对LMDS网络系统可用性的分析

随着LMDS技术的成熟和商用化进程的加快，LMDS网络作为电信级系统的一些问题就凸现出来。可用性是其中的要害因素。深入分析LMDS系统的可用性，对运营商而言具有非同平常的意义。
LMDS（26GHz）系统自1998年开始进入中国市场，历经两年多的技术试验阶段后，终于完成了行业标准和频率规划的制订，并于2002年开始进入商用试验阶段。目前，信息产业部电信治理局已批准中国移动、中国联通、中国电信和中国网通四个运营商开展26GHzLMDS接入网业务的运营许可，26GHzLMDS系统的商业应用即将拉开序幕。
26GHz频段频谱资源丰富，按FDD双工方式规划的LMDS工作频率范围为24450MHz～27000MHz，其中，可用带宽为：1008MHz×2，可采用的波道配置有4种方案，其基本信道间隔为3.5MHz、7MHz、14MHz和28MHz 。工作在26GHz的LMDS系统相对低频段无线接入系统而言，自然其接入带宽大是其重要的特点，系统的主流技术均是以支持综合业务接入为设计目标的。当前，LMDS系统空中接口协议没有也难以形成统一的标准，设计者从不同的视角和性能价格比的权衡中设计了各具差异性的LMDS产品，在一定程度上给运营商的技术选择带来些困惑。实际上选择本身就是一种权衡的过程，任何事物都有一定的两面性，从单一视角看问题往往是片面的，本文针对LMDS系统的几个热点问题开展分析以供参考。
影响LMDS系统可用性的因素包括设备的可靠性（取决于设备的质量和所提供的冗余度）、为LMDS系统供电的外部电源系统的可靠性、反常传播（净空衰落和降水）、维护组织的有效性、由人为干扰引起的意外中断及其他干扰。在评估系统可用性时，设备可靠性和反常传播是主要的关注因素。
设备对系统不可用性的影响
设备的可靠性通常用“平均故障间隔时间”MTBF来表征，在评估设备对系统不可用性影响时，还须考虑维护组织的有效性及设备的可维护性水平，他们决定了当系统出现故障时所需的平均修复时间（用MTTR表征）的长短，以大唐无线通信公司的R3000LMDS系统为例，说明由于设备特性所引入的不可用性指标如下：MTBF＝20万小时；MTTR＝2小时（因LMDS系统应用于城市环境，交通方便，基站各部件可热插拔，CPE按模块化设计，网管系统完善）则设备的不可用性＝〖100－（MTBF×100/MTBF＋MTTR）〗×100％＝0.1％。
在R3000LMDS系统中，基站是有冗余设计的（主控板、ATM复用板、电源系统、调制单元、上下变频单元及ODU均可按1＋1或N＋1冗余配置）。但在所有点对多点的LMDS系统产品中，这些冗余设计均是有损伤切换的，对可用性的改善度主要体现在MTTR中，冗余对外部馈电系统故障及雨衰中断不起任何作用。
反常传播对可用性的影响
反常传播主要包括阻挡衰落、多径衰落、降雨衰减等。
―――阻挡衰落：阻挡衰落是指由于电波传播路径不满足余隙标准而带来的附加衰减，在LMDS系统应用环境下，造成余隙不够的主要因素是建筑物阻挡，例如：在26GHz频段，2km路径按0.6F1（F1：第一菲涅尔区半径）设计，在路径中点的余隙应大于或等于2.4米，这个余隙标准不仅针对从建筑物顶部电波穿越时要得到保证，而且包括从建筑物边缘（楼间）穿越时也应有足够的余隙。当余隙小于0.6F1时将出现阻挡衰减，衰减的大小取决于余隙的尺寸和阻挡物的物理外形，阻挡衰减势必使衰落储备降低。虽然在LMDS系统应用中由于空中传输距离较小，平衰落引起的中断问题可以不予考虑，但衰落储备的降低必定使降雨带来的不可用性指标恶化，在LMDS系统传输设计和工程实施中应引起足够重视。

―――多径衰落。由于工作在26GHz的LMDS系统大多是在城市环境中应用，传输距离短，建筑物对26GHz频率的信号反射衰减较大（约20dB以上），因此，多径引起的衰落现象对不可用性指标带来的影响很小，可以不予考虑。

―――降雨衰减：由于LMDS系统工作在26GHz频段，其波长与雨滴尺寸相近，因此，由于降雨对电波引起的吸引和散射将使信号经受衰减，这种衰减呈现非选择性能和缓慢的时变特性，是导致信号劣化，影响系统可用性的主要因素。国际电信联盟对降雨的影响已进行了深入研究，在ITU－RP.837建议中，将地球分为15个降雨气候区，分别以大写字母A到Q来表示，每一降雨区是以与它相关的降雨强度统计来表征，并给出了对应不同降雨强度所发生的时间概率。遵照ITU－RP.838建议，可以针对工作频率、极化和降雨率计算比衰减（dB/km）和有效路径长度（这是考虑到在整个传输段长度上降雨强度不是均匀分布的缘故），进而可以针对衰落储备值Ft计算出在一定传输距离下，降雨衰减超出Ft的时间百分数P，或反之，根据雨衰特性及Ft求出在保证P值一定的情况下可用的通信距离是多少。必要时，还可以根据在ITU－RP.841建议，从长期百分数P变换到最坏月份百分数Pu 。在考虑LMDS因雨衰引起的不可用性指标时，时间百分数P即为不可用性指标。
关于LMDS系统不可用性分析

由上述分析可以看出，LMDS系统的不可用性主要是降雨引起的，在26GHz频段不能简单地因雨衰的影响就作出使用LMDS系统将面临极大运营风险的结论，下面几点分析可供参考。
―――根据ITU－R提供的雨区分布图，我国雨衰较大的地区主要集中在广东、广西、福建、浙江等沿海地区，其他大部分地区因降雨引起的不可用性是可以承受的。假如保证可用性指标达到99.99％，在北方及中西部地区通信距离可达到2km～5km，在南方多雨地区可达到0.5km～2km，假如可用性指标降低到99.9％，达到中等质量的应用水平，LMDS系统覆盖范围还可进一步得到改善。
――保证足够的衰落储备是提高可用性的重要条件之一。决定衰落储备大小的主要因素有最大发信功率、收发天线增益、接收机的门限电平（BER＝10－3
）及空间传输损耗等，前三项因素是由所选择设备的固有特性决定的，但在发信功率、接收门限一定条件下尽量选择高增益天线是有益的。空间传输损耗除自由空间传输损耗外，应尽量通过设计和施工确保不再增加阻挡衰减的成分，在同一地区，选择不同厂家的设备，以及不同的工程服务支持能力，在相同的距离上将会有不同的可用性指标出现，这是值得使用LMDS系统的运营商注重的一个问题。

―――ATPC（自动发信功率控制）。ATPC技术本身主要是为了解决系统间干扰及雨衰两个互相矛盾的问题而设计的。LMDS系统是点对多点通信系统，在一个扇区内，不同的用户终端与基站距离不同，在同一基站范围内最好的设计是所有扇区及一个扇区内的所有远端站达到基站接收机的收信电平相近，这样可减少扇区之间或同一扇区由不同远端站引入的相互干扰，因此需要系统具备ATPC功能，而在考虑同城域不同基站之间的干扰时，希望各基站在保证必要的误码特性条件下（BER＝10－9），尽量降低发信功率，那么，这势必使每段电路的衰落储备降低，在出现一般降雨时，不可用性指标就已开始劣化。因此，兼顾雨衰而引起的不可用性，在系统设计时采用了AT?PC技术，随着雨衰的增加和误码性能的恶化，系统自动调整发信功率，直到最大发信功率为止，从而解决了前面所提到的问题。由于雨衰而导致的不可用性是由最大发信功率决定的，因此ATPC并不会对系统可用性指标带来改善。