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4G移動通信室內(nèi)覆蓋MIMO移頻系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)論文
國家正式向外發(fā)放4G業(yè)務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)三家最大通信運營商全面鋪設4G通信網(wǎng)絡以實現(xiàn)全向覆蓋，在網(wǎng)絡設施建設和用戶群體規(guī)模都得到迅速增長。在2014年10月末時間點，中國移動公司建設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，進入2015年預測可增至15000萬人。現(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)點吸引，各大運營都在全力爭取4G通信用戶，其工作重點是消滅通信盲區(qū)，通信業(yè)務量有70%比例是通過室內(nèi)通信網(wǎng)絡產(chǎn)生，所以實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡全覆蓋己經(jīng)成為最急迫工作。
1室內(nèi)覆蓋背景和目標
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)絡也提出更高要求�，F(xiàn)在國內(nèi)通信網(wǎng)絡覆蓋形勢是，2G通信和3G通信在室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡建設己經(jīng)非常完善，但是4G通信網(wǎng)絡建設還存在很大缺點。4G通信室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡建設需要實現(xiàn)以下目標：
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)絡建設要完成工作非常繁重。
1.2增強室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡信號
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)生嚴重衰減，使無線電傳輸信道超負荷。
1.3負擔通信業(yè)務和擴充系統(tǒng)同時進行業(yè)務容量
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，可是城市內(nèi)建筑物結(jié)構(gòu)復雜人員群體密度大，必須要有建設完善室內(nèi)通信網(wǎng)絡向用戶提供服務，其中重點是建筑物中業(yè)務量非常集中巨大區(qū)域，包括商務辦公樓，酒店賓館，超級市場，醫(yī)院建筑，學校學院，會議展覽中心等，它們都是要求重點建設場所區(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，并實現(xiàn)與上級通信網(wǎng)的匯集，因此必須以OTN技術(shù)要求為基礎，實現(xiàn)分級傳輸網(wǎng)的構(gòu)建和應用。電力通信網(wǎng)若采用OTN技術(shù)，基于傳輸網(wǎng)絡層面來說，能夠分成骨干、匯聚和接入三大部分，并基于臨建的變電站，實現(xiàn)電力通信傳輸網(wǎng)的構(gòu)建和應用。應當以OTN技術(shù)作為指導，實現(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，OTN技術(shù)會選擇最為合理的組網(wǎng)方式。以Mesh為例，可以實現(xiàn)光纖資源的最大化利用，并實現(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)的應用，就是以業(yè)務模式向光方向發(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，應用在電力通信網(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、社會的發(fā)展，有著極其重要的影響。由于OTN技術(shù)當前己相對成熟，且具有較強的靈活性、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)濟投入的前提下，實現(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)中的應用，實現(xiàn)大容量業(yè)務的承載，提升電力通信網(wǎng)運行的可靠性和穩(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、應用和特點，并結(jié)合自身特點，予以創(chuàng)新和優(yōu)化，以便讓OTN技術(shù)更好的融入和應用到電力通信網(wǎng)中，在確保我國經(jīng)濟社會發(fā)展對于電力能源需求的基礎上，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。在間隔較遠天線陣列中應用此種技術(shù)可收獲良好效果，它能增強信號傳輸準確率。波形集束賦形又稱智能天線技術(shù)，主要應用于3GTD-SCDMA系統(tǒng)，它采用間隔近天線陣列對信號進行預先加工。它以空間信號通道相干性原理做為基礎，使用多重天線陣列產(chǎn)生波束干涉，形成波束具有強指向性以此產(chǎn)生賦形類型增益，它能夠增強信噪聲比，擴大通信作用距離來增強小范圍內(nèi)網(wǎng)絡系統(tǒng)通信效果。在4GLTE中只有專業(yè)導頻設備可應用波束賦形，在室內(nèi)網(wǎng)絡覆蓋不具有可行性�？臻g多址復用技術(shù)以空間信號通道弱相干性原理做為基礎，在多重互相隔離空間信號通道中使用非相干性天線設備，將多項內(nèi)容具有差別的單獨信號以并行方式進行發(fā)送和收集，以產(chǎn)生復用類型增益增加數(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行判別，同時可收集信號發(fā)射源空間特征。它運行原理是正確引導信號無線電波載體，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)絡連接，室內(nèi)環(huán)境分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)會將宏蜂窩設備做為信號源。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，可顯著減少運營費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)標準條件下可發(fā)揮優(yōu)勢。兩種接入技術(shù)共同點是，維修養(yǎng)護容易，可穩(wěn)定運行，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)指標其中受影響最嚴重是連接中斷率，所以在室內(nèi)環(huán)境網(wǎng)絡覆蓋中比較適合，因為室內(nèi)網(wǎng)絡通信業(yè)務數(shù)量較低。另外還要配套施建對應機房，設備價格高昂，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，施工需要耗費較長時間。
3.1.2微蜂窩
微蜂窩設備屬于微型體積通信基站，在微型化機箱內(nèi)集成全部設備部件，體積數(shù)值重量數(shù)值都遠低于宏蜂窩通信基站系統(tǒng)，所以它安放配置容易，可降低施工費用，減低建設難度，對外部環(huán)境有廣泛適應性，被廣泛應用成為室內(nèi)環(huán)境分布式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡信號來源。但是它發(fā)射信號功率要弱于宏蜂窩通信基站設備，作用距離較短，所以建筑物構(gòu)造會對其運行產(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)護難度，所以運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網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和語音通信質(zhì)量，可負擔部分宏通信基站語音通信業(yè)務，可與通信系統(tǒng)連接不會提高通信網(wǎng)絡復雜程度，在通信業(yè)務數(shù)量很大而且作用面積較大建筑物內(nèi)部應用比較適合。
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。直放站有建設成本低、安裝方便快捷、節(jié)省機房、電源等配套設備的優(yōu)點。它的成本要遠低于微蜂窩基站，可以很快的解決弱覆蓋區(qū)和覆蓋盲區(qū)。當然，直放站也有一定的缺點：
�、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的分布方式。而有源分布則是在無源分布的基礎上增加了有源器件干線放大器，從而補償無源器件產(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)必須合理進行鏈路預算，設計復雜，而且產(chǎn)生的損耗無法補償，所以只適用于中型區(qū)域覆蓋。通過加入功率補償，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)復雜的大型場景。但是由于引進了有源設備增加了維修工作，容易積累噪音，同時成本也有所提高。
可控性強、頻段寬、覆蓋均勻、兼容多系統(tǒng)是泄露電纜的特點。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，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重損耗的問題。它的優(yōu)點是傳輸損耗小，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端模塊，最后在遠端光電轉(zhuǎn)換還原信號以達到室內(nèi)覆蓋。它最大的優(yōu)點是損耗小，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。它的缺點是光電互換設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，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的網(wǎng)絡覆蓋顯得尤為重要，本文對4G通訊的關(guān)鍵技術(shù)以及室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)進行了詳細的分析，為4G的室內(nèi)覆蓋提供了理論依據(jù)。
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