关于室分系统创新错层运用MIMO提升用户感知速率

王勋 程科 江西省通信管理局 南昌市 330038

0 概述

相比无源室分，有源室分具有以下几个优势：有源室分系统施工简单、有源室分的所有单元都是可管可控、有源室分可以灵活的在后台重新划分小区即可扩容，同时在5G演进方面有源室分系统的数字期间和频段无关可以支持5G演进。

对于LTE简单合路C网既有室分的场景下，因两网功率损耗不同，导致在分布系统末端C网功率正常时LTE网络出现功率不足的问题，简单改造室分系统实现“错层双流”，是提高室分场景覆盖质量的有效方式。

在推进高铁、高速、高校、高密度住宅区、高流量商务区和地铁覆盖提升时，采用错层双流方法实现低成本新建、改造的方式完成了多个室内分布系统新建和整治改造，评估测试效果良好，不但实现MR覆盖率明显提升，还达到了低成本实现室分“双流”的效果。

1 工作原理

1.1 MIMO技术

MIMO全称Multiple．Input Multiple．Output，即多输入多输出技术。MIMO系统利用多个天线同时发送和接收信号，任意一根发射天线和任意一根接收天线间形成一个SISO信道，通常假设所有这些SISO信道间互不相关。按照发射端和接收端不同的天线配置，多天线系统可分为三类系统：单输入多输出系统（SIMO）、多输入单输出系统（MISO）和多输入多输出系统（MIMO）。MIMO系统是一种将信号在空间域处理与时间域处理相结合的技术方案，空间域的处理实际上是利用了多径传播环境中的散射所产生的不同子信号流的非相关性而在接收端对不同的信号流进行分离。MIMO技术的机理是信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户得到的服务质量（误比特率或数据速率）。通常多径传播被视为有害因素，然而MIMO技术的关键就是能够将传统通信系统中存在的多径传播因素变成对用户通信性能有利的增强因素。它有效的利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。MIMO技术最大的成功之处就在于它将信道视为若干并行的子信道，在不需要额外带宽的情况下实现近距离的频谱资源重复利用，理论上可以极大的扩展频带利用率，提高无线传输速率，同时还增强了通信系统的抗干扰、抗衰落性能，可以同时获得编码增益和分集增益。

LTE系统将采用可以适应宏小区、微小区和热点等各种环境的MIMO技术。基本的MIMO模型是下行，上行天线阵列，同时也正在考虑更多的天线配置（如4×4）。目前正在考虑的方法包括空间复用（SM）、空分多址（SDMA）、预编码（Precoding）、自适应波束形成（Adaptive Beamforming）、智能天线以及开环分集主要用于控制信令的传输，包括空时分组码（STBC）和循环位移分集（CSD）等。

1.2 MIMO与LTE

LTE协议从2006年年初开始制定，MIMO技术从一开始就成为LTE中频谱效率提升的关键技术，目前R8版本的物理层已经冻结。LTE FDD协议目前支持的最大天线数为基站4发、终端2发。

LTE主要支持的多天线包括：

（1） 发射分集 2Tx SFBC、4Tx SFBC+FSTD、PVS（预编码向量的周期切换）、天线选择：用扰码隐式显示上行发射天线选择。

（2）SU-MIMO 支持不多于两个独立码字、支持Rank适配、支持酉预编码，恒模Householder码本、支持CDD。

（3）MU-MIMO 多用户合成的预编码矩阵可以为酉也可以为非酉。

1.3 MIMO模式

MIMO是无线LTE系统的一项关键技术，根据天线部署形态和实际应用情况可采用发射分集、空间复用和波束赋形三种实现方案。例如，对于大间距非相关天线阵列可采用空间复用方案同时传输多个数据流，实现很高的数据速率；对于小间距相关天线阵列，可采用波束赋形技术，将天线波束指向用户，减少用户间干扰。

◎ 空分复用：利用空间信道的弱相关性传输独立的数据流提升传输速率，主要应用于散射体丰富，弱信道相关性，小区中心的环境。

◎ 传输分集：通过为信号传输提供更多的副本提高接收信噪比，主要用于信道质量较差(例如小区边缘)的环境。

2 室分建设方案

双流MIMO是LTE既有的技术优势，通过双通道并行可以有效提升用户终端实际接收效果，同时通过双通道传输实现上网速率的翻倍。LTE网络建设初期的室分系统建设方案，往往因考虑造价成本而采用单通道室分方案，或者采用简单合路方式与C网老室分系统合路，从而放弃了双流效果。而在重要场所采取双通道的建设方案，却要面临工程造价翻倍、天馈线占用空间翻倍、天线过密影响美观甚至产生业主协调问题等难题，对重要场所网络覆盖质量提升造成成本压力。

2.1 一般室分建设方式

目前LTE室分新建、改造方案主要有以下几种：

（1） 简单合路：利用旧天馈系统简单合路，无法实现“双流”

利用原有CDMA室分系统，在原有C网RRU或直放站设备旁边，新增L网RRU与C网简单合路。这种情况下由于不能将1台L网RRU的2个端口都合路进同一路天馈线系统，造成一个端口闲置。此类建设方式适用于已有室分系统的情况下，避免了新增室分天馈线，但也会造成RRU端口资源浪费，且由于只有单通道，无法实现双流MIMO的效果，用户上网速率无法提升。

（2）单通道分开覆盖：新建室分RRU不同通道覆盖不同区域，无法实现“双流”

为节约RRU资源，部分新建室分系统采用1台RRU不同通道覆盖不同楼层（或不同区域），如RRU的A端口覆盖1、2、3、4层，B端口覆盖5、6、7、8层，RRU设备减少一半，节约网络建设成本，但由于所有区域都只有单通道，无法实现双流MIMO效果。

图1 普通单流（RRU不同通道覆盖不同区域节约设备）

（3）新旧室分同时存在形成双流覆盖：同一区域在旧室分基础上新增一套新的天馈系统，与旧室分系统分别接到RRU的不同通道端口上，形成“双流”效果，比完全重新建设一套双流的成本节约一半材料和设备，但只适用于原有室分且室分状态良好的情况下。

（4）完全新建双流室分：同一区域部署两路分布系统天馈线分别接入RRU不同通道，即一般双流建设方式。但由于天馈线需要同时部署两路形成不同端口重叠覆盖效果，需要多一倍的天馈线材料和资源，建设和维护成本高，施工难度加大，且需要占用更多的天花板内公共管道资源。

图2 普通双流（RRU不同通道不同路径覆盖同一区域成本翻倍）

（5）新模式建设：即采用DAS、Lapmsite等新设备、新模式建设的室内分布系统，目前在稳定性、建设维护经验、设备成本等方面还需要进一步改善提升，是否形成双流也需要依不同建设方案而定。

2.2 “错层双流”建设方式

RRU不同通道端口分别错开覆盖奇偶楼层，如A通道覆盖1、3、5、7楼，B通道覆盖2、4、6、8层，利用全向吸顶天线配合功率合理调整，本层天线背向信号穿透楼板覆盖上一层，与上一层异通道信号重叠覆盖，形成双流MIMO效果。

◎ 优点：

（1）每层楼只需要建设单通道室分天馈线系统；

（2）R R U双通道端口都得到利用，节约一半设备；

（3）无需双通道天馈线同时部署，减少了工程施工和维护难度，与普通单通道室分施工相比，几乎没有增加任何成本；

（4）可以与DAS建设方式一起实施，进一步节约信源。

◎ 难点：

相比普通双模建设模式，由于需要充分利用全向天线的“全向”性，要求下一层天线信号“穿墙”后有足够功率与上一层异通道信号形成双流MIMO效果，对上下两层的天线安装位置、功率控制有一定要求，同时需要严格按照RRU不同通道错层规划来施工，形成有效的双流效果。

◎ 适用性：

错层双流建设只适合楼高一般的楼宇，对于楼高较大的楼层来说，由于L网高频信号穿墙后损耗大，难以得到双流效果，但仍然可以作为不同单流网络使用。

由于信源设备的节约，错层双流也不适合高流量高负荷的区域。

图3 错层双流（RRU不同通道覆盖相邻的奇偶楼层）

3 优化方案（错层双流改造案例）

某大厦1-5楼为办公及娱乐场所，6-18楼为商住房，前期LTE室分系统为与C网老分布系统简单合路，但出现在分布系统末端LTE室分信号差、乃至无室分信号输出的问题（如9-10楼、17-18楼等单个RRU连接的分布系统末端），MR覆盖率低，用户感知差，需要进行室分整治。

综合该楼宇用户量、设备需求、分布建设难度等综合考虑，计划将该楼宇室分系统不同楼层分别使用普通单流（RRU只接1个端口，分布为单路）、普通双流（RRU双端口覆盖同一区域，分布为双路）、错层双流（RRU双端口错层覆盖不同的奇偶楼层，分布为单路）三种方式分别改造，其中重点是6-18楼的错层双流改造。共使用6台RRU覆盖整个大厦。

表1 某大厦不同楼层LTE室分改造建设模式

其中6-18层使用错层双流建设模式，仅使用2台RRU，每层楼单路分布，RRU的两个端口错层连接奇偶数楼层，使用双端口解决室分末端功率不够问题的同时，通过上下层分布系统期望形成“双流”效果。

图4 老室分改造错层双流方案

图5 单个RRU错层覆盖不同楼层主干设计图（错层双流）

图6 一台RRU两个端口独立覆盖某大厦4楼单层主干设计图（普通双流）

4 效果评估

以某大厦为例，LTE室分系统错层改造开通后，分别对室分单路、普通双流、错层双流区域进行对比测试。

表2 某大厦各楼层LTE室分覆盖测试情况

从测试结果来看，金阳光大厦1-5楼因为采取普通双流室分建设方案，现场测试RANK2比例达到100%，用户感知良好；

6-18层采用错层双流建设方案，RANK2比例在80%～100%之间，最高下载速率达到118Mbps，大部分区域都能实现双流效果；

地下室采用单通道建设（传统室分简单合路），RANK2比例为0，无法实现双流效果。

在本次某大厦室分错层双流建设案例中，1-5楼采用普通双流建设，共使用了3台RRU，每层楼都部署了2路分布系统，实现了双流MIMO效果，而6-18楼采用错层方案，仅采用2台RRU，每层楼只部署了一路分布系统，但通过上下楼互补也同样实现了双流MIMO效果，用户感知上与普通双流没有明显差异，却大大减少了网络建设成本。

从覆盖效果来看，有以下改善：

① 单路主干分支减少（减半），解决原有简单合路室分末端LTE功率不足；

② 通过上下层配合形成双流，双流比例达到80%以上，虽然无法实现100%双流，但明显优于普通单流。

表3 单楼层前后对比测试效果

5 经验推广

在针对高流量、高人员密集度的重点楼宇室内覆盖质量提升，尤其是老室分改造过程中，结合建筑物结构和各楼层具体用途，同时又考虑到容量、速率及工程施工难度等因素，通过错层双流建设方案可显著节约建设成本，室分覆盖效果理想，建议在酒店、写字楼等高层楼宇室分新建或改造方案设计时，可以推广错层双流方案，节约建设资源成本的同时，降低施工和维护成本，并且实现双流MIMO效果。