自適應(yīng)波束賦形WLAN廣域覆蓋技術(shù)應(yīng)用研究

CMGD-GZ LIUYAQI 中國(guó)移動(dòng)科技創(chuàng)新成果推廣材料 完成單位：中國(guó)移動(dòng)肇慶分公司 成果名稱：自適應(yīng)波束賦形 WLAN廣域覆蓋技術(shù)研究 成果研究類別： WLAN廣域覆蓋技術(shù)研究 成果專業(yè)類別：無(wú)線 2 CMGD-GZ LIUYAQI 成果內(nèi)容及推廣價(jià)值介紹 一、項(xiàng)目背景和意義 針對(duì)目前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)“兩高兩低”狀況（高無(wú)線利用率和高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量，對(duì)應(yīng)低TD話務(wù)和低 WLAN流量），必須盡快制定和實(shí)施 2/3G業(yè)務(wù)資源優(yōu)化配置策略，盡量讓 GSM高質(zhì)量地承載話音業(yè)務(wù)，有目的地將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)向 3G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移，減輕 GSM網(wǎng)絡(luò)容量的壓力，利用 3G網(wǎng)絡(luò)提供廣度覆蓋， WLAN在 3G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上提供深度覆蓋，共同助力無(wú)線城市建設(shè)。 通過(guò)對(duì)智能 AP的覆蓋性能、干擾性能、容量性能等進(jìn)行研究和測(cè)試，驗(yàn)證自適應(yīng)波束賦形技術(shù)在無(wú)線城市廣域覆蓋應(yīng)用中的可行性；結(jié)合典型場(chǎng)景數(shù)據(jù)，形成并智能 AP覆蓋建設(shè)規(guī)范、場(chǎng)景覆蓋設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則以及工程施工規(guī)范，為現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用自適應(yīng)智能 AP提出指導(dǎo)意見和建議。 3 CMGD-GZ LIUYAQI 波束賦形概念 根據(jù)一定的最優(yōu)準(zhǔn)則導(dǎo)出的，常用的準(zhǔn)則有：最小均方誤差準(zhǔn)則、最小二乘準(zhǔn)則、最大信噪比準(zhǔn)則和線性約束最小方差準(zhǔn)則等。采用自適應(yīng)算法，智能天線方向圖沒(méi)有固定的形狀，隨著信號(hào)及干擾而變化。 自適應(yīng)波束賦形和算法 根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對(duì)基帶信號(hào)的最佳組合或者分配。具體地說(shuō)，其主要任務(wù)是補(bǔ)償無(wú)線傳播過(guò)程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號(hào)衰落與失真，同時(shí)降低同信道用戶間的干擾。 賦形增益公式推導(dǎo) （ 1）發(fā)送模式： 單天線發(fā)送信號(hào) S，忽略衰減，用戶側(cè)接收到信號(hào)的功率 為 ； n根天線發(fā)送信號(hào) S（ Beam forming），忽略衰減，用戶側(cè)接收信號(hào)為 nS ，接收信號(hào)功率 為 ；因此，可推導(dǎo)出發(fā)送賦形增益為： AP 2SBFP 2)(nS22()1 0 l g 1 0 l g 2 0 l gBFBFAP nSGnPS （ 2）接收模式： 單天線同時(shí)接收信號(hào) S和噪聲 N， n根天線接收信號(hào) S和噪聲 N，波束賦形可使信號(hào) S耦合，信號(hào)功率 為 ；但噪聲 N 不能耦合，噪聲功率 為 。 因此，可推導(dǎo)出接收賦形增益為（公式 2）： 22lg10lg10 NSPPSN RNSA SP 2)(nSNP 2nN2222 lg10)(lg10lg10NSnnNnSPPS N RNSBF 1 0 l o gB F B F AG S N R S N R n 二、技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案 自適應(yīng)波束賦形技術(shù)介紹 4 CMGD-GZ LIUYAQI 自適應(yīng)波束賦形技術(shù) Signal Strength 平均增加 10dB的鏈路增益 優(yōu)勢(shì) 覆蓋范圍更廣 更大的容量 優(yōu)秀的室內(nèi)穿透性 優(yōu)秀的非視距能力 優(yōu)秀的抗干擾能力 5 CMGD-GZ LIUYAQI 研究方法及工具 測(cè)試方法 信號(hào)強(qiáng)度： WirelessMon2.0 測(cè)試； 下載速率：下載 / 電影，用 DU Meter計(jì)算速率； Ping包時(shí)延： ping ； Ping包丟包率： ping ； 測(cè)試軟件 WirelessMon2.0 Airmagent WLAN 測(cè)試儀 Chariot DU Meter 6 CMGD-GZ LIUYAQI 研究試點(diǎn) 研究試點(diǎn)： 針對(duì)校園區(qū)域的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求高無(wú)線資源擁塞問(wèn)題，將高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量向低WLAN流量轉(zhuǎn)移，提高 WLAN 資源的利用率。 充分利用現(xiàn)有的 GSM、 TD基站及直放站站址和配套設(shè)施，研究 WLAN室外天線廣域覆蓋新模式，加快 WLAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及業(yè)務(wù)推廣 分別采用一套 WAION大功率 AP設(shè)備對(duì)工商學(xué)院、交通學(xué)校，科技學(xué)院、供水局進(jìn)行 WLAN信號(hào)覆蓋。 傳輸方式：設(shè)備采用 2M電路進(jìn)行傳輸。 7 CMGD-GZ LIUYAQI 試點(diǎn)一：工商學(xué)院 學(xué)生公寓 6-13號(hào)樓信號(hào)覆蓋和接入、下線成功率均良好，信號(hào)強(qiáng)度均在 -60dBm左右，掉包率低于 3%。； 學(xué)生公寓 5號(hào)樓、中心庭院及學(xué)院飯?zhí)茫盘?hào)較弱，但可以滿足接入要求； 研究試點(diǎn) 8 CMGD-GZ LIUYAQI 試點(diǎn)二：交通學(xué)校 學(xué)生宿舍和校門口信號(hào)覆蓋和接入、下線成功率均良好，信號(hào)強(qiáng)度均在 -60dBm左右，掉包率低于 3%； 其他樓層信號(hào)較弱，但可以滿足接入要求； 實(shí)驗(yàn)試點(diǎn) 試點(diǎn)三：科技學(xué)院 操場(chǎng)為信號(hào)強(qiáng)度最好的覆蓋區(qū)域，各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測(cè)試都達(dá)到指標(biāo)； 在有信號(hào)樓層課室窗邊和走廊測(cè)試信號(hào) -75dBm，丟包率低于 3%，可以接入訪問(wèn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)； 但有樓層因被樓層阻擋完全搜索不到 CMCC網(wǎng)絡(luò)。 試點(diǎn)四：供水局 供水局樓下信號(hào)強(qiáng)度良好，可以接入訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)， Ping AC丟包率小于 3%，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測(cè)試達(dá)到指標(biāo)； 銀都賓館樓層仍然搜索不到 CMCC網(wǎng)絡(luò)； 離覆蓋區(qū)域遠(yuǎn)的地方接入困難，信號(hào)較不穩(wěn)定。 9 CMGD-GZ LIUYAQI 成果一 WLAN室外智能 AP工程施工規(guī)范（ V1.0） 規(guī)范 WLAN室外智能 AP工程實(shí)施，統(tǒng)一工程施工工作的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求， 從施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、設(shè)備安裝、天線安裝、線纜布放、電源設(shè)備安裝、防雷接地等方面進(jìn)行室外智能 AP施工規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究。 成果二 WLAN網(wǎng)絡(luò)智能 AP覆蓋設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則（ V1.0） 采用室外智能 AP通過(guò)室外覆蓋室內(nèi)的方式完成重點(diǎn)區(qū)域的覆蓋方案需要綜合考慮 AP鏈路預(yù)算、容量等內(nèi)容。 促進(jìn)和指導(dǎo)使用室外智能 AP進(jìn)行 WLAN網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)規(guī)劃及設(shè)計(jì)。 成果三 利用 GSM/TD基站資源開展 WLAN室外智能 AP覆蓋建設(shè)方案指南（ V1.0） 規(guī)范利用現(xiàn)有的 GSM、 TD基站及直放站站址和配套設(shè)施，開展 WLAN無(wú)線寬帶業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)原有投資的保護(hù)； 方案規(guī)范分析共址關(guān)鍵點(diǎn)；分析 WLAN與 GSM、 TD 基站共址的可行性；提出了共址安裝建設(shè)方案。 成果四 自適應(yīng)波束賦形 WLAN廣域覆蓋技術(shù)性能研究報(bào)告 對(duì)自適應(yīng)波束賦形技術(shù)應(yīng)用于 WLAN進(jìn)行深入的性能分析研究，包括覆蓋、容量、抗干擾和穿透性能等。 理論與實(shí)測(cè)研究智能 AP與普通 AP、業(yè)界其他智能 AP 的優(yōu)劣。 三、技術(shù)方案的關(guān)鍵點(diǎn)、難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn) 成果輸出 10 CMGD-GZ LIUYAQI WLAN網(wǎng)絡(luò)智能 AP覆蓋設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則（ V1.0） 利用 GSM/TD基站資源開展 WLAN室外智能 AP 覆蓋建設(shè)方案指南（ V1.0） 自適應(yīng)波束賦形 WLAN廣域覆蓋 技術(shù)性能研究報(bào)告 WLAN室外智能 AP工程施工規(guī)范（ V1.0） 自適應(yīng)波束賦形 WLAN廣域覆蓋 技術(shù)應(yīng)用研究 基礎(chǔ)研究 規(guī)劃設(shè)計(jì) 工程建設(shè) 成果輸出 11 CMGD-GZ LIUYAQI 成果一： WLAN室外智能 AP工程施工規(guī)范（ V1.0） 無(wú)線設(shè)備間距要求 a. 垂直方向，至少 2米； b. 水平方向，至少 1米； 電源設(shè)備安裝要求（詳見規(guī)范） 五類線布放要求（詳見規(guī)范） 標(biāo)簽規(guī)范（詳見規(guī)范） 智能 AP安裝要求與注意事項(xiàng) a. 智能 AP架設(shè)高度不能超過(guò)地面 25米， AP距離房頂垂直至少 2米 ；基站架設(shè)在樓頂側(cè)面墻壁， AP距離鐵塔或建筑物水平至少 1米 ； b. 對(duì)于小區(qū)覆蓋而言，從室外透過(guò)封閉的混凝土墻進(jìn)入室內(nèi)的信號(hào)基本不可用，一般只考慮利用從門、窗入射的信號(hào)； c. 定向智能 AP（集成天線）采用水平和垂直抱管方式， AP可機(jī)械調(diào)節(jié)俯仰角， 建議不超過(guò) 15 ； d. 智能 AP周圍沿主要覆蓋方向不得有建筑物或大片金屬物、樹林等物體遮擋； e. 用于安裝 AP的支架必須可靠的固定或安置在樓頂屋面上，防止大風(fēng)吹落； 12 CMGD-GZ LIUYAQI 成果二： WLAN網(wǎng)絡(luò)智能 AP覆蓋設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則（ V1.0） 室外智能 AP應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)劃 住宅小區(qū)應(yīng)用環(huán)境 室外商業(yè)街應(yīng)用 高層建筑（局部覆蓋）應(yīng)用 共用場(chǎng)所區(qū)域覆蓋 賓館酒店 大專院校和產(chǎn)業(yè)園 室外智能 AP覆蓋設(shè)計(jì)原則 室外與室內(nèi)空曠區(qū)域總體宜以蜂窩狀布局，包括水平方向與垂直方向，將信號(hào)均勻分布，控制每個(gè) AP天線覆蓋區(qū)域的重疊區(qū)域。 智能 AP天線宜布放在高處，減少人員走動(dòng)等環(huán)境變化對(duì)信號(hào)傳播的影響，改善AP的接收性能。 智能 AP安裝時(shí)若采用定向天線應(yīng)確保天線主波束方向正對(duì)目標(biāo)區(qū)域，保證良好的覆蓋效果。 智能 AP天線安裝位置確定應(yīng)使信號(hào)在目標(biāo)覆蓋區(qū)內(nèi)盡可能少穿透隔斷，有穿透時(shí)與隔斷垂直，從而盡可能減少信號(hào)衰減。 智能 AP天線安裝位置需遠(yuǎn)離大功率電子設(shè)備，如微波爐、 2.4GHZ無(wú)繩電話等。 WLAN鏈路預(yù)算 WLAN與其它系統(tǒng)干擾避免 13 CMGD-GZ LIUYAQI 成果三：利用 GSM/TD基站資源開展 WLAN室外智能 AP覆蓋建設(shè)方案指南 GSM、 TD與 WLAN 互相干擾分析 GSM、 TD 基站資源可行性分析 電源可行性 傳輸資源可行性 安裝空間可行性 防雷接地可行性 WLAN共址技術(shù)方案建議 共址基站天饋系統(tǒng)改造方案 共址基站 WLAN 天線安裝建議 WLAN 天線選用建議 定向天線的室外型智能 AP 布放示意圖 全向天線的室外型 WLAN 布放示意圖 14 CMGD-GZ LIUYAQI 成果四：自適應(yīng)波束賦形 WLAN廣域覆蓋技術(shù)性能研究報(bào)告 賦型增益的理論與測(cè)試研究 自適應(yīng)波束賦形 WLAN技術(shù)場(chǎng)景應(yīng)用、覆蓋距離、容量、抗干擾、穿透性能驗(yàn)證 場(chǎng)景應(yīng)用與覆蓋效果（覆蓋距離與容量） 智能 AP對(duì)室分系統(tǒng)的干擾性能水平研究 智能 AP動(dòng)態(tài)抗干擾技術(shù)研究 智能定向天線穿透性能研究 不同智能 AP之間性能對(duì)比 15 CMGD-GZ LIUYAQI 測(cè)試 1： 智能 AP對(duì)室分系統(tǒng)的干擾性能水平研究 系統(tǒng) 測(cè)試指標(biāo) 智能 AP發(fā)射功率調(diào)整（ EIRP） 37dBm 34 dBm 31 dBm 0 室分系統(tǒng) 信號(hào)強(qiáng)度(dBm) -48 -48 -47 -48 下行速率（ Mbits） 1.6 1.65 1.68 1.59 Ping包延遲(ms) 40 46 40 40 ping包丟包率 % 0 0 0 0 智能 AP 信號(hào)強(qiáng)度(dBm) -38 -45 -55 0 下行速率（ Mbits） 18.076 18.235 18.085 0 ping包延遲(ms) 7 13 6 - ping包丟包率 % 0 0 0 - 系統(tǒng) 測(cè)試指標(biāo) 智能 AP發(fā)射功率調(diào)整（ EIRP） 37dBm 34 dBm 31 dBm 0 室分系統(tǒng) 信號(hào)強(qiáng)度(dBm) -61 -62 -62 -63 下行速率（ M bi t s） 1.7 1.74 1.84 1.83 Ping包延遲 (ms) 45 43 40 45 ping包丟包率 % 0 0 0 0 智能 AP 信號(hào)強(qiáng)度(dBm) -37 -47 -56 0 下行速率（ M bi t s） 19.789 19.904 19.257 - Ping包延遲 (ms) 7 10 9 - ping包丟包率 % 0 0 0 - 表 1：古塔大樓測(cè)試數(shù)據(jù) 表 2：棠崗大樓測(cè)試數(shù)據(jù) 通過(guò)對(duì)兩組測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，在同時(shí)接收到較強(qiáng)的智能 AP和室分系統(tǒng)信號(hào)的同一室內(nèi)測(cè)試點(diǎn)，且讓智能 AP與室分系統(tǒng)工作于相同的頻段，調(diào)節(jié)智能AP發(fā)射功率（從 0遞增到最大發(fā)射功率），室分系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度、下行速率等無(wú)線性能指標(biāo)變化不大。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，室外智能 AP與室分系統(tǒng)之間相互干擾很小。 四、成果應(yīng)用后主要效能分析（技術(shù)應(yīng)用前后對(duì)比） 16 CMGD-GZ LIUYAQI 測(cè)試 2：智能 AP動(dòng)態(tài)抗干擾技術(shù)研究 測(cè)試點(diǎn) 設(shè) 備 信號(hào)強(qiáng)度 上行速率 下行速率 測(cè)試點(diǎn)一 普通 AP -69dBm 0.96Mbits 1.26Mbits （距 AP 20m） 智能 AP -63dBm 4.7Mbits 8.9Mbits 測(cè)試點(diǎn)二 普通 AP -41dBm 3.4Mbits 2.05Mbits （距 AP 50m） 智能 AP -54 dBm 6.58Mbits 11.7Mbits 在相同的嚴(yán)重干擾環(huán)境，普通天線 AP和智能天線 AP在信號(hào)強(qiáng)度一致的情況下， 兩者上行和下行鏈路帶寬差異較大，普通 AP的帶寬明顯低于智能天線 AP，兩者相差 3倍。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，智能天線 AP在干擾極強(qiáng)的環(huán)境下具體動(dòng)態(tài)抗干擾優(yōu)勢(shì)。 17 CMGD-GZ LIUYAQI 測(cè)試 3：智能定向天線穿透性能研究 測(cè)試項(xiàng)目 測(cè)試點(diǎn) 9#110 9#310 10#510 信號(hào)強(qiáng)度 (dBm) -58 -65 -67 下行速率 (kbits) 5734 5840 10317 上行速率 (kbits) 761 480 2029 ping包延遲 (ms) 18 93 104 ping包丟包率 25% 0 0 9棟 310室、 10棟 510室的數(shù)據(jù)較理想，下行速率均在 5M以上，丟包率為 0。 9棟 110室丟包率達(dá) 25%，影響了用戶業(yè)務(wù)使用?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的分析，是由于宿舍樓前樹木阻擋導(dǎo)致。 3樓、 5樓由于樓層相對(duì)較高，受樹木的阻擋較小 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，智能 AP具備優(yōu)秀的室內(nèi)穿透特性和深度非視距能力，對(duì)于 2-3堵帶窗戶墻的場(chǎng)景，能滿足室外覆蓋室內(nèi)方案的要求，但對(duì)樹木的衰減較大。 18 CMGD-GZ LIUYAQI 測(cè)試 4：智能 AP和普通 AP性能對(duì)比 對(duì)比項(xiàng)目 智能 AP 傳統(tǒng) AP 接收靈敏度 -102.5dBm -96dBm 吞吐量 802.11g 52Mbps SDMA 20Mbps 容量大小 200個(gè) 25個(gè) 射頻模塊 6個(gè) 1個(gè) 信號(hào)處理模塊 2個(gè) 1個(gè) 多收發(fā)信機(jī) 有 無(wú) 扇區(qū)數(shù)目 全向 1個(gè) 天線數(shù)目 6個(gè) 1個(gè) 智能天線技術(shù) 有 無(wú) 天線種類 360度交叉雙極化定向天線 傳統(tǒng)的縱向單極化全向天線 信號(hào)多路徑收發(fā) 16個(gè)信號(hào)路徑 2個(gè)信號(hào)路徑 干撓擬制技術(shù) 有（軟件無(wú)線電技術(shù)專利） 無(wú) 天線安裝方位角度是否可以調(diào)節(jié) 是 否 發(fā)射功率 100毫瓦 200、 500毫瓦 視距覆蓋距離 穿透性能 穿透力強(qiáng) （ 2-3堵帶窗戶墻 ） 頻點(diǎn)資源浪費(fèi) ， 干擾較大 在非視距環(huán)境下的吞吐量 在非視距 500米距離吞吐量： 在非視距 200米距離時(shí)無(wú)信號(hào) 單層阻擋時(shí)為 8M-14Mbps； 多層阻擋時(shí)為 3M-8Mbps； 產(chǎn)品適用范圍 室外，能與 GSM、 CDMA、 PHS共站安裝覆蓋城市街道、廣場(chǎng)、高樓、住宅小區(qū)、商場(chǎng)、公園、大學(xué)等所有公共場(chǎng)所 滿足室外向室內(nèi)覆蓋；能為原有 WLAN系統(tǒng)提供有效的補(bǔ)充 室內(nèi) 由于采用了智能天線自適應(yīng)波束賦形、 SDMA技術(shù)， 智能 AP在覆蓋范圍、穿透能力、抗干擾等方面明顯優(yōu)于普通 AP。 19 CMGD-GZ LIUYAQI 成果內(nèi)容及推廣價(jià)值介紹 五、項(xiàng)目推廣方式建議 1、本項(xiàng)目通過(guò)將智能 AP應(yīng)用于多種典型場(chǎng)景的大量測(cè)試和分析，輸出了 自適應(yīng)波束賦形 WLAN廣域覆蓋技術(shù)性能研究報(bào)告 ，報(bào)告從動(dòng)態(tài)抗干擾、穿透性能、和普通 AP的對(duì)比等方面分析了智能 AP的優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證了自適應(yīng)波束賦形技術(shù)在無(wú)線