室分错层室内MIMO综述详解

1、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LTE MIMO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

2、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

3、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 SI

4、NR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。开始eNodeB的MIMO传输模式配置为 TM3eNodeB接收

5、UE上报无线信道测量信息SINR>门限值否是eNodeB指示 UE把eNodeB指示 UE把PDSCH传输模式保信道不相关性 <门限值PDSCH传输模式保持或自适应 TM3是否持或自适应为 TM2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

6、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LTE RRU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

7、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 LTE RRU启动双流的无线信道质量门限

8、， 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

9、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：?= ?+ ?- ?+ ?ANT?UE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L total：从全向吸顶天线到终端的LTE 空间链路预算，采用国际电联P.1238-6 建议书的传播模型，基本模型公式为：（ 1）ITU-R?=20?10+ ?10?+ ?(?) - 28?+ ?+ ? （ 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

10、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：?=(1010)（ 4）?10?1010+1010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6 m左右。以中国电信目前试商用的 LTE FDD 频段 1800MHz 为例，DAS 中每个室内全向吸顶天线的 Txpower

11、设计值建议不小于 -15 dBm。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NfLNF margBPLGain ANTGain UETxpowerNoiseRSRPIL fd单位dBMHzdBdBdBdBdBmdBmdBmdBm场景 122180010641-15-128-11066.8场景 222180010641-15-128-1100

12、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3 m，当前楼层内的天线水平覆盖半径为 6 m，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 6.8 m。本场景中， RSRP、 SINR的预算结果为：?= ?+?ANT - ?+?UE= -87.45 dBm?10?=(10) = 22.55 dB10?10 10 +1010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6 m。本场景中， RSRP、 SINR的预算结果为：?= ?+?ANT- ?+?UE= -80.25 dBm?10serve?

13、=(10) = 29.7 dB10?1010 +1010LTE-FDD终端的接收灵敏度一般为-128 dBm-134 dBm，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-FDD SINR的双流启动门限约为 12 dB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-15 dBm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

14、到 LTE-FDD RRU 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

15、， 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。5楼天线14楼3楼2楼耦合器1楼B口A口天线数据流 21天线3楼1数据流 1用户天数据流 2线1天线1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 LTE DAS 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15 MHz ，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

16、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3线程数10测试方式走廊 DT+房间内CQTDT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 5 DT 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 3 dB6 dB，但是依然远高于 LTE 终端解调门限和 MIMO 双流启动门限。两种场景的 RSRP对比两种场景的对比场景 1场景 2SINR-90场景 1场景 2）30）Bm-80d 25B（d（R 20

17、NP-70IRS 15S1#2#3#4#1#2#3#4#R-60进行对比测试的房间编号进行对比测试的房间编号（ 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

18、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%。各楼层的 RSRP平均值各楼层的 SINR平均值）-65）28-7026mBB-75d24d-80（RP-85N22IRSS17 18 19 20 21 22 23 24 2517 18 19 20 2122 2324 25R楼层编号楼层编号（ a） RSRP平均值（ b）SINR平均值图 7 各楼层的 RSRP、 SINR测试结果平均值双流传输采样点占比）下载速率对比100sp新方案传统单通道）b98M%（

19、96（ 100比率50占94速2Hk92C0nSa17 18 19 20 21 22 23 24 25D17 18 19 20 21 22 23 24 25RP楼层编号楼层编号图 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

20、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1501650接头10个24240合路器350个41400二功分21.68个486.72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

21、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每层成本支出项单价（元）单位数量价格（元）每台馈线11米666耦合器22个122RRU主接头10个220干改造每台 RRU每层材料费合计108的每层集成费64.8成本核设计费5.184算监理费5.184每台 RRU每层增加的总造183.168价合路器350个1350接头10个990每台二功分21.68

22、个121.68RRU合合路点增加的材料费合计461.68路点增集成费277.008加的成设计费22.16064本监理费22.16064每台 RRU合路点增加的总783.009造价从上表可以看出，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 LTE RRU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

23、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，LTE RRU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 LTE RRU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