丁明玲，孙震，王志中

（1.中国电信股份有限公司广东研究院，广东 广州 510630；2.广东省电信公司艾特实验室，广东 广州 510630）

1 引言

随着我国LTE牌照的发放，4G移动通信网络进入规模化建设阶段。室内作为大部分移动数据流量的产生场景，其信号覆盖质量将直接影响用户体验，因此各运营商对室内场景LTE深度覆盖十分重视。

LTE 实现高速通信的一个关键技术是MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出），也叫多天线技术[1]。运营商在LTE网络建设初期出于成本考虑，更多采用单通道室分系统引入LTE信号，尤其在已有室分系统但数据业务需求不高的场景。但随着4G数据业务需求的逐步增长，单路室分容量限制越来越大，对于MIMO室分建设的需求也逐步增强。目前，室外场景下LTE基站多天线最高支持8×8模式（8天线），而室内场景由于受到天线安装条件和移动终端多天线技术的限制，只支持2×2模式（2天线）。

2 MIMO原理及关键技术

2.1 MIMO原理及优势

MIMO作为LTE关键技术，其基本原理是：将信源数据流经过空时编码分解为多个并行数据流，并在指定的带宽内由多个天线同时发射，经过相互独立的无线信道传输后，由多个接收天线接收，接收机根据各个并行数据流的空间特性，经过空时解码处理能够解析出这些并行数据流，最终恢复出信源信息[2]。

由MIMO基本原理可知，空间数据流的增多在不增加带宽的情况下成倍提高系统吞吐量和频谱利用率，因此MIMO室分系统相对于单路系统在容量上有巨大优势[3]。LTE试验网中不同厂家设备在单/双通道情况下小区下行吞吐量实测数据如图1所示：

图1 不同厂家设备在单/双通道情况下LTE小区下行吞吐量对比

由图1可见，不同厂家设备单通道模式小区下行吞吐量为23～35Mbps，双通道模式小区下行吞吐量为28～58Mbps，系统容量平均提升约48%。值得注意的是，部分厂家系统吞吐量提升不明显，这是由于双通道系统中关键指标下降导致的。

2.2 影响MIMO性能的关键指标

影响MIMO系统性能的关键因素主要如下：

（1）支路信号平衡度

MIMO技术依靠多个并行空间信道传输数据实现吞吐量的成倍提升。如果各通道信号功率差距过大，则较低功率的信号不仅无法被接收机正确接收，还可能被当作干扰信号对其他支路产生影响。在LTE双通道MIMO室分系统中，双通道信号功率差与系统误差矢量幅度（EVM）的关系如表1所示：

表1 LTE双通道信号功率差与EVM关系

由表1可见，随着两支路信号功率差的增大，系统EVM逐渐增大，解调能力逐渐降低，系统吞吐量相应也会逐渐降低。因此，在LTE MIMO室分设计时必须严格保持各支路信号平衡[4]。从系统性能和工程难度方面考虑，一般通道功率差应控制在5dB以内。

（2）支路信号隔离度

MIMO技术实现高速通信的另一个前提就是各通道信号经过独立的无线信道传输，即不相关，因此要求各支路信号互相隔离。如果各支路信号互相串扰，则会严重影响MIMO性能。

以2.3GHz TD-LTE试验网室内场景为例，采用双通道MIMO，各通道使用独立的单极化天线，则通道间隔离度主要由两幅天线安装距离决定。图2即为试验网中双天线间距和单点位系统吞吐量的关系，其中λ为信号电磁波波长。

图2 双通道天线间距和吞吐量关系

由图2可见，随着天线间距的增加，双通道信号隔离度逐步增大，系统下行吞吐量明显增加；由于移动终端双天线间距的限制，系统上行吞吐量变化幅度稍小。综合考虑测试结果和工程安装，一般条件允许时，双天线间距应在10λ 以上；条件受限时，双天线间距也不应小于4λ。

另外，部分室内场景受限于安装条件，无法使用独立的多天线，而是采用一副双极化天线实现双通道间的隔离。为了保证和双天线相同的MIMO效果，需要提高双极化天线的端口隔离。以2.3GHz TD-LTE试验网系统为例，假设双天线间距4λ 时的天线端口隔离度为I，则有：

其中，Lpath为两天线空间链路传输损耗；Gant为天线增益，一般室内吸顶天线Gant为4dB。根据自由空间链路损耗模型计算两天线空间链路损耗Lpath为：

其中，Lpath为信号传输损耗（单位为dB）；f 为信号频率（单位为MHz）；d 为传输距离（单位为m）。取f=2300MHz，d=4λ=0.52m，将式（2）代入式（1），可得到双天线间距4λ 时的天线端口隔离度I=26dB。因此对于2.3GHz系统，采用一副双极化天线时，为了达到较好的MIMO效果，其端口隔离度至少不低于26dB。

通过以上分析可知，在MIMO室分建设中应保证多天线布放间距或提高双极化天线端口隔离度。

3 LTE MIMO室分建设方案分析

随着国内LTE网络的深入部署，为了满足部分重要场景的高速数据业务需求，运营商在此类场景LTE室分系统设计中需要考虑双路MIMO建设方案。下面将对传统和新型LTE室分双路MIMO建设方案进行分析。

3.1 传统MIMO室分建设方案

传统室分方案沿用2G/3G室分建设方法，信源信号主要经过馈线、无源器件等网元到达天线端，全链路为无源网络。由于无源网络具有稳定性高和后期维护成本低的特点，该类方案从2G时代至今被广泛采用。目前运营商采用较多的传统室分双路MIMO建设方案有以下2种：

方案1：LTE与2G/3G系统共用一条链路

国内多数室内场景都具备完整的2G/3G信号覆盖系统，为了节约建设成本和缩短建设周期，运营商在LTE双路室分建设中会选择一路新建、一路利旧的方式，即一路LTE信号与原2G/3G信号链路合路，共用一套室分链路。

该方案的优势是降低施工复杂度和建设成本。但该方案也存在较大问题：由于布线和器件老化等原因，新建链路与共用链路很难保持平衡。由上文分析可知，双通道间不平衡会降低MIMO性能，且共用链路存在多系统干扰可能[5]。

方案2：新建两条LTE室分链路

某些室内场景对数据业务性能要求较高，如人流密集的商场、会议室和高校等，此类场景需要保证稳定、高速的数据通信。如果具备施工条件，运营商多会选择新建两条独立的LTE室分链路以保证MIMO性能[6]。

新建两条LTE链路的优势明显：独立链路保证了最高的多系统间隔离，降低干扰可能；同时，两条链路在线路布放、器件使用上基本能保持一致，减少了双路不平衡度，以保证较好的MIMO性能。但该方案相较共用方案，其物业协调难度、施工复杂度及投资大幅提高，一般用于新建场景。

3.2 新型MIMO室分建设方案

传统网络建设中，有源设备均配置在干线，分布式覆盖主要采用馈线和无源器件所组成的无源网络实现；随着移动通信向更全面和深入覆盖的方向发展，网络覆盖呈现出有源设备向分布系统末端配置的趋势。例如：基站设备逐步由传统BTS集中式发展为现今的BBU+RRU分布式形态，而近年大力推行的有源天线系统（AAS）更是将有源设备和末端天线配置到一起。有源设备向系统末端配置的优势明显：全链路信号均能有效监控，消除无源链路损耗对系统覆盖性能的影响，做到“无死角”覆盖。

在室内分布系统领域，几种新型有源分布式LTE双路MIMO建设方案以其特有的优势逐渐受到运营商关注。

方案3：有源天线MIMO室分系统

传统室分双路MIMO建设方案需要铺设完整的馈线链路，工程改造复杂度较高，物业协调困难。有源天线MIMO室分系统通过近端设备将LTE双路MIMO信号与2G/3G信号合并于原室分链路共同传输，并在分布系统末端通过远端设备还原出LTE信号，使用双极化天线实现双通道覆盖[7]。该方案具体框图如图3所示：

图3 有源天线MIMO室分系统架构图

由图3可见，该方案改造工作集中在信源端和室分末端，通过增加近、远端设备和更换馈电器件就能完成系统建设，最大程度地利用了原室分系统链路，降低物业协调难度。由于双通道信号经过相同链路传输，功率平衡度容易保证。

然而，该方案共用链路的方式增加了多系统干扰的可能，而且近、远端设备之间使用馈线和无源器件网络传输模拟同步信号及馈电信号，随着链路的增加，系统同步和远端供电稳定性会逐步下降。

方案4：多业务数字分布系统

为了降低室分改造复杂度，同时保证系统深度覆盖可靠稳定，业界从另一个角度出发，提出了多业务数字分布系统。该系统的主要特点是使用更轻便、可靠的光纤或五类线代替传统射频同轴电缆作为信号传输载体，具体系统架构图如图4所示。

图4 多业务数字分布系统架构图

目前多数室内建筑光纤或五类线布线资源丰富，此类传输载体比射频线缆轻便许多，因此该方案工程实施相较传统方案要容易。由图4可见，该系统可将LTE和2G/3G信号合并后采用数字方式传输，在抗多系统干扰和系统同步稳定性方面具有显著优势。另外，该系统远端单元也配置在支线末端，支持双通道功率独立可调输出，最大程度地保证了双通道平衡度，从而提高MIMO性能。

方案5：Small Cell室分解决方案

随着4G移动数据业务需求的逐步提高，延伸覆盖式的常规室分系统逐渐暴露出劣势：无法增加小区容量。为了满足大容量需求，业界提出Small Cell（微基站）室内解决方案[8]。

Small Cell是低功率无线接入节点，属于微功率基站，不仅延伸信号覆盖，更能提供额外的容量。由于具有不可替代的优势，Small Cell解决方案在很多热点场景被采用。其具体组网方式如图5所示。

图5 Small Cell室分解决方案组网图

由图5可见，Small Cell室分系统中，覆盖单元通过系统网关与LTE核心网连接，其在网络中的等级和功能与LTE基站设备（eNodeB）相同，除了支持双路MIMO信号覆盖之外，还能提供容量覆盖，同时具备自组织网络（SON）功能。覆盖单元能根据空间无线信号情况自动配置，调节各单元的网络负荷。在该方案中，信号承载使用的也是光纤和五类线，既保证了信号的稳定传输，又降低了工程实施难度。

Small Cell室内解决方案以IP网络为载体与核心网连接，以提供大容量深度覆盖为目标，因此其对IP网络带宽和稳定性要求较高，同时系统设备成本也较高。

4 针对不同场景的建设策略

4.1 LTE室分MIMO建设方案对比

为了全面分析上述各LTE室分双路MIMO建设方案特点，下面将对各方案在工程实施、物业协调、建设成本、MIMO性能等方面进行深入对比。

（1）工程实施和物业协调

完整的室分系统工程实施包括线路核查、结构改造、材料制作、线路铺设、设备安装、开通调试、质量管理等方面工作；而物业协调包括业主沟通、证件办理、补偿协调、周期控制等方面工作。根据以上各方案特点，部分方案可省去或缩短某些环节工作，因此结合目前室分建设技术水平，可得出LTE双路MIMO室分建设方案在工程实施和物业协调方面的工作量占比如图6所示：

图6 LTE双路MIMO室分建设方案工程量对比

由图6可见，方案1和方案2至少需要新建一条完整的天馈系统，由于涉及到在天花板上进行体积和重量较大的馈线工程作业，工程量和物业协调难度非常大，其中方案2达到100%的工作量占比。

新型室分建设方案中，由于方案3无需进行完整的馈线布放施工，因此工程实施和物业协调最容易，工作量只有完整工程的50%和40%；而方案4和方案5采用轻便柔软的光纤或五类线作为传输介质，室内布线资源丰富，铺设难度和物业协调工作相对较低，其中方案5工作量只有方案2的63%。

（2）建设成本

室分系统成本包括链路改造成本和设备材料成本两方面。以1 000m2的10层写字楼场景为例，使用1个LTE RRU作为信源，可估算出各方案的成本需求如图7所示，其中方案4和方案5均采用分布型建设方式。

图7 LTE双路MIMO室分建设方案成本对比

由图7可见，方案1与方案2工程实施难度较大，链路改造成本较高；方案1基本不涉及有源设备，材料成本最低，而方案2需使用较多昂贵馈线（相对光纤和五类线成本），材料成本较高。

方案4与方案5中光纤或五类线的铺设相对馈线容易，因此链路改造成本较低；而这2种方案均需配置较多昂贵有源设备（方案5使用基站级网元设备），因此设备材料成本较高。

综合考虑，由于方案3工程改造量最少，且使用造价较低的有源设备，因此其综合成本最低；方案2与方案5在改造和材料方面成本上升明显，因此综合成本最高；方案1与方案4综合成本处于中间水平。

（3）系统干扰和MIMO性能

方案1和方案3均采用了与2G/3G共用链路及模拟信号方式传输LTE信号，此类方案产生多系统干扰的可能性较高；相反地，采用双路独立建设或数字信号传输的其他3种方案能最大程度地降低系统间干扰。多系统干扰会直接导致系统MIMO性能即吞吐量下降。图8对以上各方案单用户下行吞吐量进行了对比分析：

图8 LTE双路MIMO室分建设方案下行吞吐量对比

由图8 可见，根据测试位置的不同，存在一定系统干扰的方案1 和方案3 的吞吐量比其他方案低4%～30%。另外，方案2中多通道信号使用不同物理链路传输，工程改造中的差异使支路信号平衡较难把握，吞吐量稍低；方案4与方案5中各支路信号使用同一链路传输，且均支持支路功率调节，因此支路信号功率平衡较易达到，吞吐量较高。

（4）扩容支持与通道扩展

考虑到今后室内LTE数据业务的逐步增长，室分系统容量和MIMO通道数可扩展性也是运营商建设LTE室分需要考虑的因素。目前只有方案5支持容量扩展。而通道扩展方面，传统方案需新增完整天馈链路，难度较大；新型方案由于多通道信号均使用原单条链路传输，因此只需更换系统干线或末端有源单元即可完成通道扩展。

综合以上分析，表2列出了各方案在施工难度、物业协调、建设成本等方面的对比结果：

表2 LTE室分双路MIMO建设方案对比

由表2可知，各方案具有各自的优势，在工程应用中需根据实际情况选择合适的方案。

4.2 不同场景的建设策略

目前国内尚处4G网络商用初期，用户覆盖率较低，且各地市对室内场景LTE数据业务需求不一，因此运营商在LTE室分建设中可根据需求采用不同的方案。根据上文分析结果，可得出现有LTE双路MIMO建设方案适用场景如表3所示：

表3 LTE室分双路MIMO建设方案适用场景

由表3可见，针对不同场景，现有LTE室分MIMO建设方案均能满足要求。同时，对部分特殊场景，可结合不同方案特点，采取多种方案混合组网方式实现LTE双路MIMO室分建设。例如：大型购物中心内重点区域（咖啡馆、4G体验馆）可使用Small Cell方案解决容量不足问题，而其他区域（零售店、洗手间）可使用多业务数字分布系统方案实现信号覆盖，既保证重点区域的容量需求，又节约建网成本。

5 结束语

据统计，现网中采用传统方案建设的MIMO室分验收不通过比例较高，此类方案对线路设计、施工工艺、质量管理要求更高。随着室内场景数据业务需求的增长和多天线技术的发展，用户对室分多通道通信的需求会越来越迫切，目前业界已有支持4天线的LTE手机终端完成了现网测试。此类4通道场景如果使用传统室分建设方案，物业协调和工程改造难度巨大，且很难保证多天线效果；而采用新型多天线室分建设方案，通道扩展较容易实现，且系统MIMO性能也有保证，此类方案在今后4G网络发展中将逐渐成为LTE室分建设的主流选择。

[1] 陈佳,何海浪. LTE系统中下行预编码技术[J]. 通信技术, 2011(6): 73-75.

[2] 王圆晨,袁雪莲,段红光. MIMO信道模型分析[J]. 通信技术, 2013(4): 71-73.

[3] 王友祥,李新中,马彰超,等. MIMO在室内无线网络中的应用[J]. 电信技术, 2012(S2): 50-55.

[4] 汪颖,程日涛,汤利民. TD-LTE室内分布系统性能与建设策略研究[J]. 移动通信, 2011(19): 17-21.

[5] 石志同,黄杰,赵东升. WLAN与LTE系统间干扰研究及解决建议[J]. 山东通信技术, 2013(3): 12-14.

[6] 黄沛江,王斌,温庆华. TD-LTE无线网络规划建设策略初探[J]. 移动通信, 2011(19): 27-32.

[7] 彭慧. LTE室内“一线式”解决方案[J]. 电信技术, 2012(S2): 81-82.

[8] 张平. LTE演进网络中的小基站技术[J]. 现代电信科技, 2013(4): 61-65.