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作者：PCTEL公司 當前，移動(dòng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)正在向4G LTE過(guò)渡，很多國家和地區的LTE網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)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(cháng)到2014年的506M pcs。各大運營(yíng)商也都在關(guān)鍵地區部署了3G/4G基站網(wǎng)絡(luò )，可滿(mǎn)足用戶(hù)大部分的語(yǔ)音、數據業(yè)務(wù)需求。但是，在某些場(chǎng)合，僅僅依靠基站網(wǎng)絡(luò )覆蓋，仍然存在問(wèn)題。 例如，體育場(chǎng)館舉行比賽的時(shí)候，用戶(hù)需要上網(wǎng)分享精彩視頻，同時(shí)需要和他人通話(huà)，一般情況下，當地的3G/4G基站可以較好的支持這種語(yǔ)音和數據業(yè)務(wù)。但是在比賽期間，通常會(huì )有大量用戶(hù)接入當地基站網(wǎng)絡(luò )，這就要求當地的特定基站網(wǎng)絡(luò )需要在某個(gè)時(shí)間段處理大量的語(yǔ)音和數據業(yè)務(wù)，造成基站的空口堵塞。直接的結果就是用戶(hù)通話(huà)質(zhì)量下降、經(jīng)常掉線(xiàn)，上網(wǎng)瀏覽速度大幅度降低或者長(cháng)時(shí)間沒(méi)有響應。 針對這一問(wèn)題，目前業(yè)界解決方法是采用802.11n無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)和3G/4G網(wǎng)絡(luò )技術(shù)相結合，使得用戶(hù)的數據業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)分流。即當智能終端用戶(hù)進(jìn)入有WIFI MIMO網(wǎng)絡(luò )覆蓋的區域時(shí)，將數據業(yè)務(wù)轉向WIFI網(wǎng)絡(luò )，蜂窩網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)注于語(yǔ)音業(yè)務(wù)，使授權頻段可以有一個(gè)較好的通話(huà)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(chǎng)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(yǔ)音通信而WIFI網(wǎng)絡(luò )用于數據業(yè)務(wù)。一個(gè)典型的WIFI網(wǎng)絡(luò )結構包括：用戶(hù)客戶(hù)端、天線(xiàn)、接入點(diǎn)Access Point、無(wú)線(xiàn)控制器AC和骨干網(wǎng)。典型架構如圖2所示：
圖2：一個(gè)典型的WIFI網(wǎng)絡(luò )結構。 當前WIFI主流技術(shù)為802.11 a/b/g/n協(xié)議, 而在實(shí)際應用中工程師最關(guān)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(shù)和產(chǎn)品在用戶(hù)大批量高密度接入的場(chǎng)合，達到一個(gè)良好的覆蓋效果和空口吞吐量。 1. 采用802.11n MIMO技術(shù) 傳統的802.11 a/b/g技術(shù)采用如圖3所示單入單出的系統設計(一個(gè)TX和一個(gè)RX，分別配合兩個(gè)天線(xiàn))，這樣設計的系統采用一根天線(xiàn)收發(fā)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(shù)的系統設計。 而采用MIMO空間多流多天線(xiàn)技術(shù)的系統，采用多個(gè)TX 和 RX，可將一個(gè)數據流拆分開(kāi)來(lái)通過(guò)多個(gè)獨立的天線(xiàn)系統進(jìn)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TX段有多個(gè)個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)送，而RX段也有多個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行接收時(shí)，即組成多天線(xiàn)的 MIMO SDM (Spatial Division Multiplexing)空分復用系統，如圖4所示�？辗窒到y，因為有多條流存在，各個(gè)數據流之間會(huì )有干擾現象，會(huì )造成信號質(zhì)量下降，因此這種系統需要radio 部分的對多流的信號進(jìn)行特別處理。采用MIMO技術(shù)后，系統典型空口速率會(huì )有顯著(zhù)提升，如圖5所示。
圖4：組成多天線(xiàn)的MIMO SDM空分復用系統。
圖5：系統采用SISO技術(shù)與MIMO技術(shù)的空口速率對比情況。 2． 估算場(chǎng)館需要的AP數目, 并判斷干擾情況 估算AP方法： 一個(gè)典型的足球體育館根據容納觀(guān)眾的不同大概需要200~600個(gè)AP 接入點(diǎn)。一般情況下，每個(gè)用戶(hù)400～500K的空口流量可以較好的支持用戶(hù)的數據業(yè)務(wù)，例如瀏覽網(wǎng)頁(yè)、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(yè)務(wù)，考慮到實(shí)際應用中的AP多用戶(hù)接入，單個(gè)AP的承載量為8～10M左右。不同的應用下，同時(shí)接入WIFI AP網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)數目和使用高速數據業(yè)務(wù)的用戶(hù)群體都有所區別。例如，在足球賽場(chǎng)館，會(huì )有很多用戶(hù)分享精彩比賽照片、視頻。每個(gè)用戶(hù)需要500K帶寬，而整個(gè)用戶(hù)群體是有一定的接入比例，所以每個(gè)AP大概覆蓋的用戶(hù)數目就可以簡(jiǎn)單計算出來(lái)。 而根據每個(gè)AP覆蓋的用戶(hù)數目和場(chǎng)館實(shí)際的座位大小，就可以推導出來(lái)AP 天線(xiàn)的覆蓋區域。802.11n 2.4頻段有13個(gè)信道，每個(gè)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(gè)不重和的信道做網(wǎng)絡(luò )覆蓋。如圖6所示。
圖6：AP天線(xiàn)的覆蓋區域。 而傳統的AP+天線(xiàn)的系統并不適用于這種場(chǎng)合，因為工作在相同信道的AP之間會(huì )互相干擾，在一個(gè)需要上百個(gè)AP的碗狀體育館中，如果沒(méi)有覆蓋角度設計良好的天線(xiàn)，AP之間互相干擾的情況是很?chē)乐�，每個(gè)AP會(huì )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(xiàn)是降低同信道之間干擾的關(guān)鍵，如圖7所示。
圖7：特殊設計的天線(xiàn)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(xiàn) 如前文所述，AP之間的干擾會(huì )造成用戶(hù)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(xiàn)方向圖以降低對鄰近AP的無(wú)線(xiàn)信號強度�？刂铺炀�(xiàn)方向圖即希望天線(xiàn)能有一個(gè)窄帶的覆蓋范圍，即每個(gè)天線(xiàn)的覆蓋區域只覆蓋目標區域，而目標區域之外的要求天線(xiàn)增益快速衰減，這樣可以限制接入這個(gè)天線(xiàn)的用戶(hù)數量，從而降低干擾。這里有相互矛盾的地方： (1) 天線(xiàn)的帶寬和體積成反比。天線(xiàn)的帶寬越窄，天線(xiàn)的體積和目標覆蓋區域的增益就越大。而在實(shí)際的應用中，體育館為碗形，用戶(hù)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(hù)視野的天線(xiàn)存在。而且，每個(gè)體育館有自己特有的工業(yè)設計，天線(xiàn)需要部署在體育館中，天線(xiàn)自身的工業(yè)設計和體育館的工業(yè)設計也需要可以很好的吻合。
圖8 (2) 天線(xiàn)帶寬和增益成正比。天線(xiàn)理論決定了，天線(xiàn)帶寬越窄，天線(xiàn)覆蓋區域的增益就越大。而太大的增益對用戶(hù)是存在潛在影響的。北美FCC委員會(huì )規定，空間無(wú)線(xiàn)電磁場(chǎng)強度不能超過(guò)規定值。而理想的窄帶覆蓋效果下，天線(xiàn)的增益會(huì )很大，再加上AP的輻射功率，有可能超過(guò)FCC規定。 因此，實(shí)際應用中，必須在天線(xiàn)的增益、體積和帶寬之間取一個(gè)平衡。PCTEL公司經(jīng)過(guò)多年的積累和多個(gè)實(shí)際案例，發(fā)現最合適的天線(xiàn)指標為： 方向圖角度：E平面(elevation)35度，A平面(azimuth)55度 尺寸：天線(xiàn)體積約為35 cm x 35 cm 增益：2.4GHz 10dbi， 5Ghz 6dbi。在這個(gè)尺寸和覆蓋角度下，天線(xiàn)增益可以做到12dbi 或者更高，但是根據FCC委員會(huì )的規定限制和一般AP的發(fā)射功率，天線(xiàn)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(chǎng)景應用，一個(gè)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(huì )面臨幾個(gè)嚴重的問(wèn)題：一是波束寬度會(huì )太大，例如2.4G 時(shí)E平面35 度，A平面90度；二是端口隔離度會(huì )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(lái)PCTEL為全球多個(gè)著(zhù)名場(chǎng)館提供了高密度應用的天線(xiàn)解決方案，包括天線(xiàn)(FP 2458-V6RPC)和相關(guān)附件。典型場(chǎng)館包括：Cowboys Stadium, Stanford Field, Wrigley Field, 和 XCEL Arena 等，完美的支持了實(shí)際現場(chǎng)的語(yǔ)音、數據類(lèi)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(xiàn)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(chǎng)景特殊設計，并且經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗。外殼材料外用UL 94V-0的防火材料，滿(mǎn)足高密度接入應用的諸多設計要求。
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