當(dāng)前，移動(dòng)無(wú)線技術(shù)正在向4G LTE過(guò)渡，很多國(guó)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(xiàng)研究表明，全球智能終端出貨量預(yù)計(jì)從2010年的246.9 M pcs增長(zhǎng)到2014年的506M pcs.各大運(yùn)營(yíng)商也都在關(guān)鍵地區(qū)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(shù)據(jù)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(dāng)?shù)氐?G/4G基站可以較好的支持這種語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。但是在比賽期間，通常會(huì)有大量用戶(hù)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(gè)時(shí)間段處理大量的語(yǔ)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(hù)通話(huà)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(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有響應(yīng)。
針對(duì)這一問(wèn)題，目前業(yè)界解決方法是采用802.11n無(wú)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(hù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)分流。即當(dāng)智能終端用戶(hù)進(jìn)入有WIFI MIMO網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域時(shí)，將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)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(quán)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(hào)覆蓋，又有WIFI網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋。其中3G/4G基站用于語(yǔ)音通信而WIFI網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。一個(gè)典型的WIFI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括：用戶(hù)客戶(hù)端、天線、接入點(diǎn)Access Point、無(wú)線控制器AC和骨干網(wǎng)。典型架構(gòu)如圖2所示：
圖2：一個(gè)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(shí)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(hù)大批量高密度接入的場(chǎng)合，達(dá)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(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(jì)（一個(gè)TX和一個(gè)RX，分別配合兩個(gè)天線），這樣設(shè)計(jì)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(jì)。
而采用MIMO空間多流多天線技術(shù)的系統(tǒng)，采用多個(gè)TX 和 RX，可將一個(gè)數(shù)據(jù)流拆分開(kāi)來(lái)通過(guò)多個(gè)獨(dú)立的天線系統(tǒng)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(dāng)TX段有多個(gè)個(gè)天線進(jìn)行發(fā)送，而RX段也有多個(gè)天線進(jìn)行接收時(shí)，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?？辗窒到y(tǒng)，因?yàn)橛卸鄺l流存在，各個(gè)數(shù)據(jù)流之間會(huì)有干擾現(xiàn)象，會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量下降，因此這種系統(tǒng)需要radio 部分的對(duì)多流的信號(hào)進(jìn)行特別處理。采用MIMO技術(shù)后，系統(tǒng)典型空口速率會(huì)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(duì)比情況。
2. 估算場(chǎng)館需要的AP數(shù)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(jù)容納觀眾的不同大概需要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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，例如瀏覽網(wǎng)頁(yè)、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(shí)際應(yīng)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(yīng)用下，同時(shí)接入WIFI AP網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)數(shù)目和使用高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶(hù)群體都有所區(qū)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(shù)目就可以簡(jiǎn)單計(jì)算出來(lái)。
而根據(jù)每個(gè)AP覆蓋的用戶(hù)數(shù)目和場(chǎng)館實(shí)際的座位大小，就可以推導(dǎo)出來(lái)AP 天線的覆蓋區(qū)域。802.11n 2.4頻段有13個(gè)信道，每個(gè)信道彼此交錯(cuò)，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(chǎng)合，因?yàn)楣ぷ髟谙嗤诺赖腁P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(shè)計(jì)良好的天線，AP之間互相干擾的情況是很?chē)?yán)重，每個(gè)AP會(huì)花費(fèi)大量的資源處理相鄰信道的干擾信號(hào)。所以，特殊設(shè)計(jì)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(jì)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(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，控制天線方向圖以降低對(duì)鄰近AP的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度。控制天線方向圖即希望天線能有一個(gè)窄帶的覆蓋范圍，即每個(gè)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(gè)天線的用戶(hù)數(shù)量，從而降低干擾。這里有相互矛盾的地方：
?。?） 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(shí)際的應(yīng)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)視野的天線存在。而且，每個(gè)體育館有自己特有的工業(yè)設(shè)計(jì)，天線需要部署在體育館中，天線自身的工業(yè)設(shè)計(jì)和體育館的工業(yè)設(shè)計(jì)也需要可以很好的吻合。
圖8
?。?） 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(duì)用戶(hù)是存在潛在影響的。北美FCC委員會(huì)規(guī)定，空間無(wú)線電磁場(chǎng)強(qiáng)度不能超過(guò)規(guī)定值。而理想的窄帶覆蓋效果下，天線的增益會(huì)很大，再加上AP的輻射功率，有可能超過(guò)FCC規(guī)定。
因此，實(shí)際應(yīng)用中，必須在天線的增益、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(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(gè)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(huì)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(jì)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(duì)空間有限的場(chǎng)景應(yīng)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(shè)計(jì)會(huì)面臨幾個(gè)嚴(yán)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(dǎo)致的反射造成方向圖變形。
應(yīng)用案例：
近年來(lái)PCTEL為全球多個(gè)著名場(chǎng)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(chǎng)館包括：Cowboys Stadium， Stanford Field， Wrigley Field， 和 XCEL Arena 等，完美的支持了實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)類(lèi)應(yīng)用，例如舉行在Dallas Cowboys‘ Stadium的Cotton Bowl，2011年2月6號(hào)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(jì)，波瓣寬度和增益都為高密度接入場(chǎng)景特殊設(shè)計(jì)，并且經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)。外殼材料外用UL 94V-0的防火材料，滿(mǎn)足高密度接入應(yīng)用的諸多設(shè)計(jì)要求。
圖9