丁明玲,孫震,王志中
(1.中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院,廣東 廣州 510630;2.廣東省電信公司艾特實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510630)
隨著我國(guó)LTE牌照的發(fā)放,4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入規(guī)?;ㄔO(shè)階段。室內(nèi)作為大部分移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的產(chǎn)生場(chǎng)景,其信號(hào)覆蓋質(zhì)量將直接影響用戶體驗(yàn),因此各運(yùn)營(yíng)商對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景LTE深度覆蓋十分重視。
LTE 實(shí)現(xiàn)高速通信的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多入多出),也叫多天線技術(shù)[1]。運(yùn)營(yíng)商在LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期出于成本考慮,更多采用單通道室分系統(tǒng)引入LTE信號(hào),尤其在已有室分系統(tǒng)但數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求不高的場(chǎng)景。但隨著4G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的逐步增長(zhǎng),單路室分容量限制越來(lái)越大,對(duì)于MIMO室分建設(shè)的需求也逐步增強(qiáng)。目前,室外場(chǎng)景下LTE基站多天線最高支持8×8模式(8天線),而室內(nèi)場(chǎng)景由于受到天線安裝條件和移動(dòng)終端多天線技術(shù)的限制,只支持2×2模式(2天線)。
MIMO作為L(zhǎng)TE關(guān)鍵技術(shù),其基本原理是:將信源數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼分解為多個(gè)并行數(shù)據(jù)流,并在指定的帶寬內(nèi)由多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射,經(jīng)過(guò)相互獨(dú)立的無(wú)線信道傳輸后,由多個(gè)接收天線接收,接收機(jī)根據(jù)各個(gè)并行數(shù)據(jù)流的空間特性,經(jīng)過(guò)空時(shí)解碼處理能夠解析出這些并行數(shù)據(jù)流,最終恢復(fù)出信源信息[2]。
由MIMO基本原理可知,空間數(shù)據(jù)流的增多在不增加帶寬的情況下成倍提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜利用率,因此MIMO室分系統(tǒng)相對(duì)于單路系統(tǒng)在容量上有巨大優(yōu)勢(shì)[3]。LTE試驗(yàn)網(wǎng)中不同廠家設(shè)備在單/雙通道情況下小區(qū)下行吞吐量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示:
圖1 不同廠家設(shè)備在單/雙通道情況下LTE小區(qū)下行吞吐量對(duì)比
由圖1可見(jiàn),不同廠家設(shè)備單通道模式小區(qū)下行吞吐量為23~35Mbps,雙通道模式小區(qū)下行吞吐量為28~58Mbps,系統(tǒng)容量平均提升約48%。值得注意的是,部分廠家系統(tǒng)吞吐量提升不明顯,這是由于雙通道系統(tǒng)中關(guān)鍵指標(biāo)下降導(dǎo)致的。
影響MIMO系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素主要如下:
(1)支路信號(hào)平衡度
MIMO技術(shù)依靠多個(gè)并行空間信道傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)吞吐量的成倍提升。如果各通道信號(hào)功率差距過(guò)大,則較低功率的信號(hào)不僅無(wú)法被接收機(jī)正確接收,還可能被當(dāng)作干擾信號(hào)對(duì)其他支路產(chǎn)生影響。在LTE雙通道MIMO室分系統(tǒng)中,雙通道信號(hào)功率差與系統(tǒng)誤差矢量幅度(EVM)的關(guān)系如表1所示:
表1 LTE雙通道信號(hào)功率差與EVM關(guān)系
由表1可見(jiàn),隨著兩支路信號(hào)功率差的增大,系統(tǒng)EVM逐漸增大,解調(diào)能力逐漸降低,系統(tǒng)吞吐量相應(yīng)也會(huì)逐漸降低。因此,在LTE MIMO室分設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格保持各支路信號(hào)平衡[4]。從系統(tǒng)性能和工程難度方面考慮,一般通道功率差應(yīng)控制在5dB以內(nèi)。
(2)支路信號(hào)隔離度
MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速通信的另一個(gè)前提就是各通道信號(hào)經(jīng)過(guò)獨(dú)立的無(wú)線信道傳輸,即不相關(guān),因此要求各支路信號(hào)互相隔離。如果各支路信號(hào)互相串?dāng)_,則會(huì)嚴(yán)重影響MIMO性能。
以2.3GHz TD-LTE試驗(yàn)網(wǎng)室內(nèi)場(chǎng)景為例,采用雙通道MIMO,各通道使用獨(dú)立的單極化天線,則通道間隔離度主要由兩幅天線安裝距離決定。圖2即為試驗(yàn)網(wǎng)中雙天線間距和單點(diǎn)位系統(tǒng)吞吐量的關(guān)系,其中λ為信號(hào)電磁波波長(zhǎng)。
圖2 雙通道天線間距和吞吐量關(guān)系
由圖2可見(jiàn),隨著天線間距的增加,雙通道信號(hào)隔離度逐步增大,系統(tǒng)下行吞吐量明顯增加;由于移動(dòng)終端雙天線間距的限制,系統(tǒng)上行吞吐量變化幅度稍小。綜合考慮測(cè)試結(jié)果和工程安裝,一般條件允許時(shí),雙天線間距應(yīng)在10λ 以上;條件受限時(shí),雙天線間距也不應(yīng)小于4λ。
另外,部分室內(nèi)場(chǎng)景受限于安裝條件,無(wú)法使用獨(dú)立的多天線,而是采用一副雙極化天線實(shí)現(xiàn)雙通道間的隔離。為了保證和雙天線相同的MIMO效果,需要提高雙極化天線的端口隔離。以2.3GHz TD-LTE試驗(yàn)網(wǎng)系統(tǒng)為例,假設(shè)雙天線間距4λ 時(shí)的天線端口隔離度為I,則有:
其中,Lpath為兩天線空間鏈路傳輸損耗;Gant為天線增益,一般室內(nèi)吸頂天線Gant為4dB。根據(jù)自由空間鏈路損耗模型計(jì)算兩天線空間鏈路損耗Lpath為:
其中,Lpath為信號(hào)傳輸損耗(單位為dB);f 為信號(hào)頻率(單位為MHz);d 為傳輸距離(單位為m)。取f=2300MHz,d=4λ=0.52m,將式(2)代入式(1),可得到雙天線間距4λ 時(shí)的天線端口隔離度I=26dB。因此對(duì)于2.3GHz系統(tǒng),采用一副雙極化天線時(shí),為了達(dá)到較好的MIMO效果,其端口隔離度至少不低于26dB。
通過(guò)以上分析可知,在MIMO室分建設(shè)中應(yīng)保證多天線布放間距或提高雙極化天線端口隔離度。
隨著國(guó)內(nèi)LTE網(wǎng)絡(luò)的深入部署,為了滿足部分重要場(chǎng)景的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求,運(yùn)營(yíng)商在此類場(chǎng)景LTE室分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮雙路MIMO建設(shè)方案。下面將對(duì)傳統(tǒng)和新型LTE室分雙路MIMO建設(shè)方案進(jìn)行分析。
傳統(tǒng)室分方案沿用2G/3G室分建設(shè)方法,信源信號(hào)主要經(jīng)過(guò)饋線、無(wú)源器件等網(wǎng)元到達(dá)天線端,全鏈路為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。由于無(wú)源網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定性高和后期維護(hù)成本低的特點(diǎn),該類方案從2G時(shí)代至今被廣泛采用。目前運(yùn)營(yíng)商采用較多的傳統(tǒng)室分雙路MIMO建設(shè)方案有以下2種:
方案1:LTE與2G/3G系統(tǒng)共用一條鏈路
國(guó)內(nèi)多數(shù)室內(nèi)場(chǎng)景都具備完整的2G/3G信號(hào)覆蓋系統(tǒng),為了節(jié)約建設(shè)成本和縮短建設(shè)周期,運(yùn)營(yíng)商在LTE雙路室分建設(shè)中會(huì)選擇一路新建、一路利舊的方式,即一路LTE信號(hào)與原2G/3G信號(hào)鏈路合路,共用一套室分鏈路。
該方案的優(yōu)勢(shì)是降低施工復(fù)雜度和建設(shè)成本。但該方案也存在較大問(wèn)題:由于布線和器件老化等原因,新建鏈路與共用鏈路很難保持平衡。由上文分析可知,雙通道間不平衡會(huì)降低MIMO性能,且共用鏈路存在多系統(tǒng)干擾可能[5]。
方案2:新建兩條LTE室分鏈路
某些室內(nèi)場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能要求較高,如人流密集的商場(chǎng)、會(huì)議室和高校等,此類場(chǎng)景需要保證穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)通信。如果具備施工條件,運(yùn)營(yíng)商多會(huì)選擇新建兩條獨(dú)立的LTE室分鏈路以保證MIMO性能[6]。
新建兩條LTE鏈路的優(yōu)勢(shì)明顯:獨(dú)立鏈路保證了最高的多系統(tǒng)間隔離,降低干擾可能;同時(shí),兩條鏈路在線路布放、器件使用上基本能保持一致,減少了雙路不平衡度,以保證較好的MIMO性能。但該方案相較共用方案,其物業(yè)協(xié)調(diào)難度、施工復(fù)雜度及投資大幅提高,一般用于新建場(chǎng)景。
傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中,有源設(shè)備均配置在干線,分布式覆蓋主要采用饋線和無(wú)源器件所組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn);隨著移動(dòng)通信向更全面和深入覆蓋的方向發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)覆蓋呈現(xiàn)出有源設(shè)備向分布系統(tǒng)末端配置的趨勢(shì)。例如:基站設(shè)備逐步由傳統(tǒng)BTS集中式發(fā)展為現(xiàn)今的BBU+RRU分布式形態(tài),而近年大力推行的有源天線系統(tǒng)(AAS)更是將有源設(shè)備和末端天線配置到一起。有源設(shè)備向系統(tǒng)末端配置的優(yōu)勢(shì)明顯:全鏈路信號(hào)均能有效監(jiān)控,消除無(wú)源鏈路損耗對(duì)系統(tǒng)覆蓋性能的影響,做到“無(wú)死角”覆蓋。
在室內(nèi)分布系統(tǒng)領(lǐng)域,幾種新型有源分布式LTE雙路MIMO建設(shè)方案以其特有的優(yōu)勢(shì)逐漸受到運(yùn)營(yíng)商關(guān)注。
方案3:有源天線MIMO室分系統(tǒng)
傳統(tǒng)室分雙路MIMO建設(shè)方案需要鋪設(shè)完整的饋線鏈路,工程改造復(fù)雜度較高,物業(yè)協(xié)調(diào)困難。有源天線MIMO室分系統(tǒng)通過(guò)近端設(shè)備將LTE雙路MIMO信號(hào)與2G/3G信號(hào)合并于原室分鏈路共同傳輸,并在分布系統(tǒng)末端通過(guò)遠(yuǎn)端設(shè)備還原出LTE信號(hào),使用雙極化天線實(shí)現(xiàn)雙通道覆蓋[7]。該方案具體框圖如圖3所示:
圖3 有源天線MIMO室分系統(tǒng)架構(gòu)圖
由圖3可見(jiàn),該方案改造工作集中在信源端和室分末端,通過(guò)增加近、遠(yuǎn)端設(shè)備和更換饋電器件就能完成系統(tǒng)建設(shè),最大程度地利用了原室分系統(tǒng)鏈路,降低物業(yè)協(xié)調(diào)難度。由于雙通道信號(hào)經(jīng)過(guò)相同鏈路傳輸,功率平衡度容易保證。
然而,該方案共用鏈路的方式增加了多系統(tǒng)干擾的可能,而且近、遠(yuǎn)端設(shè)備之間使用饋線和無(wú)源器件網(wǎng)絡(luò)傳輸模擬同步信號(hào)及饋電信號(hào),隨著鏈路的增加,系統(tǒng)同步和遠(yuǎn)端供電穩(wěn)定性會(huì)逐步下降。
方案4:多業(yè)務(wù)數(shù)字分布系統(tǒng)
為了降低室分改造復(fù)雜度,同時(shí)保證系統(tǒng)深度覆蓋可靠穩(wěn)定,業(yè)界從另一個(gè)角度出發(fā),提出了多業(yè)務(wù)數(shù)字分布系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是使用更輕便、可靠的光纖或五類線代替?zhèn)鹘y(tǒng)射頻同軸電纜作為信號(hào)傳輸載體,具體系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 多業(yè)務(wù)數(shù)字分布系統(tǒng)架構(gòu)圖
目前多數(shù)室內(nèi)建筑光纖或五類線布線資源豐富,此類傳輸載體比射頻線纜輕便許多,因此該方案工程實(shí)施相較傳統(tǒng)方案要容易。由圖4可見(jiàn),該系統(tǒng)可將LTE和2G/3G信號(hào)合并后采用數(shù)字方式傳輸,在抗多系統(tǒng)干擾和系統(tǒng)同步穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。另外,該系統(tǒng)遠(yuǎn)端單元也配置在支線末端,支持雙通道功率獨(dú)立可調(diào)輸出,最大程度地保證了雙通道平衡度,從而提高M(jìn)IMO性能。
方案5:Small Cell室分解決方案
隨著4G移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的逐步提高,延伸覆蓋式的常規(guī)室分系統(tǒng)逐漸暴露出劣勢(shì):無(wú)法增加小區(qū)容量。為了滿足大容量需求,業(yè)界提出Small Cell(微基站)室內(nèi)解決方案[8]。
Small Cell是低功率無(wú)線接入節(jié)點(diǎn),屬于微功率基站,不僅延伸信號(hào)覆蓋,更能提供額外的容量。由于具有不可替代的優(yōu)勢(shì),Small Cell解決方案在很多熱點(diǎn)場(chǎng)景被采用。其具體組網(wǎng)方式如圖5所示。
圖5 Small Cell室分解決方案組網(wǎng)圖
由圖5可見(jiàn),Small Cell室分系統(tǒng)中,覆蓋單元通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)與LTE核心網(wǎng)連接,其在網(wǎng)絡(luò)中的等級(jí)和功能與LTE基站設(shè)備(eNodeB)相同,除了支持雙路MIMO信號(hào)覆蓋之外,還能提供容量覆蓋,同時(shí)具備自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)功能。覆蓋單元能根據(jù)空間無(wú)線信號(hào)情況自動(dòng)配置,調(diào)節(jié)各單元的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。在該方案中,信號(hào)承載使用的也是光纖和五類線,既保證了信號(hào)的穩(wěn)定傳輸,又降低了工程實(shí)施難度。
Small Cell室內(nèi)解決方案以IP網(wǎng)絡(luò)為載體與核心網(wǎng)連接,以提供大容量深度覆蓋為目標(biāo),因此其對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)帶寬和穩(wěn)定性要求較高,同時(shí)系統(tǒng)設(shè)備成本也較高。
為了全面分析上述各LTE室分雙路MIMO建設(shè)方案特點(diǎn),下面將對(duì)各方案在工程實(shí)施、物業(yè)協(xié)調(diào)、建設(shè)成本、MIMO性能等方面進(jìn)行深入對(duì)比。
(1)工程實(shí)施和物業(yè)協(xié)調(diào)
完整的室分系統(tǒng)工程實(shí)施包括線路核查、結(jié)構(gòu)改造、材料制作、線路鋪設(shè)、設(shè)備安裝、開(kāi)通調(diào)試、質(zhì)量管理等方面工作;而物業(yè)協(xié)調(diào)包括業(yè)主溝通、證件辦理、補(bǔ)償協(xié)調(diào)、周期控制等方面工作。根據(jù)以上各方案特點(diǎn),部分方案可省去或縮短某些環(huán)節(jié)工作,因此結(jié)合目前室分建設(shè)技術(shù)水平,可得出LTE雙路MIMO室分建設(shè)方案在工程實(shí)施和物業(yè)協(xié)調(diào)方面的工作量占比如圖6所示:
圖6 LTE雙路MIMO室分建設(shè)方案工程量對(duì)比
由圖6可見(jiàn),方案1和方案2至少需要新建一條完整的天饋系統(tǒng),由于涉及到在天花板上進(jìn)行體積和重量較大的饋線工程作業(yè),工程量和物業(yè)協(xié)調(diào)難度非常大,其中方案2達(dá)到100%的工作量占比。
新型室分建設(shè)方案中,由于方案3無(wú)需進(jìn)行完整的饋線布放施工,因此工程實(shí)施和物業(yè)協(xié)調(diào)最容易,工作量只有完整工程的50%和40%;而方案4和方案5采用輕便柔軟的光纖或五類線作為傳輸介質(zhì),室內(nèi)布線資源豐富,鋪設(shè)難度和物業(yè)協(xié)調(diào)工作相對(duì)較低,其中方案5工作量只有方案2的63%。
(2)建設(shè)成本
室分系統(tǒng)成本包括鏈路改造成本和設(shè)備材料成本兩方面。以1 000m2的10層寫(xiě)字樓場(chǎng)景為例,使用1個(gè)LTE RRU作為信源,可估算出各方案的成本需求如圖7所示,其中方案4和方案5均采用分布型建設(shè)方式。
圖7 LTE雙路MIMO室分建設(shè)方案成本對(duì)比
由圖7可見(jiàn),方案1與方案2工程實(shí)施難度較大,鏈路改造成本較高;方案1基本不涉及有源設(shè)備,材料成本最低,而方案2需使用較多昂貴饋線(相對(duì)光纖和五類線成本),材料成本較高。
方案4與方案5中光纖或五類線的鋪設(shè)相對(duì)饋線容易,因此鏈路改造成本較低;而這2種方案均需配置較多昂貴有源設(shè)備(方案5使用基站級(jí)網(wǎng)元設(shè)備),因此設(shè)備材料成本較高。
綜合考慮,由于方案3工程改造量最少,且使用造價(jià)較低的有源設(shè)備,因此其綜合成本最低;方案2與方案5在改造和材料方面成本上升明顯,因此綜合成本最高;方案1與方案4綜合成本處于中間水平。
(3)系統(tǒng)干擾和MIMO性能
方案1和方案3均采用了與2G/3G共用鏈路及模擬信號(hào)方式傳輸LTE信號(hào),此類方案產(chǎn)生多系統(tǒng)干擾的可能性較高;相反地,采用雙路獨(dú)立建設(shè)或數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)钠渌?種方案能最大程度地降低系統(tǒng)間干擾。多系統(tǒng)干擾會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)MIMO性能即吞吐量下降。圖8對(duì)以上各方案單用戶下行吞吐量進(jìn)行了對(duì)比分析:
圖8 LTE雙路MIMO室分建設(shè)方案下行吞吐量對(duì)比
由圖8 可見(jiàn),根據(jù)測(cè)試位置的不同,存在一定系統(tǒng)干擾的方案1 和方案3 的吞吐量比其他方案低4%~30%。另外,方案2中多通道信號(hào)使用不同物理鏈路傳輸,工程改造中的差異使支路信號(hào)平衡較難把握,吞吐量稍低;方案4與方案5中各支路信號(hào)使用同一鏈路傳輸,且均支持支路功率調(diào)節(jié),因此支路信號(hào)功率平衡較易達(dá)到,吞吐量較高。
(4)擴(kuò)容支持與通道擴(kuò)展
考慮到今后室內(nèi)LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的逐步增長(zhǎng),室分系統(tǒng)容量和MIMO通道數(shù)可擴(kuò)展性也是運(yùn)營(yíng)商建設(shè)LTE室分需要考慮的因素。目前只有方案5支持容量擴(kuò)展。而通道擴(kuò)展方面,傳統(tǒng)方案需新增完整天饋鏈路,難度較大;新型方案由于多通道信號(hào)均使用原單條鏈路傳輸,因此只需更換系統(tǒng)干線或末端有源單元即可完成通道擴(kuò)展。
綜合以上分析,表2列出了各方案在施工難度、物業(yè)協(xié)調(diào)、建設(shè)成本等方面的對(duì)比結(jié)果:
表2 LTE室分雙路MIMO建設(shè)方案對(duì)比
由表2可知,各方案具有各自的優(yōu)勢(shì),在工程應(yīng)用中需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方案。
目前國(guó)內(nèi)尚處4G網(wǎng)絡(luò)商用初期,用戶覆蓋率較低,且各地市對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求不一,因此運(yùn)營(yíng)商在LTE室分建設(shè)中可根據(jù)需求采用不同的方案。根據(jù)上文分析結(jié)果,可得出現(xiàn)有LTE雙路MIMO建設(shè)方案適用場(chǎng)景如表3所示:
表3 LTE室分雙路MIMO建設(shè)方案適用場(chǎng)景
由表3可見(jiàn),針對(duì)不同場(chǎng)景,現(xiàn)有LTE室分MIMO建設(shè)方案均能滿足要求。同時(shí),對(duì)部分特殊場(chǎng)景,可結(jié)合不同方案特點(diǎn),采取多種方案混合組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)LTE雙路MIMO室分建設(shè)。例如:大型購(gòu)物中心內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域(咖啡館、4G體驗(yàn)館)可使用Small Cell方案解決容量不足問(wèn)題,而其他區(qū)域(零售店、洗手間)可使用多業(yè)務(wù)數(shù)字分布系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋,既保證重點(diǎn)區(qū)域的容量需求,又節(jié)約建網(wǎng)成本。
據(jù)統(tǒng)計(jì),現(xiàn)網(wǎng)中采用傳統(tǒng)方案建設(shè)的MIMO室分驗(yàn)收不通過(guò)比例較高,此類方案對(duì)線路設(shè)計(jì)、施工工藝、質(zhì)量管理要求更高。隨著室內(nèi)場(chǎng)景數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)和多天線技術(shù)的發(fā)展,用戶對(duì)室分多通道通信的需求會(huì)越來(lái)越迫切,目前業(yè)界已有支持4天線的LTE手機(jī)終端完成了現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試。此類4通道場(chǎng)景如果使用傳統(tǒng)室分建設(shè)方案,物業(yè)協(xié)調(diào)和工程改造難度巨大,且很難保證多天線效果;而采用新型多天線室分建設(shè)方案,通道擴(kuò)展較容易實(shí)現(xiàn),且系統(tǒng)MIMO性能也有保證,此類方案在今后4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中將逐漸成為L(zhǎng)TE室分建設(shè)的主流選擇。
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