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作者：PCTEL公司 當(dāng)前，移動無線技術(shù)正在向4G LTE過渡，很多國家和地區(qū)的LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)商用。根據(jù)iSuppli 公司的一項研究表明，全球智能終端出貨量預(yù)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(guān)鍵地區(qū)部署了3G/4G基站網(wǎng)絡(luò)，可滿足用戶大部分的語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。但是，在某些場合，僅僅依靠基站網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)分享精彩視頻，同時需要和他人通話，一般情況下，當(dāng)?shù)氐?G/4G基站可以較好的支持這種語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。但是在比賽期間，通常會有大量用戶接入當(dāng)?shù)鼗揪W(wǎng)絡(luò)，這就要求當(dāng)?shù)氐奶囟ɑ揪W(wǎng)絡(luò)需要在某個時間段處理大量的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，造成基站的空口堵塞。直接的結(jié)果就是用戶通話質(zhì)量下降、經(jīng)常掉線，上網(wǎng)瀏覽速度大幅度降低或者長時間沒有響應(yīng)。 針對這一問題，目前業(yè)界解決方法是采用802.11n無線局域網(wǎng)技術(shù)和3G/4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，使得用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)分流。即當(dāng)智能終端用戶進入有WIFI MIMO網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域時，將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向WIFI網(wǎng)絡(luò)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)專注于語音業(yè)務(wù)，使授權(quán)頻段可以有一個較好的通話質(zhì)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(shù)需要同一場館既有3G/4G網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，又有WIFI網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋。其中3G/4G基站用于語音通信而WIFI網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。一個典型的WIFI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括：用戶客戶端、天線、接入點Access Point、無線控制器AC和骨干網(wǎng)。典型架構(gòu)如圖2所示：
圖2：一個典型的WIFI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 當(dāng)前WIFI主流技術(shù)為802.11 a/b/g/n協(xié)議, 而在實際應(yīng)用中工程師最關(guān)心的就是如何在盡量節(jié)省投資的情況下，達(dá)到最好的覆蓋效果和吞吐量。下面本文就介紹如何利用現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品在用戶大批量高密度接入的場合，達(dá)到一個良好的覆蓋效果和空口吞吐量。 1. 采用802.11n MIMO技術(shù) 傳統(tǒng)的802.11 a/b/g技術(shù)采用如圖3所示單入單出的系統(tǒng)設(shè)計(一個TX和一個RX，分別配合兩個天線)，這樣設(shè)計的系統(tǒng)采用一根天線收發(fā)數(shù)據(jù)，吞吐量不高，通常用于避免多徑反射。
圖3：傳統(tǒng)的802.11 a/b/g 技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計。 而采用MIMO空間多流多天線技術(shù)的系統(tǒng)，采用多個TX 和 RX，可將一個數(shù)據(jù)流拆分開來通過多個獨立的天線系統(tǒng)進行收發(fā)，這種技術(shù)可以很好的提高空口帶寬和信噪比。當(dāng)TX段有多個個天線進行發(fā)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(fù)用系統(tǒng)，如圖4所示。空分系統(tǒng)，因為有多條流存在，各個數(shù)據(jù)流之間會有干擾現(xiàn)象，會造成信號質(zhì)量下降，因此這種系統(tǒng)需要radio 部分的對多流的信號進行特別處理。采用MIMO技術(shù)后，系統(tǒng)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(fù)用系統(tǒng)。
圖5：系統(tǒng)采用SISO技術(shù)與MIMO技術(shù)的空口速率對比情況。 2． 估算場館需要的AP數(shù)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(jù)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，例如瀏覽網(wǎng)頁、上傳或者下載視頻。當(dāng)前，大多數(shù)的終端只支持802.11g 空口54M業(yè)務(wù)，考慮到實際應(yīng)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(yīng)用下，同時接入WIFI AP網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)目和使用高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶群體都有所區(qū)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(shù)目就可以簡單計算出來。 而根據(jù)每個AP覆蓋的用戶數(shù)目和場館實際的座位大小，就可以推導(dǎo)出來AP 天線的覆蓋區(qū)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(wǎng)絡(luò)覆蓋。如圖6所示。
圖6：AP天線的覆蓋區(qū)域。 而傳統(tǒng)的AP+天線的系統(tǒng)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(shè)計良好的天線，AP之間互相干擾的情況是很嚴(yán)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(shè)計的天線是降低同信道之間干擾的關(guān)鍵，如圖7所示。
圖7：特殊設(shè)計的天線是降低同信道之間干擾的關(guān)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(fā)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(qū)域只覆蓋目標(biāo)區(qū)域，而目標(biāo)區(qū)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(shù)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(biāo)覆蓋區(qū)域的增益就越大。而在實際的應(yīng)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(yè)設(shè)計，天線需要部署在體育館中，天線自身的工業(yè)設(shè)計和體育館的工業(yè)設(shè)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(qū)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(guī)定，空間無線電磁場強度不能超過規(guī)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(guī)定。 因此，實際應(yīng)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(jīng)過多年的積累和多個實際案例，發(fā)現(xiàn)最合適的天線指標(biāo)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(jù)FCC委員會的規(guī)定限制和一般AP的發(fā)射功率，天線中需要增加額外的設(shè)計以降低增益。 有些應(yīng)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(yīng)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(shè)計會面臨幾個嚴(yán)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(dǎo)致的反射造成方向圖變形。 應(yīng)用案例： 近年來PCTEL為全球多個著名場館提供了高密度應(yīng)用的天線解決方案，包括天線(FP 2458-V6RPC)和相關(guān)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(xiàn)場的語音、數(shù)據(jù)類應(yīng)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(shè)計，波瓣寬度和增益都為高密度接入場景特殊設(shè)計，并且經(jīng)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(yīng)用的諸多設(shè)計要求。
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