室内覆盖中的MIMO技术应用研究

朱永平+李崇鞅

摘要：围绕无线MIMO技术在室内覆盖中的应用，对MIMO信道容量，室内信道建模、室内覆盖系统等方面进行了研究。

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.

关键词：MIMO；室内覆盖；节能

Key words： MIMO；indoor coverage；energy saving

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）23-0131-03

0 引言

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术被认为是实现无线接入未来高速宽带互联网的关键技术。据统计，70%以上的移动业务发生在室内，运营商收入80%以上来自室内，所以，室内信号的质量对未来的移动通信起着决定性作用。可以毫不夸张的说，谁占领了室内市场，谁就能在将来的竞争中获胜。解决好MIMO在室内覆盖系统中的运用，具有重要意义。

1 室内不同环境下的模型参数

室内覆盖环境根据场所的不同主要分为家庭住宅、办公室、宾馆酒店、写字楼、大型场馆等。Tgn信道模型适用于2.4GHz和5GHz频段，其应用场合比较广，可以在家庭住宅、办公室、酒店和展厅等环境中使用。在不同的应用场合当中，室内传播具有不同的信道传播模型，如表1所示。Tgn信道模型分类具体如下：模型A：0ns rms时延扩展；模型B：15ns rms时延扩展；模型C：30ns rms时延扩展；模型D：50ns rms时延扩展；模型E：100 ns rms时延扩展；模型F：150 ns rms时延扩展。Tgn信道模型的其他参数可以从Tgn标准文献中获得。

各类信道模型的路径损耗参数如表2所示。

2 MIMO在室内覆盖系统中的应用方案

为了尽可能的减少不同系统之间的相互干扰，又能充分利用现有的网络资源，合理的管理无线资源，解决大型室内环境中因流动造成的突发影响等诸多问题，借助软件无线电的思想，借助MIMO特性，现提出室内覆盖解决方案如下：

数字式传输系统+数字计算与处理平台+MIMO天线。

所有信号通过现有的数字传输系统（包括英特网，数字电视网，固定和移动通信网等）传输到以小区为单位的数字计算与处理平台上（计算机以及DSP和FPGA等处理平台）经过处理的信号，传送到离目标客户最近的MIMO天線上面，可以根据用户的状态信息动态调整资源的分配（数据率和功率）以及最优的传输方式。

这样可以最大限度的利用现有的数字传输系统，不用过多的更新硬件设备资源。

数字计算和处理平台通过软件切换和FPGA的代码擦写和升级，实现根据用户的终端设备动态提供特有的服务。比如，在某一时间学校某个教室中用的大部分是GSM的手机，则计算中心就找到GSM手机协议的相关代码，切换或者重新擦写FPGA的服务代码，这样数字信息就可以转化为GSM的数字信号送到MIMO天线端，发给用户使用；过了一段时间下课了，来该教室上课的人换了，新来的用户他们使用的是3G手机，还有手提电脑的无线上网，那么计算中心同样根据用户的请求，切换成为3G和无线网的服务代码；对于同时具有GSM和3G的情况，同样可以根据用户等级和用户量的大小决定资源的分配。

对于突发问题也能得到有效的解决。通过调制运用数据的带宽和资源的分配即可有效解决突发用户的增加。用户是动态的，对用户的服务量也可以根据用户的需要，进行动态的调整。由于三大数据系统是可以相互使用的，这样可以充分利用闲置的资源提供服务。

3 MIMO室内覆盖信道容量仿真分析

对于仿真参数的选取如下：信噪比ρ=10db，采用室内办公环境，其传播路径损耗因子为2.6，天线采用为3×3MIMO，发射矩阵和接收矩阵给出的参数如下：

通过重复仿真5000次，得到容量的累积分布函数与容量的关系图，如图1～图5所示。

图2显示的是有直射LOS信道和散射NLOS信道同时存在时，信道容量的累积分布情况，散射NLOS信道的分量越占比越大则系统的容量越大，其原因是散射NLOS传播时，信道的相关性比较低，因此信道相关矩阵的特征值比较大，分布比较密集，从而能够支持多个并行的子信道。

此外，对比图1与图2我们发现，在只有散射NLOS信道存在时的信道容量，没有直射LOS与散射NLOS信道同时存在时的信道容量大。其主要原因在于实际的信道并不是独立同分布（IID）瑞利信道，只存在很少特征传输信道，因而无法大幅提高MIMO传输系统的容量。

从图3和图4两个图形的分析可以看出，在LOS信道秩为1时，在只有LOS信道存在时，系统的容量没有很大的变化，而当有NLOS和LOS信道同时存在的时候，LOS信道秩为1，系统的信道容量均有减小的趋势。

从图5可以看出，系统的容量随着信道矩阵元素阴影衰落标准差（由传播信道中的散射引起，其大小与不同路径上的信号混乱程度有关）的增大，系统的容量就越趋近分散和不确定。

4 结语

通过对室内信道模型的信道容量累积分布仿真分析，得出NLOS和LOS信道同时存在时，系统的信道容量与室内散射体的丰富程度成正相关，散射分量越多，系统的信道容量越大，信道相关性越大，系统的容量就越小。同时，对于相关性很小的收发矩阵，也有可能使得信道矩阵的特征值减少，系统容量也较小，这能合理的解释室内的针孔信道效应。

参考文献：

[1]冯博.3G室内覆盖解决方案[J].信息通信，2007（1）：34.

[2]肖海林.新一代无线通信系统中的MIMO信道建模与信道估计[D].四川：电子科技大学，2007.

[3]WINNER Ⅱ Channel Models D1.1.2 v1.1.

[4]马润.室内无线信道的传播模型及其在家庭网中的应用[D].北京：北京邮电大学，2010.