室分错层室内MIMO详解.docx
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室分错层室内MIMO详解
错层MIMO双流传输模式
一、研究背景及目的
目前，为了扩大LTE商用网络的覆盖范围，国内移动通信运营商正大规模部署LTE系统。
对于大型楼宇的LTE室内分布系统，现在采用的主要技术方案几乎都是在原有的单通道分布系统基础上进行简单的合路，无法发挥LTEMIMO双流传输模式的技术优势，损失了LTE室内分布系统约50%的容量。
为了更好地发挥LTE室内分布系统中MIMO双流技术优势，目前移动通信业界主要有3种传统方法，但是都存在工程造价偏高和实施难度较大的缺点：
方法1：
独立新建LTE双通道室内分布系统。
跟传统单通道室内分布系统相比，此方法天馈部分的工程造价增加了2倍。
同时因为该方法中天线数量的大幅增加会导致施工难度的增加。
方法2：
新建一套单通道室内分布系统，同时对原有的2G、3G室内分布系统进行改造，并利旧改造后的原分布系统形成双通道室内分布系统。
与传统单通道室内分布系统相比，此方法天馈分布系统部分的工程造价增加了1倍。
由于需要新建一套并改造原有的单通道室内分布系统，工程协调难度大，施工难度高。
方法3：
利用主流LTE设备厂家推广的具备MIMO双流传输模式功能的微功率设备建设有源分布系统。
由于需要使用大量的微功率设备才能实现对大型楼宇的LTE信号覆盖，所以此方法的工程造价比方法1还要高。
为了低成本实现4G室内分布系统中的MIMO双流传输效果，大范围提高电信4G用户感知，在传统单天馈DAS结构基础上，江苏电信常州分公司无线维护中心研究提出了“奇偶错层覆盖方法”，该方法仅增加很小的建设成本（约1.1%），实现了LTE室内分布系统中的MIMO双流传输模式，效果十分理想，双流数据占比和下载业务速率均很高，LTE小区容量提升约80%。
二、实现MIMO双流传输的关键因素
LTE小区的吞吐速率跟单双流、资源调度参数、HARQ参数息息相关。
其中，单双流跟无线信道的秩（Rank）和误块率（BLER）息息相关，由于BLER跟无线信道质量（SINR）密切相关，由此推理LTE数据下载业务的双流比例主要由Rank和SINR决定，关系示意图见图1。
当无线传播环境能长时间维持两种相关性较小的无线信道时（即：
无线信道矩阵的秩Rank=2），eNodeB在进行下载业务无线资源调度时，分配UE使用2个码字的数据业务占比会较高，从而大幅提升物理下行共享信道（PDSCH）上的数据速率。
图1LTE单双流相关要素
对于FDD-LTE，eNodeB分配UE使用单双码字流的流程见图2。
初始传输模式配置为TM3，以便于提高UE初始下行速率，后续根据UE的实时上报的无线信道测量信息（SINR、RI），持续进行传输模式的保持或调整。
图2单双流的保持或调整流程
由上述分析可知，如果在FDD-LTE室内分布系统中实现稳定的MIMO双流传输效果，要实现如下3个关键因素：
1、信源设备MIMO模式参数配置为TM3；
2、无线信道矩阵的秩保持为2的采样点占比必须较高（即：
RI=2的占比需较高）；
3、LTE无线信道质量超过门限值的采样点占比必须较高。
三、奇偶错层覆盖技术方案
错层覆盖方案通过以下4方面实现了FDD-LTE双流传输关键因素：
1、配置合理的设备参数；
2、合理利用全向吸顶天线辐射特性；
3、合理设计天线输出功率；
4、创新布置双主干。
1、配置合理的设备参数
LTERRU的初始传输模式配置为TM3，即参照室外RRU的数据模板进行配置。
这样eNodeB根据UE上报的室内无线信道不相关性、无线信道质量来判断分配单流（发射分集模式）或是双流（空分复用模式）无线信道。
PA/PB配置为（0,0），加大数据业务信道RE功率，可以降低PDSCH的BLER。
2、合理利用全向吸顶天线辐射特性
室内分布系统中，主要使用全向吸顶天线，该类型天线在不同频段的方向图见图3。
在水平面上，全向吸顶天线在360度方向上的无线信号场强分布相对比较均匀；在垂直面上，全向吸顶天线的主瓣增益可以帮助上一楼层天线的无线信号向下穿透一层楼板辐射到当前房间。
同时由于全向吸顶天线前后比较小，下一楼层天线的后瓣无线信号会向上穿透一面楼板辐射到当前房间。
（a）水平面方向图（b）垂直面方向图
图3全向吸顶天线的水平面和垂直面的方向图
3、合理设计天线输出功率；
根据目标楼宇各楼层的建筑构造、装修布局，合理设计室内天线的布放位置和天线口射频输出功率，使每个楼层用户的主要活动范围内的LTE终端接收到的当前楼层和其他楼层的LTE无线信号强度能同时满足终端解调门限和LTERRU启动双流的无线信道质量门限，降低每个不同传播路径上无线信号误块率，实现两路数据流的有效解调。
在LTE技术制式中，SINR、RSRP很大程度上决定了终端解调效果，而在DAS场景内，RSRP的强弱决定了SINR的大小。
由于每个具体室内场景的无线传播模型是相对固定的，所以DAS的天线射频输出功率的大小决定了终端RSRP的强弱。
因此，在DAS中，合理的天线射频输出功率设计十分重要，它决定了RSRP和SINR的大小。
（虽然SINR同时跟RSRP、PCI的模三干扰有很大关系，但是在DAS场景内，通过对室内信源PCI的合理规划，基本上可以避免室外信号对室内信号的模三干扰；即使由于特殊原因导致无法避免模三干扰，但是因为目前国内运营商的LTE信号频段较高，所以室外信号穿透大楼墙壁到达室内后，信号场强衰减较大，对室内信号的干扰影响程度很小。
）RSRP预算方法为：
（1）
其中：
Txpower：
全向吸顶天线输出的参考信道功率
GainANT：
全向吸顶天线的增益
GainUE：
LTE终端内置天线的增益
Ltotal：
从全向吸顶天线到终端的LTE空间链路预算，采用国际电联ITU-RP.1238-6建议书的传播模型，基本模型公式为：
（2）
其中：
N：
距离功率损耗系数；
f：
频率；
d：
天线和便携终端之间的距离；
Lf：
楼层穿透损耗因子；
n：
天线和便携终端之间的楼板数。
LNFmarg：
阴影衰落；
BPL：
介质损耗。
SINR计算公式为：
（3）
其中：
Noise：
自然界白噪声、设备噪声系数等的合成；
Interference：
无线信号干扰，在LTE网络中主要指相邻小区对本服务小区的干扰，取值相邻小区参考信道接收功率（RSRPI）。
式（3）的等效公式为：
（4）
在商业楼宇无线环境中，室内全向吸顶天线的平均覆盖半径为6m左右。
以中国电信目前试商用的LTEFDD频段1800MHz为例，DAS中每个室内全向吸顶天线的Txpower设计值建议不小于-15dBm。
对于这个设计值，下面分2个场景，利用式
（1）~式（4）对LTE终端的关键指标RSRP、SINR进行预算分析：
场景1为终端接收相邻楼层全向吸顶天线发射的无线信号，场景2为终端接收本楼层的全向吸顶天线发射的无线信号。
式
（1）~式（4）中的参数取值见表1。
表1两种场景中的参数值
参数
单位
N
dB
f
MHz
LNFmarg
dB
BPL
dB
GainANT
dB
GainUE
dB
Txpower
dBm
Noise
dBm
RSRPI
dBm
Lf
dB
d
m
场景1
22
1800
10
6
4
1
-15
-128
-110
6
6.8
场景2
22
1800
10
6
4
1
-15
-128
-110
0
6
场景1中，由于上一层的天线要向下穿透1面楼板，一层楼的层高约为3m，当前楼层内的天线水平覆盖半径为6m，计算得出上一层天线无线信号辐射到当前楼层覆盖边缘的覆盖半径约为6.8m。
本场景中，RSRP、SINR的预算结果为：
场景2中，由于只是预算本层天线对当前楼层的覆盖效果，因此不用考虑楼板穿透损耗，当前楼层内的天线水平覆盖半径为6m。
本场景中，RSRP、SINR的预算结果为：
LTE-FDD终端的接收灵敏度一般为-128dBm~-134dBm，从上述两种场景的预算结果可以看出，终端接收到的两路信号的参考信道射频功率都在正常解调门限之内，而且两路数据流的SINR也远大于LTE双流启动门限（LTE-FDDSINR的双流启动门限约为12dB左右）。
分析RSRP、SINR的预算结果得知，全向吸顶天线输出的参考信道功率设计值不小于-15dBm是合理的，可以保证顺利启动双流传输模式。
4、创新布置双主干
有别于传统单通道DAS，本创新方法技术方案中对DAS主干进行了创新设计，形成两路平行的主干，分别接到LTE-FDDRRU射频输出口的A端口和B端口，形成主干A和主干B；而每层楼的天馈分支部分的设计思路跟传统单通道DAS一样，仍然是单路天馈。
此方案的两路平行主干跟每层楼天馈分支的联接方式为：
主干A跟奇数楼层的天馈分支相连，把A端口的信号分配到奇数楼层天线；主干B跟偶数楼层的天馈分支相连，把B端口的信号分配到偶数楼层天线。
在这样的DAS中，每个终端可以同时接收到“当前楼层天线+上一楼层天线+下一楼层天线”这3个楼层天线发射的无线信号。
由于终端接收到的当前楼层天线和相邻楼层天线发射的这两路无线信号是从信源设备的不同射频口发出，而且传播路径不同，另外，室内场景的散射体比较丰富，这些因素导致这两路无线信号传播路径相关性较低。
双主干设计方案及无线信号传播路径示意图见图4。
图4双主干设计方案及无线信号传播路径
四、方案实施效果验证
为了验证错层覆盖方法实现LTE双流传输的实际效果，对常州第一人民医院3号楼LTEDAS进行了双主干改造，MIMO模式配置为TM3，PA/PB配置为（0，0），下行带宽配置为15MHz，选取其中1台信源设备的覆盖区域进行了大量测试。
测试软件、终端及测试方式见表2。
表2：
测试工具及测试方法
测试软件
鼎利9.1
测试终端
华为E392（Cate3）
FTP服务器
172.18.0.23
线程数
10
测试方式
走廊DT+房间内CQT
DT打点轨迹示意图见图5，围绕覆盖范围内护士服务台到东侧走廊进行测试。
图5DT测试轨迹示意图
图6是场景1、场景2的对比测试结果，从图中看出，其他楼层天线发出的无线信号穿透到当前楼层后，信号强度损耗了约10dB，SINR约降低3dB~6dB，但是依然远高于LTE终端解调门限和MIMO双流启动门限。
（a）两种场景的RSRP对比（b）两种场景的SINR对比
图6场景1、场景2中下载业务的对比测试
图7是遍历测试中各楼层的RSRP、SINR平均值，从图中可以看出，各楼层平均RSRP约为-75dBm左右，平均SINR约为25dB左右，无线信道指标十分良好。
图8是遍历测试中各楼层双流数据采样点占比统计图，从图中可以看出，各楼层的双流数据采样点占比均高于95%，大部分楼层都高于99%，基本上都是在使用MIMO双流传输模式进行业务下载。
图9是遍历测试中各楼层平均下载速率跟传统单通道DAS结构中平均下载速率的对比结果，从结果可以看出，传统单通道DAS中的平均下载速率约为45Mbps，而新方案的平均下载速率约为85Mbps，速率提升了89%。
（a）RSRP平均值（b）SINR平均值
图7各楼层的RSRP、SINR测试结果平均值
图8双流传输采样点占比图9两种方案下载速率对比
上述测试结果可以得出以下结论：
1、奇偶错层覆盖方法可以很好地实现LTE双流数据业务，效果稳定。
2、在每一个楼层，两个码字数据流的信号场强相差不大，约相差10dB，SINR相当。
五、成本分析
1、新建DAS工程增加的成本分析：
在新建DAS时按照奇偶交错MIMO方案布放主干，跟常规方案比较只需要增加常规方案主干同等长度的馈线、每台RRU新增1个C/L合路器，除此以外没增加任何材料，相比较于新建DAS的总体造价而言，增加的工程造价绝对值和占比都极小。
以第一人民医院3号楼为例，常规方案造价为51万元，奇偶交错MIMO方案一共增加的工程造价核算见表3。
表3新建工程增加的工程造价核算表
成本支出项
单价（元）
单位
数量
价格（元）
馈线
11
米
150
1650
接头
10
个
24
240
合路器
350
个
4
1400
二功分
21.68
个
4
86.72
材料费合计
3376.72
集成费
2026.032
设计费
162.0826
监理费
162.0826
增加的总造价
5726.917
以第一人民医院3号楼为例，核算新建DAS工程的奇偶交错MIMO方案在常规方案基础上仅增加了1.1%的工程造价。
2、原DAS系统改造增加的成本分析
对原有DAS进行改造时，馈线、接头无法利旧，耦合器由于老化等因素利旧程度较低，合路器质量相对较好可以利旧。
改造的工作量是按照奇偶交错MIMO方案重新做2根主干，改造工程造价核算见表4。
表4对原有DAS改造的成本核算
每台RRU主干改造的每层成本核算
每台RRU每层成本支出项
单价（元）
单位
数量
价格（元）
馈线
11
米
6
66
耦合器
22
个
1
22
接头
10
个
2
20
每台RRU每层材料费合计
108
集成费
64.8
设计费
5.184
监理费
5.184
每台RRU每层增加的总造价
183.168
每台RRU合路点增加的成本
合路器
350
个
1
350
接头
10
个
9
90
二功分
21.68
个
1
21.68
合路点增加的材料费合计
461.68
集成费
277.008
设计费
22.16064
监理费
22.16064
每台RRU合路点增加的总造价
783.009
从上表可以看出，对原有DAS进行改造时，增加的成本为183元/RRU/层+783元/RRU（即：
每台RRU主干的每层改造成本+每台RRU合路点增加成本）。
3、设备成本分析
也许会有顾虑使用奇偶交错MIMO方案会增加LTERRU使用数量或者明显提高RRU的机顶输出总功率，从而提高设备使用成本。
但是理论分析和测试验证都证明了上述顾虑不存在：
理论上，虽然奇偶交错MIMO方案中增加了一路主干馈线，但是每路主干馈线上的耦合器减少了50%，相应地减少了每路主干上耦合器的插入损耗和接头损耗，因此在保持每个楼层天线口功率不变的情况下，LTERRU的射频总输出功率几乎不变，并不会增加使用RRU的数量或明显加大设备的机顶输出功率。
测试验证中，以第一人民医院3号楼为例，奇偶交错MIMO方案的LTERRU的两个射频输出口的输出总功率（2*20W）仅比常规方案（1*40W）高0.7个dB，使用RRU的数量跟常规方案相同。
六、复制推广可行性
1、综合成本分析
“奇偶错层覆盖方法”能顺利实现室内分布系统中的LTE双流传输模式，而且综合成本仅有少量增加：
1）、在天馈系统部分，相对于常规的单通道DAS，此方案只需要对主干进行改造，形成两路平行主干，经测算此项仅增加了1%的天馈工程成本。
2）、在信源使用部分，虽然每套DAS增加了一路主干，但是由于每路主干上的无源器件数量减少了一半，每路主干相应地减少了一半的器件插入损耗，因此DAS的信源总数量和每台信源的射频输出功率并没有增加。
2、实施可行性分析
在实施“奇偶楼层交错覆盖”方案时，施工现场增加的工作量只是在弱电井道内增加一路主干，不会妨碍大楼用户的正常工作，因此不会引起物业抵触，协调难度小，施工难度小，可实施性强。
3、复制推广范围
方法适用于商务办公楼、酒店、医院、校园宿舍等典型普通场景，适用范围较广。
在这些场景中，LTE小区主要采用垂直分区而非水平分区，楼层结构布局及层高比较规范，双主干错层覆盖结构结合全向吸顶天线辐射方向特性，可以形成比较稳定的双流传输无线信道。
4、复制推广注意事项：
1）、天线选型及安装方式要利于形成MIMO双流信道。
进行室分方案设计时，要根据施工现场的建筑结构布局、覆盖区域，结合天线辐射方向图，选择合适的安装方式，便于天线发射的无线信号在覆盖当前楼层的同时能顺利穿透楼板兼顾其他楼层。
2）、要进行合理的模拟测试或功率预算。
实现MIMO双流的关键因素之一是“LTE无线信道质量超过门限值的采样点占比必须较高”，为实现此要素，需要确保在覆盖边缘处两路码字流的CRS-SINR都大于双流启动门限值（默认为12dB）。
进行室分方案设计时，通过模拟测试或功率预算，使覆盖边缘处两路码字流的室分信号CRS-SINR大于12dB。
建议根据室外信号情况，合理设计室分信号CRS功率或采用异频覆盖来提高室分信号CRS-SINR。
3）、室分施工完成后要核实确保两路主干跟分支天馈是奇偶交错相连。
在室分施工中，如果两路主干跟分支天馈没有严格按照奇偶交错方式连接，会导致部分楼层仅使用单流数据业务。
因此，在天馈施工完成后，要逐层进行核实。
同时，在室内分布系统开通后，使用鼎力、TPhone等测试工具对每层楼进行遍历测试，判断是否顺利起双流数据业务，发现问题及时排查、优化。
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