4G移動通信室內(nèi)覆蓋MIMO移頻系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)論文
國家正式向外發(fā)放4G業(yè)務(wù)許可牌照的時間是在2013年12月4日，發(fā)放部門是工業(yè)信息產(chǎn)業(yè)部，從此國內(nèi)三家最大通信運(yùn)營商全面鋪設(shè)4G通信網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)全向覆蓋，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)和用戶群體規(guī)模都得到迅速增長。在2014年10月末時間點(diǎn)，中國移動公司建設(shè)TD-LTE通信基站數(shù)量是57萬個，4G通信用戶數(shù)量超過5000萬人，進(jìn)入2015年預(yù)測可增至15000萬人�，F(xiàn)在4G用戶數(shù)量巨大主要是被4G通信高速傳送數(shù)據(jù)和連接穩(wěn)定優(yōu)點(diǎn)吸引，各大運(yùn)營都在全力爭取4G通信用戶，其工作重點(diǎn)是消滅通信盲區(qū)，通信業(yè)務(wù)量有70%比例是通過室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，所以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)全覆蓋己經(jīng)成為最急迫工作。
1室內(nèi)覆蓋背景和目標(biāo)
移動通信技術(shù)至今己經(jīng)歷四個時代，移動數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量顯著提高，用戶對通信網(wǎng)絡(luò)也提出更高要求�，F(xiàn)在國內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋形勢是，2G通信和3G通信在室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)建設(shè)己經(jīng)非常完善，但是4G通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)還存在很大缺點(diǎn)。4G通信室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：
1.1消除建筑物之間信號空白區(qū)
城市內(nèi)建筑物密度高，使用多種類型建筑材料，在密集復(fù)雜建筑物群體中會極大降低用戶通信質(zhì)量，信號在少數(shù)高大建筑物的高層位置狀態(tài)變動較大，所以室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要完成工作非常繁重。
1.2增強(qiáng)室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)信號
建筑物室內(nèi)構(gòu)造有著多種形態(tài)，建筑物會使用屏蔽性能和吸收性能較好的材料制造，會使無線電信號在傳輸過程產(chǎn)生嚴(yán)重衰減，使無線電傳輸信道超負(fù)荷。
1.3負(fù)擔(dān)通信業(yè)務(wù)和擴(kuò)充系統(tǒng)同時進(jìn)行業(yè)務(wù)容量
農(nóng)業(yè)鄉(xiāng)村地區(qū)和室外平坦開放環(huán)境中通信信號很強(qiáng)，可是城市內(nèi)建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜人員群體密度大，必須要有建設(shè)完善室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)向用戶提供服務(wù)，其中重點(diǎn)是建筑物中業(yè)務(wù)量非常集中巨大區(qū)域，包括商務(wù)辦公樓，酒店賓館，超級市場，醫(yī)院建筑，學(xué)校學(xué)院，會議展覽中心等，它們都是要求重點(diǎn)建設(shè)場所區(qū)域。
24G移動通訊關(guān)鍵技術(shù)
電力通信網(wǎng)由于行業(yè)的特殊性，承載了類型繁多、數(shù)量龐大的IP業(yè)務(wù)，并實(shí)現(xiàn)與上級通信網(wǎng)的匯集，因此必須以O(shè)TN技術(shù)要求為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)分級傳輸網(wǎng)的構(gòu)建和應(yīng)用。電力通信網(wǎng)若采用OTN技術(shù)，基于傳輸網(wǎng)絡(luò)層面來說，能夠分成骨干、匯聚和接入三大部分，并基于臨建的變電站，實(shí)現(xiàn)電力通信傳輸網(wǎng)的構(gòu)建和應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)以O(shè)TN技術(shù)作為指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)各級電力傳輸通信網(wǎng)到骨干傳輸網(wǎng)的有效接入和匯集。針對電力通信網(wǎng)的大顆粒業(yè)務(wù)，OTN技術(shù)會選擇最為合理的組網(wǎng)方式。以Mesh為例，可以實(shí)現(xiàn)光纖資源的最大化利用，并實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)方式匹配性和靈活性的最大化�？偟膩碚f，OTN技術(shù)的應(yīng)用，就是以業(yè)務(wù)模式向光方向發(fā)展和拓展、提升電力通信網(wǎng)傳輸網(wǎng)傳輸速率和光纖利用效率、促進(jìn)電力通信網(wǎng)調(diào)度的靈活性、豐富電力通信網(wǎng)承載業(yè)務(wù)的多樣性和可靠性為根本目的。OTN技術(shù)所呈現(xiàn)出的多樣性和靈活性特點(diǎn)，應(yīng)用在電力通信網(wǎng)中，可以有效避免單一性對電力通信網(wǎng)應(yīng)用效率的不利影響。
電力通信網(wǎng)的發(fā)展，對于我國電力行業(yè)的發(fā)展，乃至我國經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展，有著極其重要的影響。由于OTN技術(shù)當(dāng)前己相對成熟，且具有較強(qiáng)的靈活性、構(gòu)成簡單，因而能夠有效滿足我國電力通信網(wǎng)的組網(wǎng)和應(yīng)用要求。同時，OTN技術(shù)極其的兼容性，能夠在不大幅增加經(jīng)濟(jì)投入的前提下，實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)的'升級和優(yōu)化。通過其在各級電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)大容量業(yè)務(wù)的承載，提升電力通信網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。這就對我國電力企業(yè)提出了更高的要求，必須充分掌握和了解OTN技術(shù)的概念、應(yīng)用和特點(diǎn)，并結(jié)合自身特點(diǎn)，予以創(chuàng)新和優(yōu)化，以便讓OTN技術(shù)更好的融入和應(yīng)用到電力通信網(wǎng)中，在確保我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對于電力能源需求的基礎(chǔ)上，加快我國電力行業(yè)的發(fā)展。
通信技術(shù)?CommunicationsTechnologyMIMO多路輸入多路輸出技術(shù)是使用發(fā)射天線陣列與接收天線陣列進(jìn)行空間分配收集，每個天線陣列都包含數(shù)量不等天線，4G通信利用此種技術(shù)可顯著增加系統(tǒng)工作容量。4GLTE通信系統(tǒng)中采用MIMO技術(shù)依據(jù)天線配置形式可分為三種類型，它們是發(fā)射分配收集，波形集束賦形，空間多址復(fù)用。發(fā)射分配收集技術(shù)根據(jù)多天線非相干性原理完成，相同信號經(jīng)由不同信號通道向外發(fā)送產(chǎn)生多種信號不同變體，接收天線收集多種信號，它們自身衰減特征都有區(qū)別，因此可于廣域頻譜中取得分配收集增益，它能消除信號通道衰減提高通信質(zhì)量。在間隔較遠(yuǎn)天線陣列中應(yīng)用此種技術(shù)可收獲良好效果，它能增強(qiáng)信號傳輸準(zhǔn)確率。波形集束賦形又稱智能天線技術(shù)，主要應(yīng)用于3GTD-SCDMA系統(tǒng)，它采用間隔近天線陣列對信號進(jìn)行預(yù)先加工。它以空間信號通道相干性原理做為基礎(chǔ)，使用多重天線陣列產(chǎn)生波束干涉，形成波束具有強(qiáng)指向性以此產(chǎn)生賦形類型增益，它能夠增強(qiáng)信噪聲比，擴(kuò)大通信作用距離來增強(qiáng)小范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信效果。在4GLTE中只有專業(yè)導(dǎo)頻設(shè)備可應(yīng)用波束賦形，在室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不具有可行性�？臻g多址復(fù)用技術(shù)以空間信號通道弱相干性原理做為基礎(chǔ)，在多重互相隔離空間信號通道中使用非相干性天線設(shè)備，將多項內(nèi)容具有差別的單獨(dú)信號以并行方式進(jìn)行發(fā)送和收集，以產(chǎn)生復(fù)用類型增益增加數(shù)據(jù)傳輸速率。
2.2智能天線技術(shù)
智能天線基礎(chǔ)是智能程序算法，它使用的天線陣列位置保持固定不變，天線對天信號傳送指向進(jìn)行判別，同時可收集信號發(fā)射源空間特征。它運(yùn)行原理是正確引導(dǎo)信號無線電波載體，形成空間波形集束將其指向方位固定，使信號接收端做為波形集束主體傳輸方向，由旁瓣或者零陷指向干擾源空間方向。它優(yōu)勢是可充分利用移動通信信號，可消除或者壓制干擾源發(fā)射波束，可獲得多項性能增益其中有抵抗多路徑衰落，增加數(shù)據(jù)傳輸速率，擴(kuò)大系統(tǒng)工作容量，充分利用頻譜資源等。
3室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)組成
3.1信號源
3.1.1宏蜂窩
宏蜂窩設(shè)備做為通信基站可覆蓋范圍面積比較大。它獲得信號方式是經(jīng)由周圍宏蜂窩通信基站或者是耦合器分路器，隨后與室內(nèi)環(huán)境分布式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，室內(nèi)環(huán)境分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)會將宏蜂窩設(shè)備做為信號源。耦合器連接技術(shù)具有優(yōu)勢是屏蔽信號向外泄露排斥干擾信號，而且安裝施工簡易快速，可顯著減少運(yùn)營費(fèi)用同時體積小只占用很小空間，而通信基站連接技術(shù)在建筑物與通信基站間隔符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)條件下可發(fā)揮優(yōu)勢。兩種接入技術(shù)共同點(diǎn)是，維修養(yǎng)護(hù)容易，可穩(wěn)定運(yùn)行，有效消除干擾信號，施加控制操作方法簡單等。但是它會降低宏蜂窩基站技術(shù)指標(biāo)其中受影響最嚴(yán)重是連接中斷率，所以在室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)覆蓋中比較適合，因為室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)數(shù)量較低。另外還要配套施建對應(yīng)機(jī)房，設(shè)備價格高昂，移動困難不易改變布局，需要分配專用傳輸信道，建造安裝難度大，施工需要耗費(fèi)較長時間。
3.1.2微蜂窩
微蜂窩設(shè)備屬于微型體積通信基站，在微型化機(jī)箱內(nèi)集成全部設(shè)備部件，體積數(shù)值重量數(shù)值都遠(yuǎn)低于宏蜂窩通信基站系統(tǒng)，所以它安放配置容易，可降低施工費(fèi)用，減低建設(shè)難度，對外部環(huán)境有廣泛適應(yīng)性，被廣泛應(yīng)用成為室內(nèi)環(huán)境分布式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號來源。但是它發(fā)射信號功率要弱于宏蜂窩通信基站設(shè)備，作用距離較短，所以建筑物構(gòu)造會對其運(yùn)行產(chǎn)生較大干擾，另外微蜂窩通信基站工作環(huán)境主要在室外環(huán)境，會增加維修養(yǎng)護(hù)難度，所以運(yùn)行可靠性要低于宏蜂窩通信基站。將信號來源定為微蜂窩基站有利于增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和語音通信質(zhì)量，可負(fù)擔(dān)部分宏通信基站語音通信業(yè)務(wù)，可與通信系統(tǒng)連接不會提高通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度，在通信業(yè)務(wù)數(shù)量很大而且作用面積較大建筑物內(nèi)部應(yīng)用比較適合。
3.1.3直放站
有一種信號中繼站叫做直放站，它是用在基站信號特別弱的地區(qū)。直放站本身不提供容量，它是通過接收和轉(zhuǎn)發(fā)基站和移動臺之間的信號，將室外信號引入室內(nèi)，并且能夠根據(jù)需要進(jìn)行放大，通過這種方式為室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)提供信號源。直放站有建設(shè)成本低、安裝方便快捷、節(jié)省機(jī)房、電源等配套設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。它的成本要遠(yuǎn)低于微蜂窩基站，可以很快的解決弱覆蓋區(qū)和覆蓋盲區(qū)。當(dāng)然，直放站也有一定的缺點(diǎn)：
�、倥c前三種信號源相比，覆蓋能力較弱;
�、谏闲性胍羧菀滋镜自雽χ車編砀蓴_，造成話音質(zhì)量相對較差;
�、鄹采w面積有限，不能增加系統(tǒng)容量。因此，直放站適用于沒有基站覆蓋、話務(wù)質(zhì)量要求不高的室內(nèi)環(huán)境。
3.2天饋系統(tǒng)
除了信號源之外，室內(nèi)分布系統(tǒng)還有還有另一組成部分天饋系統(tǒng)。天饋系統(tǒng)由饋線、干線放大器、合路器、功分器和稱合器等組成。饋線用來傳輸信號，再利用功分器和稱合器等無源器件把信號分離，這樣就能使信號源均勻覆蓋室內(nèi)了。天饋系統(tǒng)根據(jù)傳輸介質(zhì)不一樣可以分為泄露電纜分布式、光纖分布式等。
根據(jù)中繼方式的不同同軸電纜分布式又分為無源分布式和有源分布式。信號從信源到達(dá)覆蓋區(qū)的天線只需要經(jīng)過功分器、耦合器、饋線電纜的傳輸方式就叫無源分布式。無源分布是一種最簡單最基礎(chǔ)的分布方式。而有源分布則是在無源分布的基礎(chǔ)上增加了有源器件干線放大器，從而補(bǔ)償無源器件產(chǎn)生的插入損耗，以滿足更大范圍的覆蓋需求。由于不需要供電，所以無源分布系統(tǒng)容易維修、安裝方便、成本低廉。但是因為無源系統(tǒng)必須合理進(jìn)行鏈路預(yù)算，設(shè)計復(fù)雜，而且產(chǎn)生的損耗無法補(bǔ)償，所以只適用于中型區(qū)域覆蓋。通過加入功率補(bǔ)償，有源分布系統(tǒng)克服了無源分布系統(tǒng)覆蓋范圍小的問題，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型場景。但是由于引進(jìn)了有源設(shè)備增加了維修工作，容易積累噪音，同時成本也有所提高。
可控性強(qiáng)、頻段寬、覆蓋均勻、兼容多系統(tǒng)是泄露電纜的特點(diǎn)。它適用于地鐵、隧道等長條形固定環(huán)境。但是泄露電纜也有缺點(diǎn)，成本太高、耗損較大、傳輸距離短。由于受施工和成本的限制，泄露電纜一般不用于大樓內(nèi)的室內(nèi)覆蓋。綜合應(yīng)用光纖、五類線和同軸電纜的五類線分布系統(tǒng)有效的克服了同軸電纜對信號嚴(yán)重?fù)p耗的問題。它的優(yōu)點(diǎn)是傳輸損耗小，對不同頻率的損耗是一樣的，支持多個系統(tǒng)共享接入，對信號源的發(fā)射功率要求低，比同軸電纜占用空間小，施工簡單，機(jī)房選址更加靈活。光纖分布系統(tǒng)是在信號源處通過電光變換，將射頻信號轉(zhuǎn)換為光信號。再通過光纖將信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)端模塊，最后在遠(yuǎn)端光電轉(zhuǎn)換還原信號以達(dá)到室內(nèi)覆蓋。它最大的優(yōu)點(diǎn)是損耗小，因此適用于大覆蓋面積建筑或者是布線困難的分布式建筑。它的缺點(diǎn)是光電互換設(shè)備和光纖本身成本較高并且對通道的隔離度有很高的要求。
我國4G業(yè)務(wù)許可牌照的發(fā)放是在2013年開始的，到現(xiàn)在為止用戶得到大規(guī)模的提升，很多用戶都是被其超高的傳送速度和穩(wěn)定連接所青睞。因此，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)覆蓋顯得尤為重要，本文對4G通訊的關(guān)鍵技術(shù)以及室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為4G的室內(nèi)覆蓋提供了理論依據(jù)。
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