室內(nèi)覆蓋中的MIMO技術(shù)應用研究

朱永平+李崇鞅

摘要：圍繞無線MIMO技術(shù)在室內(nèi)覆蓋中的應用，對MIMO信道容量，室內(nèi)信道建模、室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)等方面進行了研究。

Abstract： Around the application of wireless MIMO technology in indoor coverage， the MIMO channel capacity， indoor channel modeling， indoor coverage system and other aspects were studied.

關(guān)鍵詞：MIMO；室內(nèi)覆蓋；節(jié)能

Key words： MIMO；indoor coverage；energy saving

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）23-0131-03

0 引言

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)被認為是實現(xiàn)無線接入未來高速寬帶互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，70%以上的移動業(yè)務發(fā)生在室內(nèi)，運營商收入80%以上來自室內(nèi)，所以，室內(nèi)信號的質(zhì)量對未來的移動通信起著決定性作用。可以毫不夸張的說，誰占領(lǐng)了室內(nèi)市場，誰就能在將來的競爭中獲勝。解決好MIMO在室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)中的運用，具有重要意義。

1 室內(nèi)不同環(huán)境下的模型參數(shù)

室內(nèi)覆蓋環(huán)境根據(jù)場所的不同主要分為家庭住宅、辦公室、賓館酒店、寫字樓、大型場館等。Tgn信道模型適用于2.4GHz和5GHz頻段，其應用場合比較廣，可以在家庭住宅、辦公室、酒店和展廳等環(huán)境中使用。在不同的應用場合當中，室內(nèi)傳播具有不同的信道傳播模型，如表1所示。Tgn信道模型分類具體如下：模型A：0ns rms時延擴展；模型B：15ns rms時延擴展；模型C：30ns rms時延擴展；模型D：50ns rms時延擴展；模型E：100 ns rms時延擴展；模型F：150 ns rms時延擴展。Tgn信道模型的其他參數(shù)可以從Tgn標準文獻中獲得。

各類信道模型的路徑損耗參數(shù)如表2所示。

2 MIMO在室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)中的應用方案

為了盡可能的減少不同系統(tǒng)之間的相互干擾，又能充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，合理的管理無線資源，解決大型室內(nèi)環(huán)境中因流動造成的突發(fā)影響等諸多問題，借助軟件無線電的思想，借助MIMO特性，現(xiàn)提出室內(nèi)覆蓋解決方案如下：

數(shù)字式傳輸系統(tǒng)+數(shù)字計算與處理平臺+MIMO天線。

所有信號通過現(xiàn)有的數(shù)字傳輸系統(tǒng)（包括英特網(wǎng)，數(shù)字電視網(wǎng)，固定和移動通信網(wǎng)等）傳輸?shù)揭孕^(qū)為單位的數(shù)字計算與處理平臺上（計算機以及DSP和FPGA等處理平臺）經(jīng)過處理的信號，傳送到離目標客戶最近的MIMO天線上面，可以根據(jù)用戶的狀態(tài)信息動態(tài)調(diào)整資源的分配（數(shù)據(jù)率和功率）以及最優(yōu)的傳輸方式。

這樣可以最大限度的利用現(xiàn)有的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，不用過多的更新硬件設(shè)備資源。

數(shù)字計算和處理平臺通過軟件切換和FPGA的代碼擦寫和升級，實現(xiàn)根據(jù)用戶的終端設(shè)備動態(tài)提供特有的服務。比如，在某一時間學校某個教室中用的大部分是GSM的手機，則計算中心就找到GSM手機協(xié)議的相關(guān)代碼，切換或者重新擦寫FPGA的服務代碼，這樣數(shù)字信息就可以轉(zhuǎn)化為GSM的數(shù)字信號送到MIMO天線端，發(fā)給用戶使用；過了一段時間下課了，來該教室上課的人換了，新來的用戶他們使用的是3G手機，還有手提電腦的無線上網(wǎng)，那么計算中心同樣根據(jù)用戶的請求，切換成為3G和無線網(wǎng)的服務代碼；對于同時具有GSM和3G的情況，同樣可以根據(jù)用戶等級和用戶量的大小決定資源的分配。

對于突發(fā)問題也能得到有效的解決。通過調(diào)制運用數(shù)據(jù)的帶寬和資源的分配即可有效解決突發(fā)用戶的增加。用戶是動態(tài)的，對用戶的服務量也可以根據(jù)用戶的需要，進行動態(tài)的調(diào)整。由于三大數(shù)據(jù)系統(tǒng)是可以相互使用的，這樣可以充分利用閑置的資源提供服務。

3 MIMO室內(nèi)覆蓋信道容量仿真分析

對于仿真參數(shù)的選取如下：信噪比ρ=10db，采用室內(nèi)辦公環(huán)境，其傳播路徑損耗因子為2.6，天線采用為3×3MIMO，發(fā)射矩陣和接收矩陣給出的參數(shù)如下：

通過重復仿真5000次，得到容量的累積分布函數(shù)與容量的關(guān)系圖，如圖1～圖5所示。

圖2顯示的是有直射LOS信道和散射NLOS信道同時存在時，信道容量的累積分布情況，散射NLOS信道的分量越占比越大則系統(tǒng)的容量越大，其原因是散射NLOS傳播時，信道的相關(guān)性比較低，因此信道相關(guān)矩陣的特征值比較大，分布比較密集，從而能夠支持多個并行的子信道。

此外，對比圖1與圖2我們發(fā)現(xiàn)，在只有散射NLOS信道存在時的信道容量，沒有直射LOS與散射NLOS信道同時存在時的信道容量大。其主要原因在于實際的信道并不是獨立同分布（IID）瑞利信道，只存在很少特征傳輸信道，因而無法大幅提高MIMO傳輸系統(tǒng)的容量。

從圖3和圖4兩個圖形的分析可以看出，在LOS信道秩為1時，在只有LOS信道存在時，系統(tǒng)的容量沒有很大的變化，而當有NLOS和LOS信道同時存在的時候，LOS信道秩為1，系統(tǒng)的信道容量均有減小的趨勢。

從圖5可以看出，系統(tǒng)的容量隨著信道矩陣元素陰影衰落標準差（由傳播信道中的散射引起，其大小與不同路徑上的信號混亂程度有關(guān)）的增大，系統(tǒng)的容量就越趨近分散和不確定。

4 結(jié)語

通過對室內(nèi)信道模型的信道容量累積分布仿真分析，得出NLOS和LOS信道同時存在時，系統(tǒng)的信道容量與室內(nèi)散射體的豐富程度成正相關(guān)，散射分量越多，系統(tǒng)的信道容量越大，信道相關(guān)性越大，系統(tǒng)的容量就越小。同時，對于相關(guān)性很小的收發(fā)矩陣，也有可能使得信道矩陣的特征值減少，系統(tǒng)容量也較小，這能合理的解釋室內(nèi)的針孔信道效應。

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