LTE MIMO室內(nèi)改造方案及信道容量分析

張耀旭　許珺　范斌

摘 要：室內(nèi)覆蓋在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中是極其關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)，越來越受到運(yùn)營商的重視，MIMO作為LTE核心技術(shù)之一，在提高信道容量，增強(qiáng)信道可靠性等方面起著重要作用，因此，對(duì)支持MIMO的LTE室內(nèi)分布方案及相應(yīng)的信道的容量進(jìn)行研究顯得非常必要。從LTE室內(nèi)解決方案入手，著重討論支持MIMO的情形，并對(duì)不同LTE室內(nèi)改造方案進(jìn)行對(duì)比。

關(guān)鍵詞：SCM MIMO LTE 室內(nèi)分布

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）006-104-02

1 引言

自2009年中國發(fā)放3G牌照以來，中國就全面進(jìn)入了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，層出不窮的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品如雨后春筍般席卷通信行業(yè)，隨之引發(fā)的數(shù)據(jù)流量爆炸式增長，在給運(yùn)營商帶來巨大商業(yè)契機(jī)的同時(shí)，也給網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。第三代通信技術(shù)規(guī)范機(jī)構(gòu)3GPP把OFDM、MIMO、CA等技術(shù)作為核心，發(fā)展了第四代通信技術(shù)LTE，來緩解網(wǎng)絡(luò)壓力，改善網(wǎng)絡(luò)性能。根據(jù)DoCoMo室內(nèi)外業(yè)務(wù)分查，約70%的業(yè)務(wù)量來源于室內(nèi)，因而，作為運(yùn)營商，針對(duì)數(shù)據(jù)高發(fā)區(qū)域的室內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)規(guī)劃，是極為重要的一環(huán)。

2 LTE MIMO室內(nèi)解決方案

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)，通過利用空間資源，來達(dá)到增強(qiáng)無線系統(tǒng)覆蓋性能的目的，一直是LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的熱門技術(shù)之一。若在室內(nèi)LTE系統(tǒng)中引入MIMO技術(shù)，則可有望提供更優(yōu)化的服務(wù)。目前支持MIMO的LTE室內(nèi)分方案有多種，在本文章中主要介紹其中三種，分別是兩路饋線實(shí)現(xiàn)MIMO， 兩路光纖實(shí)現(xiàn)MIMO以及一路饋線實(shí)現(xiàn)MIMO。

（1）兩路饋線實(shí)現(xiàn)LTE MIMO的室分方案：

本種方案通過新增一路饋線和天線點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)LTE MIMO，可以提供較高的用戶峰值速率，因而，主要用以支持單用戶MIMO模式。具體而言，將現(xiàn)有的饋線和天線點(diǎn)作為LTE MIMO系統(tǒng)的一路分支，同時(shí)新建一路分支，兩路分支分別接入LTE基站的兩個(gè)通道，其天線點(diǎn)間距滿足MIMO非相關(guān)性隔離度的要求，如圖 1-A所示（注：兩個(gè)單極化天線可更換為一個(gè)雙極化天線，天線極化隔離度需滿足MIMO天線非相關(guān)性隔離要求）。

（2）兩路光纖實(shí)現(xiàn)LTE MIMO的室分方案：

本方案只在遠(yuǎn)端單元和天線間采用饋線鏈接，其信號(hào)通過兩路光纖進(jìn)行傳輸和分布，由于光纖系統(tǒng)自身的優(yōu)勢(shì)，該方案具有成本低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但由于系統(tǒng)中引入了較多有源設(shè)備，使得維護(hù)和供電問題較難以解決，因此，該方案比較適合新建的室內(nèi)分布系統(tǒng)。方案設(shè)計(jì)圖如圖1-B所示，具體而言，主單元接入基站信源，遠(yuǎn)端單元置于建筑物每個(gè)平層，可與原分布系統(tǒng)合路，以此來共享平層的天饋系統(tǒng)。

（3）一路饋線實(shí)現(xiàn)LTE MIMO的室分方案：

本方案通過一路饋線實(shí)現(xiàn)室內(nèi)LTE MIMO的改造，其基本原理是通過變頻技術(shù)使得在同一路饋線中傳輸?shù)膬陕沸盘?hào)互不干擾，進(jìn)而在接收端采取相應(yīng)的分離技術(shù)將兩路信號(hào)分離出來。本方案可與現(xiàn)有分布系統(tǒng)共用饋線傳傳輸系統(tǒng)，也可以采用較低發(fā)射功率的信源，從而達(dá)到降低改造成本的效果，因此，本方案適用于饋線改造難度極大或者不具備改造條件的室內(nèi)場(chǎng)景。其示意圖如圖1-C，可以看到，從RRU發(fā)出的兩路小功率射頻信號(hào)經(jīng)過近端節(jié)點(diǎn)時(shí)，通過下變頻技術(shù)，變成不同頻率的信號(hào)，然后被一并合路輸出；合路后包含兩路信號(hào)信息的合路信號(hào)再與現(xiàn)有的系統(tǒng)信號(hào)合路，并通過一根主饋線進(jìn)行傳輸；在遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)處，分路器首先分離出含有兩路LTE信息的信號(hào)，然后再經(jīng)過上變頻技術(shù)，將其傳至與RRU輸出相同的射頻頻率上，進(jìn)而傳輸至雙極化室內(nèi)分布天線的兩個(gè)極化輸入端口，達(dá)到室內(nèi)分布MIMO的目的。

圖1 支持MIMO的LTE室內(nèi)改造方案

可以看出，與其他兩種方案相比，一路饋線實(shí)現(xiàn)LTE MIMO的室內(nèi)改造方案在系統(tǒng)復(fù)雜度和建設(shè)維護(hù)成本上都比較適中，因此，在解決了設(shè)備性能和遠(yuǎn)端供電的情況下，將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

3 基于SCM的MIMO信道容量分析

基于射線法的SCM信道模型能反映MIMO信道的每次實(shí)現(xiàn)的變化特性在綜合考慮仿真實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和模擬信道環(huán)境的準(zhǔn)確程度上，可以得出基于射線法的信道建模方式有較大的優(yōu)勢(shì)。本節(jié)設(shè)立了A，B，C三個(gè)仿真方案，來實(shí)現(xiàn)非MIMO和MIMO性能對(duì)比，以及兩個(gè)單極化天線實(shí)現(xiàn)MIMO和一個(gè)雙極化天線實(shí)現(xiàn)MIMO的性能對(duì)比。

方案A：?jiǎn)温穯螛O化天線方案；

方案B：雙路單極化天線方案；

方案C：雙路雙極化天線方案。

圖2 MIMO和非MIMO

由圖 2的仿真結(jié)果可以看出，在SINR=32dB處，雙路雙極化天線方案相對(duì)非MIMO的單路單極化天線的方案吞吐量提升40%左右，0.5倍波長間距的雙路單極化天線相對(duì)單路單極化天線方案的吞吐量提升約20%，4倍波長間距的雙路單極化天線相對(duì)單路單極化天線方案的吞吐量提升約58%，10倍波長間距的雙路單極化天線相對(duì)單路單極化天線方案的吞吐量提升約64%；當(dāng)SINR=15dB時(shí)，雙路雙極化天線方案相對(duì)非MIMO的單路單極化天線的方案吞吐量提升70%左右，0.5倍波長間距的雙路單極化天線相對(duì)單路單極化天線方案的吞吐量提升約57%，4倍波長間距的雙路單極化天線相對(duì)單路單極化天線方案的吞吐量提升約71%，10倍波長間距的雙路單極化天線相對(duì)單路單極化天線方案的吞吐量提升約85%；而在SINR=8dB處，雙路雙極化天線方案、0.5倍波長間距的雙路單極化天線、4倍波長間距的雙路單極化天線、10倍波長間距的雙路單極化天線方案相對(duì)非MIMO的單路單極化天線的方案吞吐量提升基本相同，約80%左右。

4 結(jié)語

LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)中采用MIMO方案，可以有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量的分流，對(duì)提高用戶速率，改善傳輸質(zhì)量，增加系統(tǒng)容量方面具有重要意義，對(duì)影響MIMO性能的參數(shù)進(jìn)行理論分析以及對(duì)不同MIMO改造方案間進(jìn)行對(duì)比，有利于靈活改造現(xiàn)有室分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)成本與收益的均衡。