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摘要：从2013年12月4日工信部把4G牌照发放开始，三大运营商已全面展开关于4G网络全方位的覆盖，在用户规模和网络建设上都取得了一些成绩。截止到2014年10月底，中国移动已经建成了57万个TD-LTE基站，4G用户已经突破了5000万，预计2015年整年能够达到1.5亿用户。在大量用户对4G的高速稳定和传输网络追捧和运营商的用户争夺背景下，能以提供出更好的无缝覆盖体验，特别是占据业务量70%的室内覆盖建设已经成为当务之急。
关键词：4G；关键技术；MIMO；室内覆盖
移动通信技术起源于1897年的马可尼第一次无线通信实验，它的发展分为下面几个阶段：第一代（1G）移动通信的特点单单只是提供语音业务，只能够实现短途区域的通信，而且模拟系统频谱效率比较低，抗干扰性比较差，保密性也不够好。第二代（2G）蜂窝移动通信系统是在第一代主要的语音业务基础之上，增加了为数不多的低速数据业务，但是没有能够解决第一代通信语音质量不好的问题，并且新增的数据业务并不能够满足于用户的需求、频谱利用率很低。第三代（3G）移动通信系统能够实现很多业务，它的速率虽然有较大的提高，但依然不能够满足用户对于高速率与业务多样性的要求。第四代（4G）移动通信系统根据矛盾和寻求而产生，其有关最新技术对数据传输速率大大提高了，为承载的多种业务提供了更好的发展基础。
一、4G移动通信的关键技术
1、正交频分复用OFDM
OFDM作为4G移动通信系统中的核心技术，它是属于多载波调制，用OFDM来对多载波调制基本思想的实现，把高速串行的数据流经过串并的变化转换成为并行的低速数据流，平行的子数据流调制为不同的载波再叠加进行发送，各个子载波上的信号互相正交，这对提高频谱效率有着十分显著的作用，并且具有比较强的抗窄带干扰能力，可以有效的对抗多径信道时延的扩展。因为每个子信道的带宽要小于划分信道的相关带宽，带宽够小，每一个子信道近似经历了平衰落，这样就大大的减少了符号之间干扰。并且通过采用循环前缀可以解决子载波之间的干扰问题。OFDM的优点十分适合4G高速数据业务的需求，但是也有一些缺点，例如，为避免码间的干扰采用的有关技术，导致对频率偏移与相位噪声的敏感；因为多个子载波的叠加，当多个信号的相位相同时，叠加信号的峰值功率就远远大于平均的功率，使系统对放大器的非线性敏感。
2、MIMO
MIMO（multiple input multiple output）指的是多输入多输出，是利用多个接收天线、多个发射天线来实现空间分集的技术，它可以有效的提高4G系统的容量。其原理示意图如图所示：
MIMO原理示意图
4G LTE中MIMO技术是根据天线部署的方式，主要包括有波束赋形、发射分集与空间复用这三种方式实现发射分集，利用天线间的非相关性来实现的，相同信息根据多个信道发送不同的版本，在接收端能够获得多个通过不同衰落信号，在频域上获得分集增益用此能够克服信道衰落、对信号的传输质量改善。此方法比较适用于大间距的天线阵，能够更好的保证接收的正确性。波束赋形也被称作智能天线，已在3G TD-SCDMA中有所应用，是可以利用小间距天线阵列的信号预处理的一种技术。其具体实现原理，是能够利用空间信道的强相关性，经过多个天线阵元波的干涉，发生指定方向的波束从而获得赋形增益，并且提高信噪比、增加覆盖的范围从而能够改善小区覆盖。关于4GLTE，波束赋形仅仅支持专业导频，但对于室内覆盖场景不适用。空分复用是通过利用空间信道弱相关性，根据非相关的天线在多个互相独立的空间信道之上，并行接收与发射多个内容不相同的数据流，以此来获得复用增益，提高数据。此技术较为适用于单用户峰值速率要求比较高的场景，在室内覆盖比较适用。4GLTE系统采用的是双极化天线，实现2发2收或者是8发2收。
3、智能天线技术
智能天线指的是用智能算法作为核心根据过固定天线单元对信号的方向性判定，同时能够获取信号源位置特性的一种天线阵列。它的实现原理就是通过准确导向无线电信号，出现固定方向的空间波束，使它的主波束能够指向用户信号到达的方向，从而让旁瓣或者是零陷对准干扰信号到达的方向。它的优点是对移动用户信号可以高效的利用，而且对干扰信号可以有效抑制或删除。它性能效益表现在很多方面，比如增加系统容量、支持高数据速率、抗多径袞落、提高频谱效率等等。
二、室内覆盖系统组成
1、信号源
信号源指的是室内覆盖系统的信号来源，4G LTE室内分布系统信号源有较多种选择，比如微蜂窝、宏蜂窝、BBU（Base Band Unit）+RRU（Remote RF Unit）与直放站。室内覆盖系统信号源选择时，要对系统容量、覆盖质量、覆盖范围以
及投入成本的要求进行综合考虑。信号源的分类见下：
（1）宏蜂窝
宏蜂窝是属于覆盖半径比较大的一个基站。直接通过从附近的宏蜂窝基站或者通过分路器或耦合器间接获取的信号接入室内分布系统，使宏蜂窝为室内分布系统的信源。耦合的接入方式优点是可以排除泄露避免干扰，并且施工方便，能够有效降低成本，占地面积也比较小，直接接入方式较为适用于建筑物与基站距离较为适当的情况。两种接入方式都具有干扰小、维护方便、可靠性高和管理方便的优点。但对宏基站的指标特别是掉话率产生影响，所以只能适用话务量不高的室内覆盖。而且需要为之建设配套的机房，设备的成本非常昂贵，并且不容易搬动，灵活性较差，还要有专门传输通路，建设周期长、施工麻烦。
（2）微蜂窝
微蜂窝是微型化的一种基站，它把全部设备微缩在一个比较小的机箱内，体积重量比宏蜂窝基站设备要小，所以建设成本低、安装灵活、施工方便，并且对于环境的要求也不高，所以较为广泛的作为室内分布系统的信号源。
但是它与宏蜂窝相比覆盖范围小、发射功率低，所以受建筑结构影响较大，并且由于微蜂窝安装在室外维护不方便，所以可靠性不如宏蜂窝。
利用微蜂窝做信源对于通话质量和网络质量适当的提高，对于宏基站的话务量可以分担，能够直接加入系统，并且不增加整体网络的复杂性，在业务量较高且覆盖范围较大的建筑物内适用。
（3）BBU+RRU
BBU+RRU是分布式的一种基站，就是把传统基站的射频部分和基带独立开来，两个部分用光接口或电接口进行连接，其中基带部分是为BBU，射频部分是RRU。
BBU+RRU有下面一些优点：一是可以共享主基站基带信道的资源，资源的利用率较高，基带容量共享，容量是由BBU决定的并且能够按照需进行扩容；二是多通道的支持，可以提升系统容量并且能够降低终端的发射功率；三是方便监控，管理维护比较方便，能够按照话务量分布关闭部分时隙。缺点就是和室外宏站存在的切换关系，要对覆盖区域分区规划，从而确定合理切换带。此外，RRU需接电源，使建设成本增加了。此方案较为适用于高话务量与覆盖面积较大的场景，并且建筑附近有施主基站。
（4）直放站
直放站是信号中的一种继站，在基站信号过弱地区适用，其本身并不提供容量，通过转发和接收移动台与基站间的信号，把室外信号引入到室内，并按照需求放大，从而给室内覆盖系统提供信号源。
它的优点是安装方便快捷、建设成本低，并且节省电源、机房等配套设备，成本远远低于微蜂窝基站，能够快速解决覆盖盲区和弱覆盖区域。缺点是覆盖能力比较弱，不如之前三种信源；话音质量相对起来比较差，它的上行噪声很容易抬升基站底噪，导致对周围基站干扰；系统容量不能增加，而且覆盖面积也有限。只能适用于无基站覆盖、话务量低的室内环境。
2、天馈系统
室内分布系统除信号源，天馈系统是另一组成部分，即由干线、馈线、干线放大器、功分器、合路器和耦合器等器件组成的，根据馈线传输信号，利用耦合器、功分器等无源器对行信号进行分离，从而使信源信号能够均匀的覆盖在室内。
按照传输介质不同，天馈系统能够分为泄露电缆分布式、同轴电缆分布式、五类线分布式、光纤分布式等等。
同轴电缆分布式按照中继方式的不同，又分成有源分布式和无源分布式。无源分布是最基础最简单的一种分布方式，信号从信源到覆盖区域天线只用经过馈线电缆、耦合器、功分器一些无源器件。有源分布指的是在无源分布的基础之上增加有源器件干线的放大器，用来对无源器件产生的插入损耗进行补偿，并且满足更大范围覆盖的需求。无源分布系统因为不需要供电，所以说系统成本低廉、安装方便、容易维护，但必须要进行合理的链路预算，设计相对复杂，并且无源器件出现的损耗不能补偿，所以只对中小型区域覆盖适用。有源分布系统通过加入功率补偿就能够克服无源分布系统覆盖范围小的这个问题，比较适用结构复杂的大型场景，但有源设备的引入使维护工作增加，很容易累积噪声，并且增加成本。
泄露电缆具有覆盖均勾，频段宽，可控性强，兼容多系统的特点，适用于对隧道等长条形固定环境、地铁进行覆盖，但它的缺点是损耗较大，成本太高，传输距离较短，受成本和施工的限制通常不用在大楼内的室内覆盖。
五类线分布系统综合应用五类线、光纤与同轴电缆，能够有效的克服同轴电缆对于信号严重的损耗问题。它的优点是传输损耗较小，并且对于不同频率的损耗一致，能够支持多系统的共享接入，对于信号源的发射功率要求较低；施工相对简单，与同轴电缆占用空间相比，其占用空间小；由于信源能够远距离的集中放置，使机房在选址上，更加灵活。
光纤分布系统在信源处根据电光的变化把射频信号转换成光信号，再把光纤作为传输介质把信号传输至远端模块，再在远端光电转换还原信号，对室内实现 覆盖。它的最大优点就是损耗小，在布线困难的分布式建筑或是大覆盖面积建筑较为适用。缺点就是光电互换设备与光纤自身的成本就较高，并且对通道的隔离度要求也很高。
结语
4G室内覆盖要解决一些问题：（1）解决建筑物中的信号盲区。城市建筑较为密集，建筑材料相对复杂，移动通信在这些复杂建筑群中，会给用户带来极差的体验，一些个别的高层建筑高层信号存在不稳定的问题，有非常大的室内覆盖需求；（2）室内信号的弱覆盖。是因为室内环境的特殊性导致的，室内构造比较复杂，具有屏蔽作用和吸收功能的建筑材料对于无线电波有很大传输损耗，导致无线信道拥塞；（3）提高系统容量及分担话务。农村和其他开阔的地区室外覆盖较好，但城市内密集的人群、复杂的建筑都只能依靠良好的室内覆盖来对用户需求满足，特别是业务需求较为集中的建筑，比如宾馆、写字楼、医院、超市、校园等等，是重点要覆盖的区域。
参考文献：
[1]刘秉杭.移动通信室内信号覆盖站点监控系统的设计与实现[D].山东大学.2011.
[2]汪颖，程日涛，张海涛.TD-LTE室内分布系统规划设计思路和方法解析[J]电信工程技术与标准化2010，11：28-34.
[3]吴状群.多系统室内覆盖工程设计与优化[D].华南理工大学.
论文作者:李成真
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/7
标签：信号论文; 系统论文; 室内论文; 基站论文; 无源论文; 蜂窝论文; td-scdma论文; 《基层建设》2016年6期论文;