无线高密度接入的设计方案

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当前，移动无线技术正在向4G LTE过渡，很多国家和地区的LTE网络已经商用。根据iSuppli公司的一项研究表明，全球智能终端出货量预计从2010年的246.9 M pcs增长到2014年的506M pcs.各大运营商也都在关键地区部署了3G/4G基站网络，可满足用户大部分的语音、数据业务需求。但是，在某些场合，仅仅依靠基站网络覆盖，仍然存在问题。
       
        例如，体育场馆举行比赛的时候，用户需要上网分享精彩视频，同时需要和他人通话，一般情况下，当地的3G/4G基站可以较好的支持这种语音和数据业务。但是在比赛期间，通常会有大量用户接入当地基站网络，这就要求当地的特定基站网络需要在某个时间段处理大量的语音和数据业务，造成基站的空口堵塞。直接的结果就是用户通话质量下降、经常掉线，上网浏览速度大幅度降低或者长时间没有响应。
       
        针对这一问题，目前业界解决方法是采用802.11n无线局域网技术和3G/4G网络技术相结合，使得用户的数据业务和语音业务分流。即当智能终端用户进入有WIFI MIMO网络覆盖的区域时，将数据业务转向WIFI网络，蜂窝网络专注于语音业务，使授权频段可以有一个较好的通话质量，这就是Cellular Offloading方案，如图1所示。
       
       
       
        图1：Cellular Offloading方案示意图。
       
        Cellular Offloading技术需要同一场馆既有3G/4G网络信号覆盖，又有WIFI网络信号覆盖。其中3G/4G基站用于语音通信而WIFI网络用于数据业务。一个典型的WIFI网络结构包括：用户客户端、天线、接入点Access Point、无线控制器AC和骨干网。典型架构如图2所示：
         
       
       
       
        图2：一个典型的WIFI网络结构。
       
        当前WIFI主流技术为802.11 a/b/g/n协议，而在实际应用中工程师最关心的就是如何在尽量节省投资的情况下，达到最好的覆盖效果和吞吐量。下面本文就介绍如何利用现有技术和产品在用户大批量高密度接入的场合，达到一个良好的覆盖效果和空口吞吐量。
       
        1.采用802.11n MIMO技术
       
        传统的802.11 a/b/g技术采用如图3所示单入单出的系统设计（一个TX和一个RX，分别配合两个天线），这样设计的系统采用一根天线收发数据，吞吐量不高，通常用于避免多径反射。
         
       
       
       
        图3：传统的802.11 a/b/g技术的系统设计。
       
        而采用MIMO空间多流多天线技术的系统，采用多个TX和RX，可将一个数据流拆分开来通过多个独立的天线系统进行收发，这种技术可以很好的提高空口带宽和信噪比。当TX段有多个个天线进行发送，而RX段也有多个天线进行接收时，即组成多天线的MIMO SDM（Spatial Division Multiplexing）空分复用系统，如图4所示。空分系统，因为有多条流存在，各个数据流之间会有干扰现象，会造成信号质量下降，因此这种系统需要radio部分的对多流的信号进行特别处理。采用MIMO技术后，系统典型空口速率会有显着提升，如图5所示。
       
       
       
        图4：组成多天线的MIMO SDM空分复用系统。
         
       
       
       
        图5：系统采用SISO技术与MIMO技术的空口速率对比情况。
       
        2.估算场馆需要的AP数目，并判断干扰情况
       
        估算AP方法：一个典型的足球体育馆根据容纳观众的不同大概需要200~600个AP接入点。一般情况下，每个用户400~500K的空口流量可以较好的支持用户的数据业务，例如浏览网页、上传或者下载视频。当前，大多数的终端只支持802.11g空口54M业务，考虑到实际应用中的AP多用户接入，单个AP的承载量为8~10M左右。不同的应用下，同时接入WIFI AP网络的用户数目和使用高速数据业务的用户群体都有所区别。例如，在足球赛场馆，会有很多用户分享精彩比赛照片、视频。每个用户需要500K带宽，而整个用户群体是有一定的接入比例，所以每个AP大概覆盖的用户数目就可以简单计算出来。
       
        而根据每个AP覆盖的用户数目和场馆实际的座位大小，就可以推导出来AP天线的覆盖区域。802.11n 2.4频段有13个信道，每个信道彼此交错，为了保证信道之间不干扰，一般选取1、6、11三个不重和的信道做网络覆盖。如图6所示。
         
       
       
       
        图6：AP天线的覆盖区域。
         
       
        而传统的AP+天线的系统并不适用于这种场合，因为工作在相同信道的AP之间会互相干扰，在一个需要上百个AP的碗状体育馆中，如果没有覆盖角度设计良好的天线，AP之间互相干扰的情况是很严重，每个AP会花费大量的资源处理相邻信道的干扰信号。所以，特殊设计的天线是降低同信道之间干扰的关键，如图7所示。
         
       
       
       
        图7：特殊设计的天线是降低同信道之间干扰的关键。
         
        3.选用覆盖角度合适的天线
       
        如前文所述，AP之间的干扰会造成用户空口速率的下降。一般硬件上有两种方法可以降低AP之间的干扰，例如降低AP发射功率，控制天线方向图以降低对邻近AP的无线信号强度。控制天线方向图即希望天线能有一个窄带的覆盖范围，即每个天线的覆盖区域只覆盖目标区域，而目标区域之外的要求天线增益快速衰减，这样可以限制接入这个天线的用户数量，从而降低干扰。这里有相互矛盾的地方：
       
        （1）天线的带宽和体积成反比。天线的带宽越窄，天线的体积和目标覆盖区域的增益就越大。而在实际的应用中，体育馆为碗形，用户座位呈阶梯状排列，如图8所示，每排座位之前不可以潜在的可能阻挡用户视野的天线存在。而且，每个体育馆有自己特有的工业设计，天线需要部署在体育馆中，天线自身的工业设计和体育馆的工业设计也需要可以很好的吻合。
       
        图8
       
        （2）天线带宽和增益成正比。天线理论决定了，天线带宽越窄，天线覆盖区域的增益就越大。而太大的增益对用户是存在潜在影响的。北美FCC委员会规定，空间无线电磁场强度不能超过规定值。而理想的窄带覆盖效果下，天线的增益会很大，再加上AP的辐射功率，有可能超过FCC规定。
       
        因此，实际应用中，必须在天线的增益、体积和带宽之间取一个平衡。PCTEL公司经过多年的积累和多个实际案例，发现最合适的天线指标为：
       
        方向图角度：E平面（elevation）35度，A平面（azimuth）55度
       
        尺寸：天线体积约为35 cm x 35 cm
       
        增益：2.4GHz 10dbi，5Ghz 6dbi.在这个尺寸和覆盖角度下，天线增益可以做到12dbi或者更高，但是根据FCC委员会的规定限制和一般AP的发射功率，天线中需要增加额外的设计以降低增益。
       
        有些应用中，35 cm x 35 cm的外壳有可能太大，针对空间有限的场景应用，一个较小的外壳也许更为合适，例如20cm x 30cm的外壳，但是这种设计会面临几个严重的问题：一是波束宽度会太大，例如2.4G时E平面35度，A平面90度；二是端口隔离度会下降10db左右；三是增益下降，四是由于辐射体距离较近导致的反射造成方向图变形。
       
        应用案例：
       
        近年来PCTEL为全球多个着名场馆提供了高密度应用的天线解决方案，包括天线（FP 2458-V6RPC）和相关附件。典型场馆包括：Cowboys Stadium，Stanford Field，Wrigley Field，和XCEL Arena等，完美的支持了实际现场的语音、数据类应用，例如举行在Dallas Cowboys‘Stadium的Cotton Bowl，2011年2月6号举行的冠军杯足球赛。PCTEL FP2458-V6RPC天线覆盖WIFI 2.4-2.5GHz和4.9-5.9GHz频段，支持6端口MIMO设计，波瓣宽度和增益都为高密度接入场景特殊设计，并且经过实践检验。外壳材料外用UL 94V-0的防火材料，满足高密度接入应用的诸多设计要求。