一种毫米波信号室内分布系统和室内分布强度预测方法与流程

本发明属于室内无线通信技术领域，特别涉及一种毫米波信号室内分布系统和室内分布强度预测方法。

背景技术：

随着移动互联网、物联网及行业应用的爆发式增长，对移动信号的覆盖提出了更高的要求。4g、5g作为移动通信技术的发展方向，实现真正的“万物互联”。但4g、5g系统的频率高、空间损耗大、穿透能力差，导致室外基站有效覆盖面积降低。在室内环境下，移动通信信号覆盖薄弱，终端无法正常使用，形成了移动通信的盲区和阴影区。特别是5g网络，在5g网络可用频谱除了sub6g，还包括28/39/60/73ghz等毫米波频段。虽然我们在国内以sub-6ghz频段扩展5g网络，但是，在国外，许多运营商采用了毫米波频段布设5g网络。5g毫米波载波频率更高，信号带宽更大。以60ghz频段为例，每个信道的频谱带宽达到2.16ghz，相比之下，4g-lte频段可用频谱带宽只有100mhz。也就是说，5g毫米波网速很快，比sub-6ghz的5g更快。

但是，与低频段的无线传播特性相比，由于衍射和反射能力较弱，毫米波频段的路径损耗和穿透损耗都比较高。当5g设备从户外转移到户内时，会回落到4g。因此，有必要探讨5g毫米波在室内的布局方案。

室内分布系统的实现原理是：利用室内天线分布将信号源的信号均匀分布在室内每个地方，以达到理想的室内覆盖。现有的室内分布系统，其传输信号的最高频率受到限制，通常为2.6g。因此，在室内传输5g的毫米波信号时，需要对5g信号源采用降频的传输方式。

对现有的室内分布系统进行升级，使其满足毫米波频段5g的需求，需要考虑如何将新增加的5g的上下行线路与已有的室内线路相融合，从而避免毫米波频段5g信号经过降频传播之后与原有的中频传输信号之间的干扰。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种毫米波信号室内分布系统。

本发明的另一目的在于提供一种毫米波信号室内分布强度预测方法。

一种毫米波信号室内分布系统，包括：原有信号源、5g信号源、近端单元、第一功分器和至少2条室内分布系统；

所述原有信号源输出至少2路信号分别发送给不同的室内分布系统；

所述近端单元一端信号连接5g信号源，另一端信号连接第一功分器；近端单元将5g信号源的信号的频率移频至与原有信号源不同的频点；

所述第一功分器将近端单元的输出信号功分为至少2路信号分别发送给不同的室内分布系统；

所述室内分布系统均包含有合路器、耦合器、远端单元和室内天线；

所述合路器一端信号连接有原有信号源和第一功分器，另一端信号连接耦合器；

合路器接收原有信号源的信号和5g信号源的信号，并合成一路信号馈入其所在的室内分布系统；

所述耦合器连接有至少2个远端单元；所述远端单元连接有室内天线。

所述近端单元包括施主端双工器、第一低噪放单元、第一选频单元、第一移频单元、第一滤波功放单元、第二低噪放单元、第二移频单元、第二滤波功放单元、第一监控单元、第一mcu单元、第一存储单元、第一中继端双工器；所述施主端双工器、第一低噪放单元、第一选频单元、第一移频单元、第一滤波功放单元、第一中继端双工器依次连接形成近端下行变频传输线路；所述第一中继端双工器、第二低噪放单元、第二移频单元、第二滤波功放单元、施主端双工器依次连接形成近端上行变频传输线路；所述第一监控单元一端连接第一中继端双工器，另一端连接第一mcu单元；所述第一mcu单元连接有第一存储单元和第一选频单元；所述施主端双工器接收5g信号源的信号；所述第一中继端双工器连接第一功分器。

所述远端单元包括第二中继端双工器、第三低噪放单元、第三移频单元、第三滤波功放单元、重发端双工器、第四低噪放单元、第二选频单元、第四移频单元、第四滤波功放单元、第二监控单元、第二mcu单元、第二存储单元；所述第二中继端双工器、第三低噪放单元、第三移频单元、第三滤波功放单元、重发端双工器依次连接形成远端下行变频传输线路；所述重发端双工器、第四低噪放单元、第二选频单元、第四移频单元、第四滤波功放单元依次连接形成远端上行变频传输线路；所述第二监控单元一端连接第二中继端双工器，另一端连接第二mcu单元；所述第二mcu单元连接有第二存储单元和第二选频单元。

一种毫米波信号室内分布强度预测方法，包括以下步骤：

s1，建立或更新关于建筑材质毫米波穿透损耗的数据库，该数据库包括各种建筑材质的毫米波穿透损耗参数，例如各种地板的穿透损耗参数和各种墙壁的穿透损耗参数；当遇到所述数据库中不存在的新建筑材质时，则以更新的方式在数据库中添加新建筑材质的毫米波穿透损耗参数；

s2，提取室内的三维空间建筑数据，包括楼层的垂直层高、楼层的水平面积、楼层的建筑材质数据和楼层的布局结构数据；

s3，记录并保存室内的室内天线的数据，包括每一个室内天线在每层建筑物内的具体位置信息和每个室内天线的三维辐射参数、室内天线的发射功率；

s4，计算每个室内天线在室内各点分布的毫米波信号强度；

第a点的毫米波信号强度的计算公式如下：

pa=pb-pl；其中，

；

式中：

a为室内的接收点；

pa为第a点的毫米波信号强度；

pb为第b个室内天线的发射功率(dbm)；

pl为到达第a点的第b个室内天线空间损耗值；

k1:衰减常数，通过测量的数据拟合得出；

n:距离衰减系数，通过测量的数据拟合得出；

d为信号接收和信号发射之间的距离(d>1m)；

f:信号发射的频率；

kfi:穿透第i类地板的个数；lfi:第i类地板的穿透损耗；

kwj：穿透第j类墙壁的个数；lwj：第j类墙壁的穿透损耗；

i：地板的种类数；

j：墙壁的种类数；

xσ：阴影衰落修正值，受障碍物、地形、天气的影响，毫米波强度下降，称为阴影衰落，是一种与传播地形相关的变量，加在路径衰落上，作为一种补充修正；研究显示，xσ是σ的的符合零均值高斯随机分布的标准差，为了方便计算，室内毫米波的标准方差σ为给定值，xσ是27.56；

s5，根据步骤s4算出的单个室内天线在室内各接收点的毫米波分布强度，确定毫米波的覆盖场强，并根据室内毫米波的覆盖场强的要求，调整室内天线的数目和布局，重复步骤3~5，使步骤s4算出毫米波分布强度满足设计要求。

本方案，重点考察了5g毫米波在室内的传播方式，通过引入功分器，首先将5g毫米波功分为至少两路信号，并与多通道信号输出系统的至少两路信号合路后馈入多路分布系统，因此，无论是原有信号、还是5g信号，均是实现了信号的多路馈入，相比于单通道信号输出，本方案提升5g信号的覆盖质量。

为了节省投资，在5g信号室内覆盖方案中，尽可能地保留和利用了原室内分布系统的，在首尾增加了近端单元、第一功分器和远端单元，方便了原有室内分布方案的改造和提升。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是近端单元的结构示意图；

图3是远端单元的结构示意图；

图中：原有信号源1、5g信号源2、近端单元3、第一功分器4、

室内分布系统5、合路器6、耦合器7、远端单元8、室内天线9、

施主端双工器301、第一低噪放单元302、第一选频单元303、第一移频单元304、第一滤波功放单元305、第一中继端双工器306、第二低噪放单元307、第二移频单元308、第二滤波功放单元309、第一监控单元310、第一mcu单元311、第一存储单元312、

第二中继端双工器801、第三低噪放单元802、第三移频单元803、第三滤波功放单元804、重发端双工器805、第四低噪放单元806、第二选频单元807、第四移频单元808、第四滤波功放单元809、第二监控单元810、第二mcu单元811、第二存储单元812。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

室内分布系统主要由信号源和分布系统两部分组成，其中，分布系统由耦合器、功分器(又称为功率分配器)、合路器、室内天线、电缆等组成，分别介绍如下：

耦合器是一种非等功率分配的功率分配器件，常见的有5db、6db、10db、15db、20db、30db、40db等多种耦合比的耦合器；

功分器是一种等功率分配器件，常见的有2功分、3功分、4功分等类型；

合路器包括同频带合路器和多频带合路器两种，同频带合路器能将两个或以上的同频段信号合成一路信号输出；多频带合路器则能将多个频段的多个发射和接收信号合路于同一根馈线、双频天线或宽频泄露同轴电缆；

室内天线一般有全向天线和定向天线两种，与室外天线相比，一般具有增益低、体积小、易安装的特点；

电缆包括普通电缆和泄露电缆两种，普通电缆用于连接室内分布系统中的不同功能器件，通常选用同轴电缆；泄露电缆是指由同轴电缆上分装多路天线演变而来的连续天线，兼有普通电缆和天线的作用。作为优选，本方案中的室内分布系统内部的部件之间的连接方式为电缆连接。

毫米波信号，频率大于一定数值的信号,如频率为28/39/60/73ghz毫米波信号。

中频信号，中频信号是比毫米波信号的频率低的一种信号，例如，中频信号的频率为3.5ghz等。

一种毫米波通信室内分布系统，包括：原有信号源1、5g信号源2、近端单元3、第一功分器4和至少2条室内分布系统5；

所述原有信号源1输出至少2路信号分别发送给不同的室内分布系统5；

所述近端单元3一端信号连接5g信号源2，另一端信号连接第一功分器4；近端单元3将5g信号源2的信号的频率移频至与原有信号源1不同的频点；

所述第一功分器4将近端单元3的输出信号功分为至少2路信号分别发送给不同的室内分布系统5；

所述室内分布系统5均包含有合路器6、耦合器7、远端单元8和室内天线9；

所述合路器6一端信号连接有原有信号源1和第一功分器4，另一端信号连接耦合器7；

合路器6接收原有信号源1的信号和5g信号源2的信号，并合成一路信号馈入其所在的室内分布系统5；

所述耦合器7连接有至少2个远端单元8；所述远端单元8连接有室内天线9。

5g信号源2的信号，首先通过近端单元3将5g信号源2的信号的频率移频至与原有信号源1不同的频点，然后通过第一功分器4，将其功分为多路信号，然后和原有信号源1的信号通过合路器6合路之后馈入到相应的室内分布系统5。多个室内分布系统5并行工作。因此，无论是原有信号、还是5g信号，均是实现了信号的多路馈入，相比于单通道信号输出，本方案提升5g信号的覆盖质量。

为了节省投资，在5g信号室内覆盖方案中，尽可能地保留和利用了原室内分布系统的，在首尾增加了近端单元3、第一功分器4和远端单元，方便了原有室内分布方案的改造和提升。

所述近端单元3包括施主端双工器301、第一低噪放单元302、第一选频单元303、第一移频单元304、第一滤波功放单元305、第一中继端双工器306、第二低噪放单元307、第二移频单元308、第二滤波功放单元309、第一监控单元310、第一mcu单元311、第一存储单元312；所述施主端双工器301、第一低噪放单元302、第一选频单元303、第一移频单元304、第一滤波功放单元305、第一中继端双工器306依次连接形成近端下行变频传输线路；所述第一中继端双工器306、第二低噪放单元307、第二移频单元308、第二滤波功放单元309、施主端双工器301依次连接形成近端上行变频传输线路；所述第一监控单元310一端连接第一中继端双工器306，另一端连接第一mcu单元311；所述第一mcu单元311连接有第一存储单元312和第一选频单元303；所述施主端双工器301接收5g信号源2的信号；所述第一中继端双工器306连接第一功分器4。

第一监控单元310通过连接第一中继端双工器306扫描室内分布系统5已经使用的频段；第一mcu单元311将室内分布系统5已经使用的频段存储于第一存储单元312，并将确定的移频频率发送给第一选频单元303，确保移频后的频点在原有室内分布系统5所支持的频段，并且不在原有室内分布系统5的信源工作频段内，使得移频后的频段与原有频段不重叠，从而保证移频信号和室内分布系统5的信源工作频段不产生干扰。

通过mcu单元来控制选频单元，为现有技术，例如adi的936x系列的射频收发芯片中，mcu配置接收的频率和移频后的频率。

所述远端单元8包括第二中继端双工器801、第三低噪放单元802、第三移频单元803、第三滤波功放单元804、重发端双工器805、第四低噪放单元806、第二选频单元807、第四移频单元808、第四滤波功放单元809、第二监控单元810、第二mcu单元811、第二存储单元812；

所述第二中继端双工器801、第三低噪放单元802、第三移频单元803、第三滤波功放单元804、重发端双工器805依次连接形成远端下行变频传输线路；所述重发端双工器805、第四低噪放单元806、第二选频单元807、第四移频单元808、第四滤波功放单元809依次连接形成远端上行变频传输线路；所述第二监控单元810一端连接第二中继端双工器801，另一端连接第二mcu单元811；所述第二mcu单元811连接有第二存储单元812和第二选频单元807。

本方案，在5g信号源和功分器之间设置近端单元。近端单元通过移频技术，将5g信号源的信号的频率移频至与原有信号源不同的频点的中频信号，经过信号合路，利用现有的多通道室内分布系统的线缆进行传输，节约了改造成本的同时，避免了5g信号源的信号合路之后对于原有信号的干扰。

本方案，在合路器之后设置远端单元，远端单元将接收的合路信号进行滤波和移频处理，恢复为对应信源通道的信号，在不改变原有多通道室内分布系统的线缆前提下，解决室内毫米波信号覆盖问题，且确保了5g网络不恶化。

本方案，在耦合器7的末端，引出至少2个室内天线，从而在保留已有的室内信号传播途径的同时，增加了室内天线的数量，并配合室内分布强度预测方法，对室内天线重新布局，在节约改造成本的同时，提升了室内毫米波的覆盖强度。

接下来需要考虑如何布置增加的室内天线数量。对现有的室内分布系统进行升级，使其满足5g的需求，不仅需要考虑新增加的5g的上下行线路如何与已有的线路相融合，还需要考虑室内天线的覆盖质量是否满足5g的需求，克服因毫米波频段的路径损耗和穿透损耗较高所带来的信号覆盖率的问题。

传统的室内天线的分布方案为：相邻室内天线的间距为10~20米。然后由于室内传播环境复杂多变，传统的室内天线的分布方案难以适用于不同环境，且由于毫米波频段的路径损耗和穿透损耗都比较高（频率越高，绕射能力越弱；室内柱子、墙造成阴影衰落和阻隔），对于环境的阻隔效用很敏感，原有的室内天线的分布将不在符合实际的无线信号强度。因此，需要针对毫米波频段的穿透损耗比较高的特性，重新预测室内三维空内预测出无线信号的场强。

一种毫米波信号室内分布强度预测方法，包括以下步骤：

s1，建立或更新关于建筑材质毫米波穿透损耗的数据库，该数据库包括各种建筑材质的毫米波穿透损耗参数，例如各种地板的穿透损耗参数和各种墙壁的穿透损耗参数；当遇到所述数据库中不存在的新建筑材质时，则以更新的方式在数据库中添加新建筑材质的毫米波穿透损耗参数；

s2，提取室内的三维空间建筑数据，包括楼层的垂直层高、楼层的水平面积、楼层的建筑材质数据和楼层的布局结构数据；

s3，记录并保存室内的室内天线9的数据，包括每一个室内天线9在每层建筑物内的具体位置信息和每个室内天线9的三维辐射参数、室内天线9的发射功率；

s4，计算每个室内天线9在室内各点分布的毫米波信号强度；

第a点的毫米波信号强度的计算公式如下：

pa=pb-pl；其中，

；

式中：

a为室内的接收点；

pa为第a点的毫米波信号强度；

pb为第b个室内天线的发射功率(dbm)；

pl为到达第a点的第b个室内天线空间损耗值（db）；

k1:衰减常数，通过测量的数据拟合得出；

n:距离衰减系数，通过测量的数据拟合得出；

d为信号接收和信号发射之间的距离（d>1m）；

f:信号发射的频率（mhz）；

kfi:穿透第i类地板的个数；lfi:第i类地板的穿透损耗；

kwj：穿透第j类墙壁的个数；lwj：第j类墙壁的穿透损耗；

i：地板的种类数；

j：墙壁的种类数；

xσ：阴影衰落修正值，受障碍物、地形、天气的影响，毫米波强度下降，称为阴影衰落，是一种与传播地形相关的变量，加在路径衰落上，作为一种补充修正；研究显示，xσ是σ的的符合零均值高斯随机分布的标准差，为了方便计算，室内毫米波的标准方差σ为给定值，xσ是27.56；

s5，根据步骤s4算出的单个室内天线在室内各接收点的毫米波分布强度，确定毫米波的覆盖场强，并根据室内毫米波的覆盖场强的要求，调整室内天线的数目和布局，重复步骤3~5，使步骤s4算出毫米波分布强度满足设计要求。

对于设计要求，由于室内无线环境存在差异，应当细分覆盖区域，并制定相应的覆盖指标，例如，对于低楼层，其无线环境较单纯，要求90％覆盖区域,rscp>=-85dbm,c/i>=-3db；对于高楼层，其无线环境较复杂，要求85％覆盖区域，rscp>=-85dbm,c/i>=-3db。

毫米波的衰减，包括慢衰减和快衰减。慢衰减相对固定，快衰减收到环境影响，毫米波对于环境的影响因素特别敏感，因此，本方法对于快衰减，将能定量的墙壁和地板进行定量计算，将不能定量的因数通过经验数值去拟合，不拘泥于繁复的理论计算，从而更加贴合毫米波的实际衰减损耗。并且，本方法中，增加了墙壁和地板的穿透损耗，并且考虑了在不同的室内环境中的不同墙壁和不同地板的差异性，而没有简单的将墙壁和地板设置为一个均值。

本方法的预测精度高，能满足实际的使用要求。对于实测模型的均方根误差在6db之内，小于实际需要的8db之内，标准误差控制在9db以内。

传统的室内天线布局，其天线重叠区域通常设置为30%；而在本方法中，在考虑室内天线的数目和布局时，无需再考虑天线重叠区域，从而可以优化室内天线的布局，节约成本，避免重复建设。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。