4G移动通信室内覆盖MIMO移频系统的设计与实现

　　国家正式向外发放4G业务许可牌照的时间是在2013年12月4日，发放部门是工业信息产业部，从此国内三家最大通信运营商全面铺设4G通信网络以实现全向覆盖，在网络设施建设和用户群体规模都得到迅速增长。在2014年10月末时间点，中国移动公司建设TD-LTE通信基站数量是57万个，4G通信用户数量超过5000万人，进入2015年预测可增至15000万人。现在4G用户数量巨大主要是被4G通信高速传送数据和连接稳定优点吸引，各大运营都在全力争取4G通信用户，其工作重点是消灭通信盲区，通信业务量有70%比例是通过室内通信网络产生，所以实现室内环境网络全覆盖己经成为最急迫工作。

　　1室内覆盖背景和目标

　　移动通信技术至今己经历四个时代，移动数据传输数量显著提高，用户对通信网络也提出更高要求。现在国内通信网络覆盖形势是，2G通信和3G通信在室内环境网络建设己经非常完善，但是4G通信网络建设还存在很大缺点。4G通信室内环境网络建设需要实现以下目标：

　　1.1消除建筑物之间信号空白区

　　城市内建筑物密度高，使用多种类型建筑材料，在密集复杂建筑物群体中会极大降低用户通信质量，信号在少数高大建筑物的高层位置状态变动较大，所以室内环境网络建设要完成工作非常繁重。

　　1.2增强室内环境网络信号

　　建筑物室内构造有着多种形态，建筑物会使用屏蔽性能和吸收性能较好的材料制造，会使无线电信号在传输过程产生严重衰减，使无线电传输信道超负荷。

　　1.3负担通信业务和扩充系统同时进行业务容量

　　农业乡村地区和室外平坦开放环境中通信信号很强，可是城市内建筑物结构复杂人员群体密度大，必须要有建设完善室内通信网络向用户提供服务，其中重点是建筑物中业务量非常集中巨大区域，包括商务办公楼，酒店宾馆，超级市场，医院建筑，学校学院，会议展览中心等，它们都是要求重点建设场所区域。

　　24G移动通讯关键技术

　　电力通信网由于行业的特殊性，承载了类型繁多、数量庞大的IP业务，并实现与上级通信网的汇集，因此必须以OTN技术要求为基础，实现分级传输网的构建和应用。电力通信网若采用OTN技术，基于传输网络层面来说，能够分成骨干、汇聚和接入三大部分，并基于临建的变电站，实现电力通信传输网的构建和应用。应当以OTN技术作为指导，实现各级电力传输通信网到骨干传输网的有效接入和汇集。针对电力通信网的大颗粒业务，OTN技术会选择最为合理的组网方式。以Mesh为例，可以实现光纤资源的最大化利用，并实现组网方式匹配性和灵活性的最大化。总的来说，OTN技术的应用，就是以业务模式向光方向发展和拓展、提升电力通信网传输网传输速率和光纤利用效率、促进电力通信网调度的灵活性、丰富电力通信网承载业务的多样性和可靠性为根本目的。OTN技术所呈现出的多样性和灵活性特点，应用在电力通信网中，可以有效避免单一性对电力通信网应用效率的不利影响。

　　电力通信网的发展，对于我国电力行业的发展，乃至我国经济、社会的发展，有着极其重要的影响。由于OTN技术当前己相对成熟，且具有较强的灵活性、构成简单，因而能够有效满足我国电力通信网的组网和应用要求。同时，OTN技术极其的兼容性，能够在不大幅增加经济投入的前提下，实现电力通信网的升级和优化。通过其在各级电力通信网中的应用，实现大容量业务的承载，提升电力通信网运行的可靠性和稳定性。这就对我国电力企业提出了更高的要求，必须充分掌握和了解OTN技术的概念、应用和特点，并结合自身特点，予以创新和优化，以便让OTN技术更好的融入和应用到电力通信网中，在确保我国经济社会发展对于电力能源需求的基础上，加快我国电力行业的发展。

　　通信技术•CommunicationsTechnologyMIMO多路输入多路输出技术是使用发射天线阵列与接收天线阵列进行空间分配收集，每个天线阵列都包含数量不等天线，4G通信利用此种技术可显著增加系统工作容量。4GLTE通信系统中采用MIMO技术依据天线配置形式可分为三种类型，它们是发射分配收集，波形集束赋形，空间多址复用。发射分配收集技术根据多天线非相干性原理完成，相同信号经由不同信号通道向外发送产生多种信号不同变体，接收天线收集多种信号，它们自身衰减特征都有区别，因此可于广域频谱中取得分配收集增益，它能消除信号通道衰减提高通信质量。在间隔较远天线阵列中应用此种技术可收获良好效果，它能增强信号传输准确率。波形集束赋形又称智能天线技术，主要应用于3GTD-SCDMA系统，它采用间隔近天线阵列对信号进行预先加工。它以空间信号通道相干性原理做为基础，使用多重天线阵列产生波束干涉，形成波束具有强指向性以此产生赋形类型增益，它能够增强信噪声比，扩大通信作用距离来增强小范围内网络系统通信效果。在4GLTE中只有专业导频设备可应用波束赋形，在室内网络覆盖不具有可行性。空间多址复用技术以空间信号通道弱相干性原理做为基础，在多重互相隔离空间信号通道中使用非相干性天线设备，将多项内容具有差别的单独信号以并行方式进行发送和收集，以产生复用类型增益增加数据传输速率。

　　2.2智能天线技术

　　智能天线基础是智能程序算法，它使用的天线阵列位置保持固定不变，天线对天信号传送指向进行判别，同时可收集信号发射源空间特征。它运行原理是正确引导信号无线电波载体，形成空间波形集束将其指向方位固定，使信号接收端做为波形集束主体传输方向，由旁瓣或者零陷指向干扰源空间方向。它优势是可充分利用移动通信信号，可消除或者压制干扰源发射波束，可获得多项性能增益其中有抵抗多路径衰落，增加数据传输速率，扩大系统工作容量，充分利用频谱资源等。

　　3室内覆盖系统组成

　　3.1信号源3.1.1宏蜂窝

　　宏蜂窝设备做为通信基站可覆盖范围面积比较大。它获得信号方式是经由周围宏蜂窝通信基站或者是耦合器分路器，随后与室内环境分布式数据网络连接，室内环境分布式数据系统会将宏蜂窝设备做为信号源。耦合器连接技术具有优势是屏蔽信号向外泄露排斥干扰信号，而且安装施工简易快速，可显著减少运营费用同时体积小只占用很小空间，而通信基站连接技术在建筑物与通信基站间隔符合技术标准条件下可发挥优势。两种接入技术共同点是，维修养护容易，可稳定运行，有效消除干扰信号，施加控制操作方法简单等。但是它会降低宏蜂窝基站技术指标其中受影响最严重是连接中断率，所以在室内环境网络覆盖中比较适合，因为室内网络通信业务数量较低。另外还要配套施建对应机房，设备价格高昂，移动困难不易改变布局，需要分配专用传输信道，建造安装难度大，施工需要耗费较长时间。

　　3.1.2微蜂窝

　　微蜂窝设备属于微型体积通信基站，在微型化机箱内集成全部设备部件，体积数值重量数值都远低于宏蜂窝通信基站系统，所以它安放配置容易，可降低施工费用，减低建设难度，对外部环境有广泛适应性，被广泛应用成为室内环境分布式数据网络信号来源。但是它发射信号功率要弱于宏蜂窝通信基站设备，作用距离较短，所以建筑物构造会对其运行产生较大干扰，另外微蜂窝通信基站工作环境主要在室外环境，会增加维修养护难度，所以运行可靠性要低于宏蜂窝通信基站。将信号来源定为微蜂窝基站有利于增强网络数据传输质量和语音通信质量，可负担部分宏通信基站语音通信业务，可与通信系统连接不会提高通信网络复杂程度，在通信业务数量很大而且作用面积较大建筑物内部应用比较适合。

　　3.1.3直放站

　　有一种信号中继站叫做直放站，它是用在基站信号特别弱的地区。直放站本身不提供容量，它是通过接收和转发基站和移动台之间的信号，将室外信号引入室内，并且能够根据需要进行放大，通过这种方式为室内覆盖系统提供信号源。直放站有建设成本低、安装方便快捷、节省机房、电源等配套设备的优点。它的成本要远低于微蜂窝基站，可以很快的解决弱覆盖区和覆盖盲区。当然，直放站也有一定的缺点：①与前三种信号源相比，覆盖能力较弱;②上行噪音容易抬升基站底噪对周围基站带来干扰，造成话音质量相对较差;③覆盖面积有限，不能增加系统容量。因此，直放站适用于没有基站覆盖、话务质量要求不高的室内环境。

　　3.2天馈系统

　　除了信号源之外，室内分布系统还有还有另一组成部分天馈系统。天馈系统由馈线、干线放大器、合路器、功分器和稱合器等组成。馈线用来传输信号，再利用功分器和稱合器等无源器件把信号分离，这样就能使信号源均匀覆盖室内了。天馈系统根据传输介质不一样可以分为泄露电缆分布式、光纤分布式等。

　　根据中继方式的不同同轴电缆分布式又分为无源分布式和有源分布式。信号从信源到达覆盖区的天线只需要经过功分器、耦合器、馈线电缆的传输方式就叫无源分布式。无源分布是一种最简单最基础的分布方式。而有源分布则是在无源分布的基础上增加了有源器件干线放大器，从而补偿无源器件产生的插入损耗，以满足更大范围的覆盖需求。由于不需要供电，所以无源分布系统容易维修、安装方便、成本低廉。但是因为无源系统必须合理进行链路预算，设计复杂，而且产生的损耗无法补偿，所以只适用于中型区域覆盖。通过加入功率补偿，有源分布系统克服了无源分布系统覆盖范围小的问题，适用于结构复杂的大型场景。但是由于引进了有源设备增加了维修工作，容易积累噪音，同时成本也有所提高。

　　可控性强、频段宽、覆盖均匀、兼容多系统是泄露电缆的特点。它适用于地铁、隧道等长条形固定环境。但是泄露电缆也有缺点，成本太高、耗损较大、传输距离短。由于受施工和成本的限制，泄露电缆一般不用于大楼内的室内覆盖。综合应用光纤、五类线和同轴电缆的五类线分布系统有效的克服了同轴电缆对信号严重损耗的问题。它的优点是传输损耗小，对不同频率的损耗是一样的，支持多个系统共享接入，对信号源的发射功率要求低，比同轴电缆占用空间小，施工简单，机房选址更加灵活。光纤分布系统是在信号源处通过电光变换，将射频信号转换为光信号。再通过光纤将信号传输到远端模块，最后在远端光电转换还原信号以达到室内覆盖。它最大的优点是损耗小，因此适用于大覆盖面积建筑或者是布线困难的分布式建筑。它的缺点是光电互换设备和光纤本身成本较高并且对通道的隔离度有很高的要求。

　　我国4G业务许可牌照的发放是在2013年开始的，到现在为止用户得到大规模的提升，很多用户都是被其超高的传送速度和稳定连接所青睐。因此，实现室内环境的网络覆盖显得尤为重要，本文对4G通讯的关键技术以及室内覆盖系统进行了详细的分析，为4G的室内覆盖提供了理论依据。