|
作者：PCTEL公司 當前，移動無線技術正在向4G LTE過渡，很多國家和地區的LTE網絡已經商用。根據iSuppli 公司的一項研究表明，全球智能終端出貨量預計從2010年的246.9 M pcs增長到2014年的506M pcs。各大運營商也都在關鍵地區部署了3G/4G基站網絡，可滿足用戶大部分的語音、數據業務需求。但是，在某些場合，僅僅依靠基站網絡覆蓋，仍然存在問題。 例如，體育場館舉行比賽的時候，用戶需要上網分享精彩視頻，同時需要和他人通話，一般情況下，當地的3G/4G基站可以較好的支持這種語音和數據業務。但是在比賽期間，通常會有大量用戶接入當地基站網絡，這就要求當地的特定基站網絡需要在某個時間段處理大量的語音和數據業務，造成基站的空口堵塞。直接的結果就是用戶通話質量下降、經常掉線，上網瀏覽速度大幅度降低或者長時間沒有響應。 針對這一問題，目前業界解決方法是采用802.11n無線局域網技術和3G/4G網絡技術相結合，使得用戶的數據業務和語音業務分流。即當智能終端用戶進入有WIFI MIMO網絡覆蓋的區域時，將數據業務轉向WIFI網絡，蜂窩網絡專注于語音業務，使授權頻段可以有一個較好的通話質量，這就是Cellular Offloading方案，如圖1 所示。 
圖1：Cellular Offloading方案示意圖。 Cellular Offloading技術需要同一場館既有3G/4G網絡信號覆蓋，又有WIFI網絡信號覆蓋。其中3G/4G基站用于語音通信而WIFI網絡用于數據業務。一個典型的WIFI網絡結構包括：用戶客戶端、天線、接入點Access Point、無線控制器AC和骨干網。典型架構如圖2所示：
圖2：一個典型的WIFI網絡結構。 當前WIFI主流技術為802.11 a/b/g/n協議, 而在實際應用中工程師最關心的就是如何在盡量節省投資的情況下，達到最好的覆蓋效果和吞吐量。下面本文就介紹如何利用現有技術和產品在用戶大批量高密度接入的場合，達到一個良好的覆蓋效果和空口吞吐量。 1. 采用802.11n MIMO技術 傳統的802.11 a/b/g技術采用如圖3所示單入單出的系統設計(一個TX和一個RX，分別配合兩個天線)，這樣設計的系統采用一根天線收發數據，吞吐量不高，通常用于避免多徑反射。
圖3：傳統的802.11 a/b/g 技術的系統設計。 而采用MIMO空間多流多天線技術的系統，采用多個TX 和 RX，可將一個數據流拆分開來通過多個獨立的天線系統進行收發，這種技術可以很好的提高空口帶寬和信噪比。當TX段有多個個天線進行發送，而RX段也有多個天線進行接收時，即組成多天線的 MIMO SDM (Spatial Division Multiplexing)空分復用系統，如圖4所示。空分系統，因為有多條流存在，各個數據流之間會有干擾現象，會造成信號質量下降，因此這種系統需要radio 部分的對多流的信號進行特別處理。采用MIMO技術后，系統典型空口速率會有顯著提升，如圖5所示。
圖4：組成多天線的MIMO SDM空分復用系統。
圖5：系統采用SISO技術與MIMO技術的空口速率對比情況。 2． 估算場館需要的AP數目, 并判斷干擾情況 估算AP方法： 一個典型的足球體育館根據容納觀眾的不同大概需要200~600個AP 接入點。一般情況下，每個用戶400～500K的空口流量可以較好的支持用戶的數據業務，例如瀏覽網頁、上傳或者下載視頻。當前，大多數的終端只支持802.11g 空口54M業務，考慮到實際應用中的AP多用戶接入，單個AP的承載量為8～10M左右。不同的應用下，同時接入WIFI AP網絡的用戶數目和使用高速數據業務的用戶群體都有所區別。例如，在足球賽場館，會有很多用戶分享精彩比賽照片、視頻。每個用戶需要500K帶寬，而整個用戶群體是有一定的接入比例，所以每個AP大概覆蓋的用戶數目就可以簡單計算出來。 而根據每個AP覆蓋的用戶數目和場館實際的座位大小，就可以推導出來AP 天線的覆蓋區域。802.11n 2.4頻段有13個信道，每個信道彼此交錯，為了保證信道之間不干擾，一般選取1、6、11三個不重和的信道做網絡覆蓋。如圖6所示。
圖6：AP天線的覆蓋區域。 而傳統的AP+天線的系統并不適用于這種場合，因為工作在相同信道的AP之間會互相干擾，在一個需要上百個AP的碗狀體育館中，如果沒有覆蓋角度設計良好的天線，AP之間互相干擾的情況是很嚴重，每個AP會花費大量的資源處理相鄰信道的干擾信號。所以，特殊設計的天線是降低同信道之間干擾的關鍵，如圖7所示。
圖7：特殊設計的天線是降低同信道之間干擾的關鍵。 3. 選用覆蓋角度合適的天線 如前文所述，AP之間的干擾會造成用戶空口速率的下降。一般硬件上有兩種方法可以降低AP之間的干擾，例如降低AP發射功率，控制天線方向圖以降低對鄰近AP的無線信號強度。控制天線方向圖即希望天線能有一個窄帶的覆蓋范圍，即每個天線的覆蓋區域只覆蓋目標區域，而目標區域之外的要求天線增益快速衰減，這樣可以限制接入這個天線的用戶數量，從而降低干擾。這里有相互矛盾的地方： (1) 天線的帶寬和體積成反比。天線的帶寬越窄，天線的體積和目標覆蓋區域的增益就越大。而在實際的應用中，體育館為碗形，用戶座位呈階梯狀排列，如圖8所示，每排座位之前不可以潛在的可能阻擋用戶視野的天線存在。而且，每個體育館有自己特有的工業設計，天線需要部署在體育館中，天線自身的工業設計和體育館的工業設計也需要可以很好的吻合。
圖8 (2) 天線帶寬和增益成正比。天線理論決定了，天線帶寬越窄，天線覆蓋區域的增益就越大。而太大的增益對用戶是存在潛在影響的。北美FCC委員會規定，空間無線電磁場強度不能超過規定值。而理想的窄帶覆蓋效果下，天線的增益會很大，再加上AP的輻射功率，有可能超過FCC規定。 因此，實際應用中，必須在天線的增益、體積和帶寬之間取一個平衡。PCTEL公司經過多年的積累和多個實際案例，發現最合適的天線指標為： 方向圖角度：E平面(elevation)35度，A平面(azimuth)55度 尺寸：天線體積約為35 cm x 35 cm 增益：2.4GHz 10dbi， 5Ghz 6dbi。在這個尺寸和覆蓋角度下，天線增益可以做到12dbi 或者更高，但是根據FCC委員會的規定限制和一般AP的發射功率，天線中需要增加額外的設計以降低增益。 有些應用中， 35 cm x 35 cm的外殼有可能太大，針對空間有限的場景應用，一個較小的外殼也許更為合適，例如20cm x 30cm的外殼，但是這種設計會面臨幾個嚴重的問題：一是波束寬度會太大，例如2.4G 時E平面35 度，A平面90度；二是端口隔離度會下降10db左右；三是增益下降，四是由于輻射體距離較近導致的反射造成方向圖變形。 應用案例： 近年來PCTEL為全球多個著名場館提供了高密度應用的天線解決方案，包括天線(FP 2458-V6RPC)和相關附件。典型場館包括：Cowboys Stadium, Stanford Field, Wrigley Field, 和 XCEL Arena 等，完美的支持了實際現場的語音、數據類應用，例如舉行在Dallas Cowboys' Stadium的Cotton Bowl，2011年2月6號舉行的冠軍杯足球賽。PCTEL FP2458-V6RPC 天線覆蓋WIFI 2.4-2.5GHz 和 4.9-5.9GHz 頻段，支持6端口MIMO設計，波瓣寬度和增益都為高密度接入場景特殊設計，并且經過實踐檢驗。外殼材料外用UL 94V-0的防火材料，滿足高密度接入應用的諸多設計要求。
圖9 |
