间。由于小站数量众多，所以它们需要更经济，可升级的易于安装的回传方案。方案需支持在整个无线接入网中更加统一的用户经验[2]。 传统的回传技术如经济有效的视距微波，光纤和铜线正满足这一方案新要求。尽管如此，由于建筑物顶高度位置的限制，仍将会有大量的小站不具备通过有线连接或与对方视距连接的条件。非视距(NLOS)并非微波回传的新挑战。现存的方法可以克服非视距传输。在山区地势下，会使用无源反射和中继站方案，但方案对于成本敏感小站接入由于增加更多站点而成为非理想方案。在都市，每日都在变化的建筑使接入理想站点很困难，而理想站点恰是小站回传得最有效的方案。尽管如此，将会有一定数量的站点难以接入，因此需要非视距的微波回传方案，如图1所示。
图 1 小站部署的非视距回传举例
规划回传容量的最终目标就是支持蜂窝的全容量，即站点的峰值容量和平均站点容量[3]。然而，在实践中，诸如成本和部署小站类型 (容量或覆盖) 等参数将决定最终目标容量和可用性。运营商将会做出成本的权衡，而这一权衡使回传容量即至少支持忙时预期话务量又满足未来发展统计冗余的容量需要。目前对LTE“热点”小站的目标容量应该在50Mbps左右，但如果需要可能灵活提高到100Mbps。这些数字预计将在数年内随业务的继续增加而增大，同时更多的小站将被采用。宏蜂窝覆盖范围内的小站回传可用性指标可放宽至99-99.9%，而那些室外站的可用指标为99.9-99.99%[3]。这种相对较低的可用性指标将只需要针对短链路距离的降雨衰耗冗余。始终如一的，回传性能必须易于预测和可靠保证低拥有成本。
大多数的点对点微波的频谱有效发牌政策是针对链路的牌照。然而，对于小站网络部署来说，简便及许可证费用将会非常重要，因而应该考虑另外的频谱政策。使用“轻牌照(light licensing)” [3] 或“技术中性模块牌照technology neutral block licensing”4 是具有吸引力的，因为这个政策会给予运营商部网的灵活性。无需申请频率的频带使用可能很诱人，因为降低成本，但却存在不可预知的部署风险问题。而使用57- 64 GHz 频带作为国际上无需申请的频带预计比 5.8 G h z 频段存在更低的风险，这是由于其非常高的大气衰减、 稀疏的初始部署和使用窄波束紧凑天线有效减少干扰的可能性。
移动宽带及Wi-Fi网络中，非视距的无线接入在每天的日常生活中被我们所熟悉。然而，公众存在大量对非视距微波误传和误解，例如，一个就是非视距微波仅限于使用 6 GHz 频率以下，另一个是必须使用宽束天线和必须使用基于OFDM的无线电技术。尽管如此，基于6Ghz以上的频谱用于非视距研究已进行了相当长的时间[4] [5]。在文献[6]中，使用24GHz频谱，一对50MHz带宽可以完成90%的小站部署，部署容量超过100Mbps。本文我们将继续讨论NLOS一般原理，澄清NLOS回传的误解。我们将展示NLOS测试的高性能指标，总结出NLOS部署实施的指导建议。
二、 NLOS原理(h1)
任何非视距方案可以为组合的三种基本传播现象的描述：
• 衍射
• 反射
• 透射
衍射发生当电磁波点击一座建筑物的边缘，并常常被称为在边缘上的"弯曲"信号，如图 1 所示。在现实中，波的能量被分散在到与边缘垂直的平面。衍射损失随着"弯曲"尖锐度及更高的频率而增大，衍射损失可能会大。
反射，尤其是随机的多径反射，是对使用宽束天线的无线接入网络至关重要。然而，使用窄波束天线的单一路径反射是更难施工，因为需要找到反射物使其提供适当的入射角，如图 1 所示。
传播通过完全或部分遮挡视线的对象时，将发生透射。2 GHz 以上的频率对大多数建筑材料下的渗透性差，现实中，透射只是对相对较薄的对象可以实现，如图 1 所示，例如稀疏树木。
通过理解这三个非视距传播原理属性将可能定义部署简单的准则，并在任意的情况下得到的传输性能有了直观的理解。但是，每个点的衍射、 反射和透射增加了路径损耗，并且对传输通道计算具有不确定性，因此，我们建议非视距的部署限制到一个或可能是两个上述的传输情景。
NLOS系统的关键特性 (h2)
以传统的视距微波的链路指标的计算公式再加入非视距的衰耗(ΔLNLOS) 即可以得到简单的NLOS微波链路指标计算公式:
这里PRX和PTX是接收和发射功率 (dBm) ;GTX 和GRX分别是发射机和接收机端天线增益 (dBi);d 是链路距离 (公里) ;f 是频率 (GHz) ;LF 是任何衰落损耗 (dB) ;而ΔLNLOS 是由于非视距传播的额外损耗(dB)。上述公式中并未显示但很重要的是要意识到如下结论: 固定尺寸天线的天线增益随频率变化而以20log (f) 的关系变化， 因而实际的接收电平dB数也将随频率的增加而而以20log (f) 的关系增加 (天线大小不变)。 这表明在小天线占有重要组成因素的小站传输中，更高频率的使用将会带来更多的传输优势。
为了说明非视距传输的一些重要系统性能，我们专门研究了两种类型的微波回传系统。第一个系统是在无牌照的 5.8 GHz 频段商用产品，产品基于 TDD 和 OFDM 技术使用 64 QAM 调制方式，利用2 × 2 MIMO (交叉极化) 配置在 40 MHz 信道带宽中提供 100 Mbps 全双工峰值吞吐量 (汇聚 200 Mbps)。第二个系统是在持牌 28 GHz 频段爱立信 MINI-LINK PT 2010商用产品，基于FDD和达到 512 QAM 调制的单载波技术。它在一对 56 MHz 信道中提供400 Mbps 全双工峰值吞吐量。两个系统均使用自适应调制, 基于接收信号质量来适应吞吐量，同时两个系统使用天线的大小几乎一致， 28 GHz 系统用30 厘米天线，5.8GHz系统使用20 厘米天线。
图 2表示了两个系统在不同链路距离下的链路冗余, 即公式1的计算接受电平与一个特定的调制方式 (吞吐量) 的接收器阈值之间的差值。如果我们可以预测用任何非视距场景的额外损失，我们就可以使用图 2 预测预期的吞吐量。图 2表示了将频率移到更高频率的优势，就是在天线尺寸相同的条件下，28GHz系统的链路冗余比5.8GHz系统的链路冗余高出约20dB。
图2 不同吞吐量(调制级别)时两个系统的链路冗余比较
28GHz(红色)频率，输出功率19dBm, 2x56 MHz信道带宽(FDD)，38dBi天线增益
5.8GHz(兰色)频率，输出功率19dBm, 40 MHz信道带宽(TDD)，17dBi天线增益
三、测试
3.1 衍射(h2)
一般误解是高于6Ghz频率的电波衍射损耗很高，实际操作中不适合用于NLOS电波传播。然而，尽管在30°衍射角时，28GHz的绝对损耗40dB高于5.8GHz的34dB 的绝对损耗，但相对差值也只有6dB[8]。 这6dB 差值远远小于28Ghz 的接近高出30dB的链路冗余(图2)。
图3(a) 建立了在衍射场景下的两套NLOS回传系统。第一个收发信机放置于图片中央的办公楼顶上(红色标识)。第二个收发信机放置于自动升降机上，升降机高度为11米，升降机位于13米高的停车楼后面。如图3(B)。图3(c)是在低于LOS不同距离的条件下，“刀锋”模型衍射的理论接收电平[8]和测量得到的接收电平比较。 两套系统发射功率均为19dBm, 但5.8Ghz天线增益低21 dBi，因而在NLOS传播后其接收电平要比28GHz的接收电平弱20dB。 28GHz的理论接收电平与实测电平尽管有少量dB 数的抵消，但仍然吻合。这种抵消是可以预见的这是因为，模型简单而实际电波通过至少5个建筑边缘，每个边缘都会引起信号损失。总之，衍射损耗遵循刃状衍射模型[8]。尽管如此，作为一个经验法则，依据理想模型假设我们建议，额外 10 dB 冗余需添加到用于预测目的的损耗计算之中。
图 3 利用衍射的非视距回传 (a)测试站点(大约200米站距)(b)移动升降机 (c) 吞吐量和接收电平与低于视距的高度
由于预期链路冗余高, 28GHz系统比5.8GHz系统在更深的非视距时保持全双工吞吐量。28GHz系统在距视距条件6米以内的NLOS条件下可传输全双工400Mbps吞吐量，对应衍射角度为30度。而5.8GHz只在距视距3米以内的NLOS条件下才可达到50Mbps。 链路冗余是非视距传播的系统的唯一最重要的系统参数。在天线尺寸相同的条件下，28GHz系统比5.8GHz系统的性能表现要好得多。
3.2 反射
图3(上)所示是金属和砖墙作为在单一反射点时，两套系统性能均进行了测试。第一个收发信机置于图中央的办公楼楼顶位置(高出地面18米)，第二个收发信机置于同一办公楼临街的5米高的墙上。对面建筑的砖墙作为反射面，总链路长度大约100米。反射点入射角大约15度，依据早前研究的结论[9] 28GHz和5.8GHz的ΔLNLOS 的值分别是24 dB 和16 dB。反射损耗与反射物材料有着非常决定性的关系，作为比较，以邻近的金属墙面作为反射点时，两套系统的ΔLNLOS均为大约5 dB。作为结论，我们做链路指标预测时，可以假设28GHz的单点反射损耗在5至25dB之间，而5.8GHz系统在5至20dB之间。早期研究所示，表面粗糙度将导致脉冲扩散[9]，但这可以通过充分长的均衡器得以可以缓解。图4(下)两个系统测试16个小时以上的吞吐量。
图4所示，28Ghz系统显示400Mbps 的稳定的吞吐量，而5.8GHz由于使用更宽波束的天线，其吞吐量是波动的，其值是在70Mbps 和100Mbps 之间波动。我们认为这是由于宽波束的强多径传输所致。OFDM是针对多径传播的有效的抑制技术。如图所示严重的多径衰落导致逐级降低的吞吐量。然而采用窄波瓣的28GHz天线，结合先进的抑制均衡器可以有效抑制多径衰落，MINI-LINK系统的单载波QAM技术可以用于非视距传播，甚至使用56MHz信道带宽512QAM技术。
图 4 使用反射的非视距回传站点(上图)28GHz和5.8GHz系统的吞吐量Mbps(下图)
3.3 透射
通常的误解是只有6GHz以下才支持NLOS透射。图5所示是两套系统的透射场景下的测试性能。两个收发信机分别置于中间有一高大的稀疏的树和矮的高密度树两端，距离150米，树木造成视距阻断。图5测试了树叶密度对传播的影响，图5左是发射波穿过稀疏的树木，图5右是穿过稀疏的树木和高密度树木的场景。
图 5 应用稀疏树木(左)和高密树木(右)时透射的非视距回传. 红圈指出接收机位置。上面两图是保持最高(绿色)和保持最低(红色)信道幅频响应
图5(上)所示频谱是在强风和低强度降雨导致NLOS损耗具有很大不确定性的测试结果, 如图 5 所示, 稀疏的树木增加 6 dB 穿透损失，而浓密的树木增加 20-40 dB 的穿透损耗。结论是用于小站回传高可靠性指标时，对NLOS微波来说，可以接受稀疏的树木而高密度的树林是不建议成为NLOS传输路径。如果比较5.8Ghz和28GHz系统，低频段的系统性能会有些需提高。但仍然是与一般的大众的误解相反的，是28GHz 可以用在稀疏绿植的NLOS的条件下，同时达到相当好的性能指标。
四、部署指南
前几节我们讨论了NLOS传播，衍射，反射及透射的关键系统指标。本节我们将演示讨论NLOS回传部署场景的预测和实际性能测试。
图 6 28GHz和5.8GHz的非视距回传的性能，彩色区域表示非视距传输效果和预测吞吐量(括弧内为5.8Ghz指标)
瑞典哥德堡市区内是用来测试的站点(图6)。NLOS无线回传系统的汇聚站点(主站) 是在高出地面13米的车库的一角，车库位于这一测试区域的南部。这一区域主要以4-6层的办公楼构成，办公楼是砖和钢筋的混合墙面，同时还有由南至北方向的10米宽的大街。大街充满了汽车和公共汽车。建筑墙面由砖面，玻璃及金属混合组成。
表 1 不同非视距场景下的ΔLNLOS 和比特率性能经验值
表1 总结了上文所讨论的非视距关键场景下的两个测试系统的经验法则ΔLNLOS 。作为一个典型的案例假定衍射 30 °。通过使用ΔLNLOS 作为一个经验法则，对于每个非视距方案吞吐量是从图 2中读取和表 1汇总。
通过人工站点查验, 图6所示是测试区域的非视距的预计传输效果,同时以不同的颜色区域绘制。场景范围包括纯视距(绿色)，单一反射点或部分阻碍视线(黄色)，单一远距反射(蓝色)以及双衍射或双反射(红色)。未上色的区域指示没有吞吐量预计或它是测量区域之外。白色虚线指示对其作了测量的区域。为简单起见，部分阻碍的路径损失，可以以6dB为经验值。
放置在移动升降机上的接收机距地面3米高，接收机随移动升降机沿主街道由南到北移动，街道近邻并与峡谷平行。主站与接收机间的全双工的吞吐量得到了测量。由于5.8GHz天线主瓣较宽，测量过程中无需调整主站天线。而28Ghz天线主瓣较窄，对每个测试点都需调整主站天线，但在非视距条件下，28Ghz天线对准也比较简单。
所有的测试都超过或与预期的性能(彩色区域)吻合。对5.8GHz系统，多经衰落包括移动车沿峡谷街道移动的影响是巨大的，但对28GHz系统在更困难的场景下轻微地带来吞吐量的降低也是显然的。
五、总结
与常规的视距回传系统的相似，非视距回传链路主要得益于大带宽和大的链路冗余。6GHZ频带证实可用于非视距传输，同时本文指出距离主站在250米的区域内用6GHz系统，适度尺寸的定向天线可以达到小站回传性能要求。尽管如此，与传统观念形成相反结论，但与理论一致的是，爱立信的MINI-LINK 28GHz产品性能在大多数非视距的条件下更优于6Ghz以下的设备。主要在于同尺寸天线对比高出20dB天线增益，更宽的频率带宽以及稳定的单载频MINI-LINK设备。在反射，衍射和稀疏叶子的透射时，400Mbps全双工的吞吐量在实际实施中得到演示。简单工程部署指南支持链路预测和可靠部署实施。微波回传因此不仅能够提供像光纤一样的多个吉比特的传输容量，而且还可以有效地支持接近或非视距的小站回传的挑战。
参考文献
1) J. Hansryd, J. Edstam, Microwave capacity evolution, Ericsson Review, 1/2011, http://www.ericsson.com/res/docs/review/Microwave-Capacity-Evolution.pdf
2) It all comes back to backhaul, Ericsson white paper, February 2012, http://www.ericsson.com/res/docs/whitepapers/WP-Heterogeneous-Networks-Backhaul.pdf
3) NGMN white paper - Small cell backhaul requirements, NGMN Alliance, June 2012, http://www.ngmn.org/uploads/media/NGMN_Whitepaper_Small_Cell_Backhaul_Requirements.pdf
4) Seidel, S.Y.; Arnold, H.W.; , "Propagation measurements at 28 GHz to investigate the performance of local multipoint distribution service (LMDS)," Global Telecommunications Conference, 1995. GLOBECOM '95., IEEE , vol.1, no., pp.754-757 vol.1, 14-16 Nov 1995
5) Rappaport, T.S.; Yijun Qiao; Tamir, J.I.; Murdock, J.N.; Ben-Dor, E.; , "Cellular broadband millimeter wave propagation and angle of arrival for adaptive beam steering systems (invited paper)," Radio and Wireless Symposium (RWS), 2012 IEEE , vol., no., pp.151-154, 15-18 Jan. 2012
6) Coldrey, M.; Koorapaty, H.; Berg, J.-E.; Ghebretensaé, Z.; Hansryd, J.; Derneryd, A.; Falahati, S.; , "Small-Cell Wireless Backhauling: A Non-Line-of-Sight Approach for Point-to-Point Microwave Links," Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2012 IEEE , vol., no., pp.1-5, 3-6 Sept. 2012
7) Fixed service in Europe – current use and future trends post 2012, ECC Report 173, March 2012.
8) Propagation by diffraction, ITU-R P.526
9) Dillard, C.L.; Gallagher, T.M.; Bostian, C.W.; Sweeney, D.G.; , "28 GHz scattering by brick and limestone walls," Antennas and Propagation Society International Symposium, 2003. IEEE , vol.3, no., pp. 1024- 1027 vol.3, 22-27 June 2003
旁注：
A部分：缩略语
FDD Frequency Division Duplex 频分复用
FTTC Fiber to the curb 光纤到交接箱
LOS Line-of-sight 可视
nLOS near-line-of-sight 接近可视
NLOS Non-line-of-sight 非可视
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用
QAM Quadrature Amplitude Modulation
TDD Time Division Duplex 时分复用
B部分
误传：非视距传输只有6GHz系统才可行
事实：尽管非视距传播损耗在高频率会增加，但天线增益增加更多保证了优越的链路性能，如28Ghz
C 部分
误传：非视距传输只有使用宽波瓣天线系统才可行
事实：回传网络两端的射频在固定位置，窄瓣天线可以轻松安装调试以找到最佳非视距路径，高增益(窄瓣)天线与低增益(宽瓣)比较更能保障优越的链路性能。
D 部分
误传：非视距传输只有使用支持OFDM技术的系统才可行
事实：虽然 OFDM 是克服多经的很好的缓解技术，但更好的解决方案是使用窄波束天线，有效地制止任何多径影响。非视距回传可以使用窄波束天线可以支持优越的链路性能而不使用OFDM。
