關(guān)于室分系統(tǒng)創(chuàng)新錯(cuò)層運(yùn)用MIMO提升用戶感知速率

王勛 程科 江西省通信管理局 南昌市 330038

0 概述

相比無源室分，有源室分具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：有源室分系統(tǒng)施工簡單、有源室分的所有單元都是可管可控、有源室分可以靈活的在后臺(tái)重新劃分小區(qū)即可擴(kuò)容，同時(shí)在5G演進(jìn)方面有源室分系統(tǒng)的數(shù)字期間和頻段無關(guān)可以支持5G演進(jìn)。

對于LTE簡單合路C網(wǎng)既有室分的場景下，因兩網(wǎng)功率損耗不同，導(dǎo)致在分布系統(tǒng)末端C網(wǎng)功率正常時(shí)LTE網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)功率不足的問題，簡單改造室分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“錯(cuò)層雙流”，是提高室分場景覆蓋質(zhì)量的有效方式。

在推進(jìn)高鐵、高速、高校、高密度住宅區(qū)、高流量商務(wù)區(qū)和地鐵覆蓋提升時(shí)，采用錯(cuò)層雙流方法實(shí)現(xiàn)低成本新建、改造的方式完成了多個(gè)室內(nèi)分布系統(tǒng)新建和整治改造，評(píng)估測試效果良好，不但實(shí)現(xiàn)MR覆蓋率明顯提升，還達(dá)到了低成本實(shí)現(xiàn)室分“雙流”的效果。

1 工作原理

1.1 MIMO技術(shù)

MIMO全稱Multiple．Input Multiple．Output，即多輸入多輸出技術(shù)。MIMO系統(tǒng)利用多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)，任意一根發(fā)射天線和任意一根接收天線間形成一個(gè)SISO信道，通常假設(shè)所有這些SISO信道間互不相關(guān)。按照發(fā)射端和接收端不同的天線配置，多天線系統(tǒng)可分為三類系統(tǒng)：單輸入多輸出系統(tǒng)（SIMO）、多輸入單輸出系統(tǒng)（MISO）和多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）。MIMO系統(tǒng)是一種將信號(hào)在空間域處理與時(shí)間域處理相結(jié)合的技術(shù)方案，空間域的處理實(shí)際上是利用了多徑傳播環(huán)境中的散射所產(chǎn)生的不同子信號(hào)流的非相關(guān)性而在接收端對不同的信號(hào)流進(jìn)行分離。MIMO技術(shù)的機(jī)理是信號(hào)通過發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善每個(gè)用戶得到的服務(wù)質(zhì)量（誤比特率或數(shù)據(jù)速率）。通常多徑傳播被視為有害因素，然而MIMO技術(shù)的關(guān)鍵就是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑傳播因素變成對用戶通信性能有利的增強(qiáng)因素。它有效的利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。MIMO技術(shù)最大的成功之處就在于它將信道視為若干并行的子信道，在不需要額外帶寬的情況下實(shí)現(xiàn)近距離的頻譜資源重復(fù)利用，理論上可以極大的擴(kuò)展頻帶利用率，提高無線傳輸速率，同時(shí)還增強(qiáng)了通信系統(tǒng)的抗干擾、抗衰落性能，可以同時(shí)獲得編碼增益和分集增益。

LTE系統(tǒng)將采用可以適應(yīng)宏小區(qū)、微小區(qū)和熱點(diǎn)等各種環(huán)境的MIMO技術(shù)?；镜腗IMO模型是下行，上行天線陣列，同時(shí)也正在考慮更多的天線配置（如4×4）。目前正在考慮的方法包括空間復(fù)用（SM）、空分多址（SDMA）、預(yù)編碼（Precoding）、自適應(yīng)波束形成（Adaptive Beamforming）、智能天線以及開環(huán)分集主要用于控制信令的傳輸，包括空時(shí)分組碼（STBC）和循環(huán)位移分集（CSD）等。

1.2 MIMO與LTE

LTE協(xié)議從2006年年初開始制定，MIMO技術(shù)從一開始就成為LTE中頻譜效率提升的關(guān)鍵技術(shù)，目前R8版本的物理層已經(jīng)凍結(jié)。LTE FDD協(xié)議目前支持的最大天線數(shù)為基站4發(fā)、終端2發(fā)。

LTE主要支持的多天線包括：

（1） 發(fā)射分集 2Tx SFBC、4Tx SFBC+FSTD、PVS（預(yù)編碼向量的周期切換）、天線選擇：用擾碼隱式顯示上行發(fā)射天線選擇。

（2）SU-MIMO 支持不多于兩個(gè)獨(dú)立碼字、支持Rank適配、支持酉預(yù)編碼，恒模Householder碼本、支持CDD。

（3）MU-MIMO 多用戶合成的預(yù)編碼矩陣可以為酉也可以為非酉。

1.3 MIMO模式

MIMO是無線LTE系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)天線部署形態(tài)和實(shí)際應(yīng)用情況可采用發(fā)射分集、空間復(fù)用和波束賦形三種實(shí)現(xiàn)方案。例如，對于大間距非相關(guān)天線陣列可采用空間復(fù)用方案同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)速率；對于小間距相關(guān)天線陣列，可采用波束賦形技術(shù)，將天線波束指向用戶，減少用戶間干擾。

◎ 空分復(fù)用：利用空間信道的弱相關(guān)性傳輸獨(dú)立的數(shù)據(jù)流提升傳輸速率，主要應(yīng)用于散射體豐富，弱信道相關(guān)性，小區(qū)中心的環(huán)境。

◎ 傳輸分集：通過為信號(hào)傳輸提供更多的副本提高接收信噪比，主要用于信道質(zhì)量較差(例如小區(qū)邊緣)的環(huán)境。

2 室分建設(shè)方案

雙流MIMO是LTE既有的技術(shù)優(yōu)勢，通過雙通道并行可以有效提升用戶終端實(shí)際接收效果，同時(shí)通過雙通道傳輸實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)速率的翻倍。LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期的室分系統(tǒng)建設(shè)方案，往往因考慮造價(jià)成本而采用單通道室分方案，或者采用簡單合路方式與C網(wǎng)老室分系統(tǒng)合路，從而放棄了雙流效果。而在重要場所采取雙通道的建設(shè)方案，卻要面臨工程造價(jià)翻倍、天饋線占用空間翻倍、天線過密影響美觀甚至產(chǎn)生業(yè)主協(xié)調(diào)問題等難題，對重要場所網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量提升造成成本壓力。

2.1 一般室分建設(shè)方式

目前LTE室分新建、改造方案主要有以下幾種：

（1） 簡單合路：利用舊天饋系統(tǒng)簡單合路，無法實(shí)現(xiàn)“雙流”

利用原有CDMA室分系統(tǒng)，在原有C網(wǎng)RRU或直放站設(shè)備旁邊，新增L網(wǎng)RRU與C網(wǎng)簡單合路。這種情況下由于不能將1臺(tái)L網(wǎng)RRU的2個(gè)端口都合路進(jìn)同一路天饋線系統(tǒng)，造成一個(gè)端口閑置。此類建設(shè)方式適用于已有室分系統(tǒng)的情況下，避免了新增室分天饋線，但也會(huì)造成RRU端口資源浪費(fèi)，且由于只有單通道，無法實(shí)現(xiàn)雙流MIMO的效果，用戶上網(wǎng)速率無法提升。

（2）單通道分開覆蓋：新建室分RRU不同通道覆蓋不同區(qū)域，無法實(shí)現(xiàn)“雙流”

為節(jié)約RRU資源，部分新建室分系統(tǒng)采用1臺(tái)RRU不同通道覆蓋不同樓層（或不同區(qū)域），如RRU的A端口覆蓋1、2、3、4層，B端口覆蓋5、6、7、8層，RRU設(shè)備減少一半，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，但由于所有區(qū)域都只有單通道，無法實(shí)現(xiàn)雙流MIMO效果。

圖1 普通單流（RRU不同通道覆蓋不同區(qū)域節(jié)約設(shè)備）

（3）新舊室分同時(shí)存在形成雙流覆蓋：同一區(qū)域在舊室分基礎(chǔ)上新增一套新的天饋系統(tǒng)，與舊室分系統(tǒng)分別接到RRU的不同通道端口上，形成“雙流”效果，比完全重新建設(shè)一套雙流的成本節(jié)約一半材料和設(shè)備，但只適用于原有室分且室分狀態(tài)良好的情況下。

（4）完全新建雙流室分：同一區(qū)域部署兩路分布系統(tǒng)天饋線分別接入RRU不同通道，即一般雙流建設(shè)方式。但由于天饋線需要同時(shí)部署兩路形成不同端口重疊覆蓋效果，需要多一倍的天饋線材料和資源，建設(shè)和維護(hù)成本高，施工難度加大，且需要占用更多的天花板內(nèi)公共管道資源。

圖2 普通雙流（RRU不同通道不同路徑覆蓋同一區(qū)域成本翻倍）

（5）新模式建設(shè)：即采用DAS、Lapmsite等新設(shè)備、新模式建設(shè)的室內(nèi)分布系統(tǒng)，目前在穩(wěn)定性、建設(shè)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備成本等方面還需要進(jìn)一步改善提升，是否形成雙流也需要依不同建設(shè)方案而定。

2.2 “錯(cuò)層雙流”建設(shè)方式

RRU不同通道端口分別錯(cuò)開覆蓋奇偶樓層，如A通道覆蓋1、3、5、7樓，B通道覆蓋2、4、6、8層，利用全向吸頂天線配合功率合理調(diào)整，本層天線背向信號(hào)穿透樓板覆蓋上一層，與上一層異通道信號(hào)重疊覆蓋，形成雙流MIMO效果。

◎ 優(yōu)點(diǎn)：

（1）每層樓只需要建設(shè)單通道室分天饋線系統(tǒng)；

（2）R R U雙通道端口都得到利用，節(jié)約一半設(shè)備；

（3）無需雙通道天饋線同時(shí)部署，減少了工程施工和維護(hù)難度，與普通單通道室分施工相比，幾乎沒有增加任何成本；

（4）可以與DAS建設(shè)方式一起實(shí)施，進(jìn)一步節(jié)約信源。

◎ 難點(diǎn)：

相比普通雙模建設(shè)模式，由于需要充分利用全向天線的“全向”性，要求下一層天線信號(hào)“穿墻”后有足夠功率與上一層異通道信號(hào)形成雙流MIMO效果，對上下兩層的天線安裝位置、功率控制有一定要求，同時(shí)需要嚴(yán)格按照RRU不同通道錯(cuò)層規(guī)劃來施工，形成有效的雙流效果。

◎ 適用性：

錯(cuò)層雙流建設(shè)只適合樓高一般的樓宇，對于樓高較大的樓層來說，由于L網(wǎng)高頻信號(hào)穿墻后損耗大，難以得到雙流效果，但仍然可以作為不同單流網(wǎng)絡(luò)使用。

由于信源設(shè)備的節(jié)約，錯(cuò)層雙流也不適合高流量高負(fù)荷的區(qū)域。

圖3 錯(cuò)層雙流（RRU不同通道覆蓋相鄰的奇偶樓層）

3 優(yōu)化方案（錯(cuò)層雙流改造案例）

某大廈1-5樓為辦公及娛樂場所，6-18樓為商住房，前期LTE室分系統(tǒng)為與C網(wǎng)老分布系統(tǒng)簡單合路，但出現(xiàn)在分布系統(tǒng)末端LTE室分信號(hào)差、乃至無室分信號(hào)輸出的問題（如9-10樓、17-18樓等單個(gè)RRU連接的分布系統(tǒng)末端），MR覆蓋率低，用戶感知差，需要進(jìn)行室分整治。

綜合該樓宇用戶量、設(shè)備需求、分布建設(shè)難度等綜合考慮，計(jì)劃將該樓宇室分系統(tǒng)不同樓層分別使用普通單流（RRU只接1個(gè)端口，分布為單路）、普通雙流（RRU雙端口覆蓋同一區(qū)域，分布為雙路）、錯(cuò)層雙流（RRU雙端口錯(cuò)層覆蓋不同的奇偶樓層，分布為單路）三種方式分別改造，其中重點(diǎn)是6-18樓的錯(cuò)層雙流改造。共使用6臺(tái)RRU覆蓋整個(gè)大廈。

表1 某大廈不同樓層LTE室分改造建設(shè)模式

其中6-18層使用錯(cuò)層雙流建設(shè)模式，僅使用2臺(tái)RRU，每層樓單路分布，RRU的兩個(gè)端口錯(cuò)層連接奇偶數(shù)樓層，使用雙端口解決室分末端功率不夠問題的同時(shí)，通過上下層分布系統(tǒng)期望形成“雙流”效果。

圖4 老室分改造錯(cuò)層雙流方案

圖5 單個(gè)RRU錯(cuò)層覆蓋不同樓層主干設(shè)計(jì)圖（錯(cuò)層雙流）

圖6 一臺(tái)RRU兩個(gè)端口獨(dú)立覆蓋某大廈4樓單層主干設(shè)計(jì)圖（普通雙流）

4 效果評(píng)估

以某大廈為例，LTE室分系統(tǒng)錯(cuò)層改造開通后，分別對室分單路、普通雙流、錯(cuò)層雙流區(qū)域進(jìn)行對比測試。

表2 某大廈各樓層LTE室分覆蓋測試情況

從測試結(jié)果來看，金陽光大廈1-5樓因?yàn)椴扇∑胀p流室分建設(shè)方案，現(xiàn)場測試RANK2比例達(dá)到100%，用戶感知良好；

6-18層采用錯(cuò)層雙流建設(shè)方案，RANK2比例在80%～100%之間，最高下載速率達(dá)到118Mbps，大部分區(qū)域都能實(shí)現(xiàn)雙流效果；

地下室采用單通道建設(shè)（傳統(tǒng)室分簡單合路），RANK2比例為0，無法實(shí)現(xiàn)雙流效果。

在本次某大廈室分錯(cuò)層雙流建設(shè)案例中，1-5樓采用普通雙流建設(shè)，共使用了3臺(tái)RRU，每層樓都部署了2路分布系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雙流MIMO效果，而6-18樓采用錯(cuò)層方案，僅采用2臺(tái)RRU，每層樓只部署了一路分布系統(tǒng)，但通過上下樓互補(bǔ)也同樣實(shí)現(xiàn)了雙流MIMO效果，用戶感知上與普通雙流沒有明顯差異，卻大大減少了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

從覆蓋效果來看，有以下改善：

① 單路主干分支減少（減半），解決原有簡單合路室分末端LTE功率不足；

② 通過上下層配合形成雙流，雙流比例達(dá)到80%以上，雖然無法實(shí)現(xiàn)100%雙流，但明顯優(yōu)于普通單流。

表3 單樓層前后對比測試效果

5 經(jīng)驗(yàn)推廣

在針對高流量、高人員密集度的重點(diǎn)樓宇室內(nèi)覆蓋質(zhì)量提升，尤其是老室分改造過程中，結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)和各樓層具體用途，同時(shí)又考慮到容量、速率及工程施工難度等因素，通過錯(cuò)層雙流建設(shè)方案可顯著節(jié)約建設(shè)成本，室分覆蓋效果理想，建議在酒店、寫字樓等高層樓宇室分新建或改造方案設(shè)計(jì)時(shí)，可以推廣錯(cuò)層雙流方案，節(jié)約建設(shè)資源成本的同時(shí)，降低施工和維護(hù)成本，并且實(shí)現(xiàn)雙流MIMO效果。