LTE MIMO室内分布系统解决方案分析

2013-09-13杨文博郭见兵

电子测试 2013年18期

杨文博，郭见兵

（1.光纤通信技术和网络国家重点实验室,湖北武汉,430074；2.武汉邮电科学研究院，湖北武汉,430074）

0 引言

LTE-Advanced现在已经成为实际意义上全球的4G移动通信标准，其中涉及了高速宽带移动接入的设计要求。其目标是提供更高的传输速率、提高系统容量和改善小区边缘系统性能等。为了满足LTE高速的数据业务需求，增加覆盖范围和效果，室内分布系统的信号覆盖可以通过MIMO（多输入多输出）技术解决。MIMO作为LTE系统中的关键技术之一，可以通过创建几个平行的“通道”引起带宽受限场景下数据传输速率的提高，并且与适当的干扰抑制接收处理的空间属性相结合，多个终端可以在相同时频资源上进行传输，提高整体的小区容量。

MIMO技术是LTE提升系统容量的重要手段之一，但目前2G/3G应用的室内分布系统大多为传统方式，不能支持MIMO。LTE引入后，存在多系统同时接入的情况，在现有分布系统的基础上采用何种方式的室内分布系统，是一个亟需解决和研究的重要问题。

1 LTE室内MIMO分布系统

室内场所特别是热点区域中用户对峰值速率要求较高，为满足用户对速率的需求，需要提供对用户的MIMO模式支持。目前，国内在网运行的室内分布系统大部分都是一个单馈线系统，并不能真正发挥LTE高速率的特性。如果在现有室内分布系统的基础上实现LTE系统中的下行支持2X2 MIMO，上行支持1X2 MIMO，就需要新建一套天线以及射频信号分配系统，这会造成物业协调的难度以及花费较大的工程改造成本，同时，也造成分布系统两条链路功率不平衡，功率误差不易控制，从而降低了LTE的系统性能。本文通过介绍一种有源天线的单馈线MIMO方案，可以在现有的单馈线系统上完整地实现MIMO特性，有效降低改造成本,降低用户抵触，加快网络建设及优化速度。

2 技术方案

2.1 双馈线实现MIMO方案

在现有的2G/3G室内分布系统单路覆盖的基础上，可以通过增加一路天线及射频信号分配系统来实现LTE系统的MIMO技术。两条链路作为MIMO的两路分支，分别接入LTE基站的两条通道，两条支路上天线之间的非相关性要求可以通过足够大的天线间距或者采用不同的天线极化方向来实现。

图1 双馈线实现MIMO方案

双馈线实现MIMO方案如图1所示。LTE基站的下行信号经过LTE-RRU放大处理后，一路与原各制式2G/3G信号合路引入到原有的分布系统链路中，再由馈线系统至天线端发送，另一路LTE信号由新建的分布馈线系统实现覆盖。天线采用双极化天线来实现MIMO的非线性要求。

此方案技术要求不高，实现相对容易，支路无有源设备存在，无需考虑供电问题，维护简单。但可能因为场地受限问题，改造难度较大，优化空间有限，同时两路馈线的传输损耗较大，造成功率的过多浪费，降低了系统的效率。另外两路馈线链路计算复杂，理论计算与实施后结果存在差异，经实验证明，若两路通道电平差值大于5dB时将严重影响整体业务性能，尤其在远点，上下行吞吐量会下降20%以上。

2.2 单馈线实现MIMO方案

为了实现单馈线LTE 2×2 MIMO的功能，在LTE-RRU的输出端将LTE 2信号引入有源天线近端，通过混频器将频率变至可以与其他制式信号区分的频率，将该信号与LTE 1、基准时钟、FSK信号和原有制式的信号通过合路器合成为一路信号传输到单馈线传输系统中,再将该信号输送到各个分部单元。

有源天线单元将收到的近端信号通过分路器将LTE 1和其他信号通过垂直极化的天线单元辐射出去；变频后的LTE 2信号再通过混频放大还原至原频率通过水平极化天线覆盖，达到室内分布MIMO的目的。

有源天线的近端和远端中间采用馈电电缆实现LTE信号的传递，中间的监控方式是通过FSK调制来实现。FSK信号频率可以在300MHz～1000MHz任意选择，输出功率可以在-20dBm～10dBm之间配置，其接收灵敏度可达-110dBm。同时在LTE有源天线的近端，监控量的上报通过RS232实现，在LTERRU端预留RS232的接口，实现无缝连接。此时便可以查询或设置LTE有源天线的监控量，方便后续工程使用和监控的维护。通过监控系统还能及时将信道特征反馈给发射机，用于调整发射天线的数据速率，实现MIMO系统的自适应调制。

本方案在发射端采用室内双极化天线，支持单用户MIMO，可以大幅改善系统的吞吐量，达到LTE系统的应用要求。同时利用单馈线解决MIMO多根馈线传输受限与分布系统链路功率不平衡的问题，有效地提高的资源利用率，降低工程改造成本与周期。

3 工程试点

大连市某国际康复中心，位于沙河口区，人群密集，环境复杂，完全适合LTE室内热点区域的测试要求。本次的试点工程在其大楼的2F到4F进行，信源和LTE-RRU分别安装于2F到4F的安全楼梯旁，每层均有MIMO支路的覆盖。测试通过在同一场景下对比设备开通前后的覆盖效果及各种网络指标是否满足中国联通的工程要求，验证有源天线的单馈线MIMO方案在此场景下的效果。

下表为本次工程试点的数据业务测试数据：

上面的测试结果中RSCP（接收信号码功率）在-95dBm以上的占100%，平均值为-63.10dBm，与LTE基站的覆盖效果相当；SINR（信号与干扰加噪声比）在20以上的占100%，平均值为26.25，满足LTE的系统中对设备的灵敏度和抗干扰能力的要求；LTE下载速率测试的物理层平均吞吐量为118.58Mbps，达到LTE系统对下载100 Mbps的速率要求。以上结果充分表明上文提出的基于有源天线的单馈线MIMO方案能够在不改变原有室内分布系统结构的基础上有效地提高小区平均吞吐量，完整地实现MIMO特性。