双通道技术在TD和WiFi系统中的应用研究.doc

成果上报申请书成果名称双通道技术在TD和WiFi系统中的应用研究成果申报单位江西公司成果承担部门/分公司网络管理中心项目负责人姓名项目负责人联系电话和Email成果专业类别*无线成果研究类别*相关网络解决方案省内评审结果*优秀关键词索引（35个）TD 室内分布 双通道 WiFi应用投资20万元/每站点（指别的省引入应用大致需要的投资金额）产品版权归属单位中国移动通信集团江西有限公司对企业现有标准规范的符合度：（按填写说明4）符合如果该成果来源于研发项目，请填写研发项目的年度、名称和类型（类型包括：集团重点研发项目、集团联合研发项目、省公司重点研发项目、其他研发项目），可填写多个：无成果简介：简要描述成果目的和意义，解决的问题，取得的社会和经济效益。在3G网络中，室外的业务量(包括话音和数据)仅占整个网络业务量的30.3%，而室内业务量占整个网络业务量的69.7%，这是由于3G的主要业务量来自于数据，而通常情况下使用数据业务时用户大多数都在室内。同时，由于3G的2GHz频段特性以及良好的网络覆盖质量的需求，可以预期，对于3G网络建设来说，室内环境将成为运营商重点考虑的3G信号覆盖的区域。而在大量业务需求的室内场景中，如大型卖场，体育场馆，会议室等，主要是采用单通道进行覆盖，在单通道组网时，会存在容量受限的场景，当业务量上升时，上行干扰也会提升，上行干扰的提升会造成明显的性能下降。而在室内覆盖场景下，TD-SCDMA无法使用智能天线来获得赋形增益来提高下行覆盖能力和降低上行干扰。为解决这个问题，双通道技术方案在现有室内分布系统基础上增加一套天馈线系统，两套天馈线系统之间相互独立地接到同一小区的不同通道，覆盖同一块区域。这样就可以通过收发分集的方式提高上行增益以改善系统性能。同时，通过利用双通道技术，WiFi系统（IEEE802.11n）也能够获得100%的速率提升。同时，MIMO技术是新一代移动通信系统必须采用的关键技术，在未来的TD-LTE和WLAN（IEEE 802.11n）中均采用了MIMO技术，而双通道技术正是通过设置两套天馈系统来实现的，满足了MIMO技术需要多套（目前主要是两套）天馈系统的要求，所以从理论上说采用了双通道技术的室内分布系统能直接应用于未来移动通信网。因此采用双通道技术，除了能提升TD现网系统性能外，也能满足以后TD-LTE和IEEE 802.11n的系统要求，而如果在现在新建室内分布系统时就按照双通道方案设计，就可以减少以后采用TD-LTE和IEEE802.11n技术后的室内分布系统改造难度。省内试运行效果：描述成果引入后在本省试运行方案、取得的效果、推广价值和建议等。已在我省八一营业厅、洪城数码广场和上饶师范学院等地应用，有效改善了TD和WiFi网络性能，具体效果如下：1. 降低了TD终端发射功率35dB；2. 提升了TD系统上行增益35dB；3. 在弱覆盖区提升了TD下行速率约30；在存在较强干扰时(干扰水平平均-60-80左右)，双通道对比单通道TD上行速率约有50提升，下行速率约有50提升。4. 双通道模式下WiFi网络速率提升了100%，由40Mbps提升至80Mbps。以八一移动营业厅为例，由于采用TD双通道技术，HSDPA数据业务下载速率由以前的单通道覆盖情况下，下载均值从871.9kbps提升到1.123Mbps，提升了28，且下载速率基本都稳定在1.1Mbps以上，WiFi网络也由40Mbps提升至80Mbps，提升了100%，改善效果明显。总体说来，通过应用双通道技术方案，能够取得以下几方面的效益：1. 改善室内分布系统性能（增强覆盖、降低上行干扰、增加上行增益，提升干扰区业务使用效果），从而直接提升了客户感知；2. 在弱覆盖和干扰区域用户上下行速率都有30%-50%的提升，增加了业务流量，极大地提升了数据业务竞争能力。3. WiFi速率提升100%，极大地提升了数据业务竞争能力。4. 能满足TD-LTE和IEEE802.11n系统组网要求，实现向未来网络平滑过渡，有效提高投资效益。文章主体（3000字以上，可附在表格后）：根据成果研究类别，主体内容的要求有差异，具体要求见表格后的“填写说明5”。双通道技术在TD和WiFi系统中的应用研究一、研究背景国外某3G运营商的统计数据显示，在3G网络中，室外的业务量(包括话音和数据)仅占整个网络业务量的30.3%，而室内业务量占整个网络业务量的69.7%，这是由于3G的主要业务量来自于数据，而通常情况下使用数据业务时用户大多数都在室内。同时，由于3G的2GHz频段特性以及良好的网络覆盖质量的需求，因此对于3G网络建设来说，室内环境将成为重点考虑的3G信号覆盖的区域。与此同时，随着移动数据业务的快速发展，WLAN逐渐成为3G网络的有力补充而与3G网络同步规划建设，并且为提高投资效益一般都采用WLAN和TD共用一套室分系统的方式。目前在大量业务需求的室内场景中，如大型卖场，体育场馆，会议室等，由于现网都是采用单通道进行覆盖，而在单通道组网时，会存在容量受限的场景，即当业务量上升时，上行干扰也会提升，上行干扰的提升会造成明显的性能下降。而在室内覆盖场景下，TD-SCDMA无法使用智能天线来获得赋形增益来提高下行覆盖能力和降低上行干扰；同时，在部分室内站点（如宾馆）由于存在施工难度，存在一些无法通过新增天线解决的弱覆盖区域。江西移动通过研究采用双通道技术来克服上述问题，改善网络质量。MIMO技术是新一代移动通信系统必须采用的关键技术，它的主要特点是采用多通道输入和多通道输出，使得在占用带宽不变的情况下，数据吞吐量成倍增加，大大提高频谱利用率。因此在未来的TD LTE和WLAN（IEEE 802.11n）中均采用了MIMO技术，而双通道技术正是通过设置两套天馈系统来实现的，满足了MIMO技术需要多套（目前主要是两套）天馈系统的要求，所以从理论上说采用了双通道技术的室内分布系统能直接应用于未来移动通信网，为验证这一点，江西移动在采用了双通道的室内分布系统对采用802.11n技术规格的WLAN设备进行了测试。二、双通道技术方案室内双通道方案主要指：在BTS或RRU机顶侧利用两路通道连接两路天馈系统覆盖同一片区域，通过收发分集的方式，提高上行增益，改善系统性能。网络结构如下图所示：图1-1：室内覆盖双通道示意图室内分布双通道技术理论分析：室内分布双通道解决方案主要基于分集理论，在无线通信中采用分集技术可以降低衰落和干扰的影响。两条独立的信道，当一条信道处于衰落时，另一条通道状况可能较好，两通道相叠加时接收信号仍然能保证一定质量。降低干扰的影响：接收端通过对接收的分集信号进行合并，提升信噪比，降低干扰影响。信号的合并方式主要有一下几种：最大比合并(MRC)：合成后信噪比最大。等增益合并（EGC）：是接收信号相位相同，电压叠加。选择性合并(SEC): 选择信号中较强的一路。其中最大比合并，即瑞克接收性能最好，是目前普遍采用的实现方式。但是需要多套天馈来发射与接收信号，所以该方法一般都是室外宏站采用，主要用来改善上行性能。本次研究在室内使用两套天线进行覆盖，收发均采用分集。在数据业务对C/I，QOS要求较高的情况下，可以通过此方案降低功率，降低干扰，提高链路性能和系统容量，获取更高的数据吞吐量和网络性能和质量。具体不同信道环境分析如下：在视距传播环境下，两个天线发射的信号到达UE端，如果合成信号与UE一致，接收信号功率最大。也就是说，满足下行UE功率需求的情况下，如果能够达到匹配，则NodeB需要的下行发射功率最小。相应对其它用户和小区的干扰也最小。目前算法在视距传播环境里，能够自动实现发射信号的状态与UE状态相匹配，从而使下行发射功率最小。在充分散射环境，在UE到NodeB两个吸顶天线方向的信道之间相关性非常小情况下，可以认为是独立的。假定UE到两个天线方向上的信道分别为和，发送符号为s，发送端在两个方向上的加权向量分别为，那么经过加权后，UE端的接收信号为： (1)n为噪声，为了使接收信噪比最大，需要使接收信号的功率最大。发送端功率一定的情况下，使接收信号功率最大的加权系数满足: (2)也可以求解最优加权权值。每个吸顶天线均接收用户信号，接收信号直接混合送入通道处理单元，信号与干扰混叠在一起，在传输过程中信噪比不变。考虑到多个吸顶天线的接收信号对于系统只有幅度、时延的区别，因此单通道的信号接收功率等于此通道所有吸顶天线收到的功率之和，干扰亦如此，用户最终的接收信噪比为各通道信噪比之和。对于下行链路，背景干扰相同，合并多个吸顶天线的发送信号能量，然后计算用户接收信噪比。无论是视距传播环境，还是充分散射环境，总能使下行链路性能最优。这是由TD-SCDMA系统的特点决定的。从MIMO系统角度来看，如果发射端已知下行信道状态，那么可以使发射信号与信道相匹配，同时获得下行的发射分集增益和合并增益。在TD系统中，由于上下行采用相同的频段，因此可以利用上、下行信道的互易性，从上行接收信号得到下行信道的估计。在目前的分布式系统应用中，用户主要在室内，处于低速运动状态，因此上下行信道的互易性可以得到满足。此方案并可实现和PA+ MIMO以及LTE MIMO的平滑演进，采用双通道方案可以有利于方便进行后续演进的研究和平滑过渡。三、双通道技术方案应用效果双通道技术方案在我省多类型场景下应用，TD和WLAN系统性能均有明显提升，尤其是在存在干扰和弱覆盖情况下，两网性能提升尤为明显。以下列举几个典型场景的应用效果予以说明：1、 商业类卖场（江西八一移动营业厅）在八一营业厅TD和WLAN系统性能提升情况分别如下： TD系统性能提升情况在存在同频干扰时，TD系统性能提升如下：单通道速率双通道64K上传33.3Kbps50.1Kbps128K上传79.7Kbps125.6KbpsH下载639.9Kbps986.3Kbps WLAN系统性能提升情况AP模式单通道双通道MIMO性能(Mbps)MIMO性能(Mbps)11gn 20M1141.7512280.07511gn 40M1188.48122140.1482、 写字楼（洪城数码广场）在洪城数码广场应用时，采用了双极化室内天线，而双通道技术方案同样有明显的网络性能提升。 TD系统性能提升情况PCCPCH_RSCPPCCPCH C/IPCCPCH SIRCover Rate(PCCPCH) (RSCP=-95 & C/I=-3)/Total*100%Cover Rate(DPCH) (C/I=-3)/Total*100%双极化天线双通道-81.5114.5820100.00%92.53%双极化天线单通道-82.6113.5119.3195.24%92.31%HS_PDSCH_RSCP HS_PDSCH_C/I HS_SCCH_Scheduled_RateHS_16_QAM_RateHS_DSCH_NACK_RateHS_PDSCH_TotalBLER下行速率双极化天线双通道-100.41.240.5396.760.880.871.01Mbps双极化天线单通道-101.490.260.592.581.611.61963.5kbpsn 在双通道时各项指标均优于单通道，尤其是PCCPCH C/I和HS_PDSCH_C/I；n 由于在双通道时减少了干扰，因此在使用HSDPA业务时16_QAM编码比率也有了提升，HS_DSCH_NACK_RATE和HS_PDSCH_TotalBLER均较单通道有改善。1) WLAN系统性能提升情况AP模式单通道双通道MIMO性能(Mbps)MIMO性能(Mbps)11gn 20M1143.0322280.74711gn 40M1185.64622119.1943、 学生宿舍（上饶师范学院学生宿舍）2) TD系统性能提升情况PCCPCH RSCPDPCH RSCPDPCH C/I下行BLER下行ISCPUE_PWR上行BLER上行无线链路信干比测量值小区上行ISCP下行速率单通道-68.67-93.778.540.04-87.41-12.030.0176.298-111.034635.2kbps双通道-53.98-78.816.810-72.87-27.5106.127-110.908809.9kbps3) WLAN系统性能提升情况AP模式单通道双通道MIMO性能(Mbps)MIMO性能(Mbps)11gn 20M1129.2342253.72211gn 40M1174.7512286.195四、本省应用推广情况目前我省十一个地市均在酒店、写字楼、商业卖场、学生宿舍等不同的新建室内分布场景中采用了双通道技术方案。五、投资效益分析1. 投资情况 主设备投资双通道要求信号源为独立的两个通道，因此根据所使用主设备类型不同所需投资也不同：n 使用多通道RRU作为信号源：此时由于多通道RRU本身能提供多个通道，在目前业务量还不高的情况下，一般都有通道空闲，因此整个主设备部分（包括BBU、RRU、配套的电源和传输设备、配套传输线等）与单通道情况下完全一致，不需要额外增加投资。n 使用单通道RRU作为信号源：此时BBU部分（包括BBU、配套的电源和传输设备等）只需要一套，但需要额外增加RRU和从BBU到RRU之间的线缆。 3.1.2 室内分布系统投资从现有单通道室内分布系统改造为双通道系统，造价大约是单通道系统的2倍。附件是洪城数码广场（共19层）室分系统改造的投资决算表。可以看出，整栋楼的室内分布系统如果采用单通道组网，共需要17万元，而如果改造成双通道组网，则需要34万元，接近一倍。而假如洪城数码广场是新建双通道系统，则材料费为单通道系统的2倍，但由于设计和馈线布放施工、调测方面都与单通道一样，只产生了一次费用，因此总体费用约为25万左右，费用增加了47%。2. 效益分析双通道对网络所带来的效益： 从TD系统来看，主要是弱覆盖和存在干扰地带应用双通道网络覆盖效果能得到提升，但对于本身覆盖已经良好的区域，由于单通道效果本身已经很好，因此采用双通道也无明显改善，意义不大； 从WiFi系统来看，双通道对目前的主流技术IEEE 802.11b/g没任何改善，而如果结合采用IEEE 802.11n技术的设备，则可以充分应用2*2 MIMO获取很大的速率提升； 从TD LTE系统来看，双通道完全能满足未来TD LTE技术的应用需求，所以从技术演进的角度出发，在未来要采用LTE的区域提前布入双通道，可以大大地减轻日后对室内分布系统的改造压力。六、建议n 应用场景建议 高业务量，人员密集型区域。例如：大型卖场，体育场馆。这些场景特点是：业务量大，干扰较为严重，存在弱覆盖区。双通道在较强干扰和较弱信号下，获得分集增益，从而提升网络性能、网络容量和数据吞吐量； 在业务量大，频率资源紧张的区域，由于双通道可以容忍一定的同频干扰，可以用有限的频点达到组网要求； 在室内天线无法布放，导致弱覆盖的重要区域（如酒店/写字楼只能在走廊安天线，套房如果结构复杂，离走廊远的房间无法达到覆盖要求，而业主不同意在房间内安装天线解决），可以通过双通道提升上行增益，同时增加下行功率，达到增强房间内覆盖的效果； VIP区域，通过双通道提升用户体验，同时利用双通道的容灾优势，确保重要客户满意度。n 应用范围建议考虑到投资效益比，可以将双通道技术作为当前室内分布系统的一种增强手段，比如对于老的大型室内分布系统，在网络质量用单通道就本身很好的区域继续使用单通道，而仅对信号较弱、用户密度大、存在干扰的局部区域用双通道技术来进行改善。而对于新的室内分布系统，由于可以在日后平滑过度到TD LTE，因此可以考虑在更大范围内采用双通道技术。n 天线使用建议 测试表明双通道信号强度的差异对性能的影响较大，因此，双通道TD-SCDMA室分和802.11n网络合路后，一方面要求两路信号到天线口的信号强度尽量接近，另一方面要求两路信号的天线间距不能太远，建议按5020cm距离安装。 建议尽量使用双极化吸顶天线。一方面双极化吸顶天线可以减少一半安装点，降低安装工程量和成本，更重要的是采用双极化天线能有效避免天线位置差异导致的信号不平衡问题，提高整体覆盖效果。n TD-SCDMA双通道室分系统后续兼容性由于TD-SCDMA双通道室分系统后续可能会升级成为TD-LTE的双通道系统。因此要求双通道室分系统建设过程中，所有室分系统需采用宽频的无源射频器件，即可工作在800MHz-2.5GHz频宽，避免前期投资的浪费。“成果上报申请书”的填写说明：1、“成果专业类别”指：核心网、无线、传输、IP、网管、业务支撑、管理信息系统