自适应波束赋形WLAN广域覆盖技术应用研究

CMGD-GZ LIUYAQI 中国移动科技创新成果推广材料 完成单位：中国移动肇庆分公司 成果名称：自适应波束赋形 WLAN广域覆盖技术研究 成果研究类别： WLAN广域覆盖技术研究 成果专业类别：无线 2 CMGD-GZ LIUYAQI 成果内容及推广价值介绍 一、项目背景和意义 针对目前无线网络“两高两低”状况（高无线利用率和高数据业务量，对应低TD话务和低 WLAN流量），必须尽快制定和实施 2/3G业务资源优化配置策略，尽量让 GSM高质量地承载话音业务，有目的地将数据业务向 3G网络转移，减轻 GSM网络容量的压力，利用 3G网络提供广度覆盖， WLAN在 3G网络基础上提供深度覆盖，共同助力无线城市建设。 通过对智能 AP的覆盖性能、干扰性能、容量性能等进行研究和测试，验证自适应波束赋形技术在无线城市广域覆盖应用中的可行性；结合典型场景数据，形成并智能 AP覆盖建设规范、场景覆盖设计指导原则以及工程施工规范，为现网应用自适应智能 AP提出指导意见和建议。 3 CMGD-GZ LIUYAQI 波束赋形概念 根据一定的最优准则导出的，常用的准则有：最小均方误差准则、最小二乘准则、最大信噪比准则和线性约束最小方差准则等。采用自适应算法，智能天线方向图没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。 自适应波束赋形和算法 根据系统性能指标，形成对基带信号的最佳组合或者分配。具体地说，其主要任务是补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，同时降低同信道用户间的干扰。 赋形增益公式推导 （ 1）发送模式： 单天线发送信号 S，忽略衰减，用户侧接收到信号的功率 为 ； n根天线发送信号 S（ Beam forming），忽略衰减，用户侧接收信号为 nS ，接收信号功率 为 ；因此，可推导出发送赋形增益为： AP 2SBFP 2)(nS22()1 0 l g 1 0 l g 2 0 l gBFBFAP nSGnPS （ 2）接收模式： 单天线同时接收信号 S和噪声 N， n根天线接收信号 S和噪声 N，波束赋形可使信号 S耦合，信号功率 为 ；但噪声 N 不能耦合，噪声功率 为 。 因此，可推导出接收赋形增益为（公式 2）： 22lg10lg10 NSPPSN RNSA SP 2)(nSNP 2nN2222 lg10)(lg10lg10NSnnNnSPPS N RNSBF 1 0 l o gB F B F AG S N R S N R n 二、技术实现方案 自适应波束赋形技术介绍 4 CMGD-GZ LIUYAQI 自适应波束赋形技术 Signal Strength 平均增加 10dB的链路增益 优势 覆盖范围更广 更大的容量 优秀的室内穿透性 优秀的非视距能力 优秀的抗干扰能力 5 CMGD-GZ LIUYAQI 研究方法及工具 测试方法 信号强度： WirelessMon2.0 测试； 下载速率：下载 / 电影，用 DU Meter计算速率； Ping包时延： ping ； Ping包丢包率： ping ； 测试软件 WirelessMon2.0 Airmagent WLAN 测试仪 Chariot DU Meter 6 CMGD-GZ LIUYAQI 研究试点 研究试点： 针对校园区域的数据业务需求高无线资源拥塞问题，将高数据业务量向低WLAN流量转移，提高 WLAN 资源的利用率。 充分利用现有的 GSM、 TD基站及直放站站址和配套设施，研究 WLAN室外天线广域覆盖新模式，加快 WLAN网络建设及业务推广 分别采用一套 WAION大功率 AP设备对工商学院、交通学校，科技学院、供水局进行 WLAN信号覆盖。 传输方式：设备采用 2M电路进行传输。 7 CMGD-GZ LIUYAQI 试点一：工商学院 学生公寓 6-13号楼信号覆盖和接入、下线成功率均良好，信号强度均在 -60dBm左右，掉包率低于 3%。； 学生公寓 5号楼、中心庭院及学院饭堂，信号较弱，但可以满足接入要求； 研究试点 8 CMGD-GZ LIUYAQI 试点二：交通学校 学生宿舍和校门口信号覆盖和接入、下线成功率均良好，信号强度均在 -60dBm左右，掉包率低于 3%； 其他楼层信号较弱，但可以满足接入要求； 实验试点 试点三：科技学院 操场为信号强度最好的覆盖区域，各项网络质量测试都达到指标； 在有信号楼层课室窗边和走廊测试信号 -75dBm，丢包率低于 3%，可以接入访问无线网络； 但有楼层因被楼层阻挡完全搜索不到 CMCC网络。 试点四：供水局 供水局楼下信号强度良好，可以接入访问网络， Ping AC丢包率小于 3%，网络质量测试达到指标； 银都宾馆楼层仍然搜索不到 CMCC网络； 离覆盖区域远的地方接入困难，信号较不稳定。 9 CMGD-GZ LIUYAQI 成果一 WLAN室外智能 AP工程施工规范（ V1.0） 规范 WLAN室外智能 AP工程实施，统一工程施工工作的技术标准和要求， 从施工现场环境、设备安装、天线安装、线缆布放、电源设备安装、防雷接地等方面进行室外智能 AP施工规范和标准的研究。 成果二 WLAN网络智能 AP覆盖设计指导原则（ V1.0） 采用室外智能 AP通过室外覆盖室内的方式完成重点区域的覆盖方案需要综合考虑 AP链路预算、容量等内容。 促进和指导使用室外智能 AP进行 WLAN网络热点规划及设计。 成果三 利用 GSM/TD基站资源开展 WLAN室外智能 AP覆盖建设方案指南（ V1.0） 规范利用现有的 GSM、 TD基站及直放站站址和配套设施，开展 WLAN无线宽带业务，实现原有投资的保护； 方案规范分析共址关键点；分析 WLAN与 GSM、 TD 基站共址的可行性；提出了共址安装建设方案。 成果四 自适应波束赋形 WLAN广域覆盖技术性能研究报告 对自适应波束赋形技术应用于 WLAN进行深入的性能分析研究，包括覆盖、容量、抗干扰和穿透性能等。 理论与实测研究智能 AP与普通 AP、业界其他智能 AP 的优劣。 三、技术方案的关键点、难点和创新点 成果输出 10 CMGD-GZ LIUYAQI WLAN网络智能 AP覆盖设计指导原则（ V1.0） 利用 GSM/TD基站资源开展 WLAN室外智能 AP 覆盖建设方案指南（ V1.0） 自适应波束赋形 WLAN广域覆盖 技术性能研究报告 WLAN室外智能 AP工程施工规范（ V1.0） 自适应波束赋形 WLAN广域覆盖 技术应用研究 基础研究 规划设计 工程建设 成果输出 11 CMGD-GZ LIUYAQI 成果一： WLAN室外智能 AP工程施工规范（ V1.0） 无线设备间距要求 a. 垂直方向，至少 2米； b. 水平方向，至少 1米； 电源设备安装要求（详见规范） 五类线布放要求（详见规范） 标签规范（详见规范） 智能 AP安装要求与注意事项 a. 智能 AP架设高度不能超过地面 25米， AP距离房顶垂直至少 2米 ；基站架设在楼顶侧面墙壁， AP距离铁塔或建筑物水平至少 1米 ； b. 对于小区覆盖而言，从室外透过封闭的混凝土墙进入室内的信号基本不可用，一般只考虑利用从门、窗入射的信号； c. 定向智能 AP（集成天线）采用水平和垂直抱管方式， AP可机械调节俯仰角， 建议不超过 15 ； d. 智能 AP周围沿主要覆盖方向不得有建筑物或大片金属物、树林等物体遮挡； e. 用于安装 AP的支架必须可靠的固定或安置在楼顶屋面上，防止大风吹落； 12 CMGD-GZ LIUYAQI 成果二： WLAN网络智能 AP覆盖设计指导原则（ V1.0） 室外智能 AP应用场景规划 住宅小区应用环境 室外商业街应用 高层建筑（局部覆盖）应用 共用场所区域覆盖 宾馆酒店 大专院校和产业园 室外智能 AP覆盖设计原则 室外与室内空旷区域总体宜以蜂窝状布局，包括水平方向与垂直方向，将信号均匀分布，控制每个 AP天线覆盖区域的重叠区域。 智能 AP天线宜布放在高处，减少人员走动等环境变化对信号传播的影响，改善AP的接收性能。 智能 AP安装时若采用定向天线应确保天线主波束方向正对目标区域，保证良好的覆盖效果。 智能 AP天线安装位置确定应使信号在目标覆盖区内尽可能少穿透隔断，有穿透时与隔断垂直，从而尽可能减少信号衰减。 智能 AP天线安装位置需远离大功率电子设备，如微波炉、 2.4GHZ无绳电话等。 WLAN链路预算 WLAN与其它系统干扰避免 13 CMGD-GZ LIUYAQI 成果三：利用 GSM/TD基站资源开展 WLAN室外智能 AP覆盖建设方案指南 GSM、 TD与 WLAN 互相干扰分析 GSM、 TD 基站资源可行性分析 电源可行性 传输资源可行性 安装空间可行性 防雷接地可行性 WLAN共址技术方案建议 共址基站天馈系统改造方案 共址基站 WLAN 天线安装建议 WLAN 天线选用建议 定向天线的室外型智能 AP 布放示意图 全向天线的室外型 WLAN 布放示意图 14 CMGD-GZ LIUYAQI 成果四：自适应波束赋形 WLAN广域覆盖技术性能研究报告 赋型增益的理论与测试研究 自适应波束赋形 WLAN技术场景应用、覆盖距离、容量、抗干扰、穿透性能验证 场景应用与覆盖效果（覆盖距离与容量） 智能 AP对室分系统的干扰性能水平研究 智能 AP动态抗干扰技术研究 智能定向天线穿透性能研究 不同智能 AP之间性能对比 15 CMGD-GZ LIUYAQI 测试 1： 智能 AP对室分系统的干扰性能水平研究 系统 测试指标 智能 AP发射功率调整（ EIRP） 37dBm 34 dBm 31 dBm 0 室分系统 信号强度(dBm) -48 -48 -47 -48 下行速率（ Mbits） 1.6 1.65 1.68 1.59 Ping包延迟(ms) 40 46 40 40 ping包丢包率 % 0 0 0 0 智能 AP 信号强度(dBm) -38 -45 -55 0 下行速率（ Mbits） 18.076 18.235 18.085 0 ping包延迟(ms) 7 13 6 - ping包丢包率 % 0 0 0 - 系统 测试指标 智能 AP发射功率调整（ EIRP） 37dBm 34 dBm 31 dBm 0 室分系统 信号强度(dBm) -61 -62 -62 -63 下行速率（ M bi t s） 1.7 1.74 1.84 1.83 Ping包延迟 (ms) 45 43 40 45 ping包丢包率 % 0 0 0 0 智能 AP 信号强度(dBm) -37 -47 -56 0 下行速率（ M bi t s） 19.789 19.904 19.257 - Ping包延迟 (ms) 7 10 9 - ping包丢包率 % 0 0 0 - 表 1：古塔大楼测试数据 表 2：棠岗大楼测试数据 通过对两组测试数据的分析，在同时接收到较强的智能 AP和室分系统信号的同一室内测试点，且让智能 AP与室分系统工作于相同的频段，调节智能AP发射功率（从 0递增到最大发射功率），室分系统的信号强度、下行速率等无线性能指标变化不大。 实验结果表明，室外智能 AP与室分系统之间相互干扰很小。 四、成果应用后主要效能分析（技术应用前后对比） 16 CMGD-GZ LIUYAQI 测试 2：智能 AP动态抗干扰技术研究 测试点 设 备 信号强度 上行速率 下行速率 测试点一 普通 AP -69dBm 0.96Mbits 1.26Mbits （距 AP 20m） 智能 AP -63dBm 4.7Mbits 8.9Mbits 测试点二 普通 AP -41dBm 3.4Mbits 2.05Mbits （距 AP 50m） 智能 AP -54 dBm 6.58Mbits 11.7Mbits 在相同的严重干扰环境，普通天线 AP和智能天线 AP在信号强度一致的情况下， 两者上行和下行链路带宽差异较大，普通 AP的带宽明显低于智能天线 AP，两者相差 3倍。 实验数据说明，智能天线 AP在干扰极强的环境下具体动态抗干扰优势。 17 CMGD-GZ LIUYAQI 测试 3：智能定向天线穿透性能研究 测试项目 测试点 9#110 9#310 10#510 信号强度 (dBm) -58 -65 -67 下行速率 (kbits) 5734 5840 10317 上行速率 (kbits) 761 480 2029 ping包延迟 (ms) 18 93 104 ping包丢包率 25% 0 0 9栋 310室、 10栋 510室的数据较理想，下行速率均在 5M以上，丢包率为 0。 9栋 110室丢包率达 25%，影响了用户业务使用。现场环境的分析，是由于宿舍楼前树木阻挡导致。 3楼、 5楼由于楼层相对较高，受树木的阻挡较小 实验数据说明，智能 AP具备优秀的室内穿透特性和深度非视距能力，对于 2-3堵带窗户墙的场景，能满足室外覆盖室内方案的要求，但对树木的衰减较大。 18 CMGD-GZ LIUYAQI 测试 4：智能 AP和普通 AP性能对比 对比项目 智能 AP 传统 AP 接收灵敏度 -102.5dBm -96dBm 吞吐量 802.11g 52Mbps SDMA 20Mbps 容量大小 200个 25个 射频模块 6个 1个 信号处理模块 2个 1个 多收发信机 有 无 扇区数目 全向 1个 天线数目 6个 1个 智能天线技术 有 无 天线种类 360度交叉双极化定向天线 传统的纵向单极化全向天线 信号多路径收发 16个信号路径 2个信号路径 干挠拟制技术 有（软件无线电技术专利） 无 天线安装方位角度是否可以调节 是 否 发射功率 100毫瓦 200、 500毫瓦 视距覆盖距离 穿透性能 穿透力强 （ 2-3堵带窗户墙 ） 频点资源浪费 ， 干扰较大 在非视距环境下的吞吐量 在非视距 500米距离吞吐量： 在非视距 200米距离时无信号 单层阻挡时为 8M-14Mbps； 多层阻挡时为 3M-8Mbps； 产品适用范围 室外，能与 GSM、 CDMA、 PHS共站安装覆盖城市街道、广场、高楼、住宅小区、商场、公园、大学等所有公共场所 满足室外向室内覆盖；能为原有 WLAN系统提供有效的补充 室内 由于采用了智能天线自适应波束赋形、 SDMA技术， 智能 AP在覆盖范围、穿透能力、抗干扰等方面明显优于普通 AP。 19 CMGD-GZ LIUYAQI 成果内容及推广价值介绍 五、项目推广方式建议 1、本项目通过将智能 AP应用于多种典型场景的大量测试和分析，输出了 自适应波束赋形 WLAN广域覆盖技术性能研究报告 ，报告从动态抗干扰、穿透性能、和普通 AP的对比等方面分析了智能 AP的优势，验证了自适应波束赋形技术在无线