特殊场景下室内分布系统错层MIMO技术分析

王家顒，童希文，李 新

（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200092）

1 引言

以覆盖商场酒店宾馆为主要目的的平层覆盖方案由于前期信源为2G、3G，在早先设计建设过程中未提前进行双支路设计，如果后期需要进行双支路MIMO改造，则改造成本极高且施工难度极大。

本方案通过改造现有平层室分的井道主干并适当调整天线点位，利用同点位天线的错层覆盖实现MIMO，在有效提升网络速率的同时，大大节省站点投资。

2 主要原理

本方案主要针对室分平层覆盖进行错层MIMO改造，改变过去常规的高投资普通MIMO平层双支路设计方案，采用奇偶楼层垂直面错层单支路泄漏方案，来实现立体MIMO效果。

本方案可实现40%～80%下行速率提升效果，且改造费用仅占普通双路MIMO方案造价5%以下，真正实现“小改进、大提升”的建设目标。为验证室分错层MIMO实现的可能性，分别对上下楼层间信号差值、MIMO双通道功率不平衡的容忍度进行了可行性验证：

2.1 上下楼层间信号差值验证

2.1.1 链路预算理论分析

针对室内环境，业界一般常用《ITU室内无线电波传播规划建议ITU-RP.1238》进行链路覆盖能力分析。其非视距模型如下：

L=-28+20lg(f)+20lg(d)+Lf+Xσ

式中，L为路径损耗；f为频率，单位为MHz；d为距离，单位为m；Lf为墙壁、楼层等的穿透损耗；Xσ为慢衰落余量，取值与覆盖概率要求和室内慢衰落标准差有关，参考取值8dB。

2.1.2 穿透损耗

表1 各种物体对信号的传播损耗表

LTE（1楼）天线场强预算为：

-12dBm-[-28dBm+20lg(2330)+20lg(d)+Lf+8dB]=-60-20lg(d)-Lf

LTE（2楼）天线场强预算为：

-32dBm-[-28dBm+20lg(2330)+20lg(d)+Lf+8dB]=-80-20lg(d)-Lf

由此可得：1楼天线在终端附近的覆盖场强约为-70～-88dBm，1楼天线在同点位泄漏至2楼的终端附近的覆盖场强约为-80～-95dBm，两者差值约为5～15dBm，且两个天线间的距离大于4个波长λ（约0.5米），保证了两个天线的不相关性。

2.2 MIMO双通道功率不平衡容的忍度

本方案就MIMO双通道功率不平衡情况下MIMO下载速率提升能力进行过测试研究，在某楼宇食堂内搭建测试环境，对天线安装在金属吊顶内场景下的分布系统进行测试。

当功率不平衡差值达到22dBm以内的时候，即使主路电平强度较弱仍然可以实现双流MIMO；当功率不平衡达到22～25dBm以内的时候，双流MIMO将出现波动，但是如果主路层信号强度在-75dBm以内，仍可以稳定实现双流MIMO；当功率不平衡差值达到25dBm以上的时候，双流MIMO无法实现。

综合上述实验结果，当主路楼层与副路信号电平差值达到0～22dBm是错层MIMO的下载速率可以实现50%～90%以上的提升。但主用楼层信号强度若低于-80dBm时MIMO的速率提升效果会有影响。

3 室内分布系统错层MIMO方案

结合上述错层MIMO原理与实验结果，将原来传统平层MIMO双支路，创新改为垂直面的隔层双支路，从而实现MIMO。

根据上节测试结果，错层MIMO受到2个主要因素影响，第一个是电平差值，较为优质的差值需控制在20dBm以内，20～25dBm的差值需主用楼层信号强度达到-80dBm以内。第二个是主用楼层信号强度，本次测试室内环境未测到下限，从测试结果看-85dBm下电平差值在12dBm时仍能够实现MIMO，但提升效果仅20%，但超过-80dBm时可以达到80%。

形成错层的楼宇必须是相连的楼层，且必须通过相同的RRU进行覆盖，不同RRU之间的A、B口是无法形成错层MIMO的效果的。带有MIMO功能的MDAS等设备通过以上连接方式也是可以实现错层MIMO的。

4 实施案例

本次研究选取某医院楼高20层，层高3.5米，层间间隔为混凝土，吊顶为铝制板，天线安装在吊顶内。

LTE3设备安装在6层弱电间，RRU输出端口A，覆盖4F，6F，8F。RRU输出端口B，覆盖5F，7F，9F；LTE2设备安装在12层弱电间，RRU输出端口A，覆盖10F，12F，14F。RRU输出端口B，覆盖11F，13F，15F；LTE1设备安装在20层弱电间，RRU输出端口A，覆盖16F，18F，20F。RRU输出端口B，覆盖17F，19F为标准平层覆盖，所有病房内均有天线入室，天线输出口功率应控制在-10dBm～-15dBm范围内。

本试点不涉及平层天馈的大规模建设，避免了传统室分改造需新增的信源、天馈和大量无源器件，仅需适当改造井道主干和天线点位，保证天线口输出功率即可，工程量小且协调容易。试点证明错层MIMO在同一RRU情况下是完全可行的，从实验中也可以推出，错层信号的建立主要依靠下层楼宇天线的向上泄漏与作用楼层主用信号间形成。

5 结束语

金属吊顶内安装天线的分布系统，采用错层MIMO方案改造后，能解决大量室分双路建设需求，同时可达到接近室分双路的实际使用效果。但本方案也有其局限性，在其他场景下的分布系统环境中，功率不平衡差值一般在30dBm左右，很难实现MIMO双流。