一、项目背景

      我国移动通信迅猛发展，移动用户规模居全球之冠，达12亿之众；移动网络复杂，三大运营商同时拥有2G、3G移动网络5 种制式、8 张无线网络。目前，LTE TDD和FDD正在快速部署，4G牌照即将在今年内发放。在不久的将来，我国移动通信至少有13张无线网络，通信频率从800MHz到2700MHz，多代多网络将长期共存。
随着移动互联网的快速崛起，移动数据通信重心从外转移到了室内，数据通信流量呈爆炸式增长，室内分布系统是室内信号深度覆盖的主要解决手段，逐渐成为高速数据通信业务的主力承载网络。
      室内天馈分布系统建设成本高，物业协调困难，而且布放受大楼结构和空间限制，有些场所甚至无法建造多套天馈分布系统，室内天馈分布共建共享是室内移动通信发展的必然趋势。
然而，室内分布系统共建共享存在三大技术问题：
      1. 移动通信信号频段多，高低频信号覆盖能力差异大、各系统对信号覆盖场强要求协也不同，导致室内分布系统信号覆盖不同步。
      2. 室内天线离人近，电波传播路径损耗小，在多代多网络共存条件下，室内无线信号越来越多， LTE、4G建成后，室内电磁辐射水平将再次提升，控制室内电磁辐射水平与提高室内信号覆盖水平成为难于调和的矛盾。
      3. 室内无线环境复杂，天馈分布系统分散、无源器件多，而我国移动通信信号多、频段宽，互调干扰问题突出。
 
      我国2009年开始引入3G网络，由于3G工作频率更高，信号覆盖能力明显小于2G信号，为此，业界普遍采用“小功率，多天线”的原则加强室内3G信号，室内天线分布密度增加一倍以上，由此带来了大规模的建设和改造工程，室内分布系统建设投资大幅上升，同时由于2G、3G信号覆盖不同步，在保证3G信号覆盖良好的同时，2G信号过强，室内信号外泄更严重。另外，因各运营商无线网络工作频率、系统制式对覆盖电平要求不同，室内天线分布密度要求不同，室分分布系统建设规范不统一，共建共享率一直处于较低水平。
我国移动网络复杂，多代网络长期共存，室内电磁环境卫生问题越来越多的突出。
      室内天馈分布系统存在大量的馈线、功分器、合路器、天线等无源器件，器件材料质量和施工质量难于100%保证，具足无源互调产生条件，互调干扰问题突出，这也是阻碍室内分布共建共享的一个重要技术因素。而对多频段多信号无源研究，尚未引起足够关注，国内外对此研究甚少。
      本项目针对我国移动通信室内分布系统上述技术问题展开研究，提出解决方案。
 

二、宽频段信号同步覆盖研究

 
1、传播路径损耗
      我国移动通信2G、3G和LTE、4G工作频率低频段为：806~960MHz，高频段为1710~2690MHz、高低频相差超过3倍。根据路径损耗公式：      高、低频空间传播损耗相差7~10dB，因此，高低频信号覆盖能力差异很大。
 
2、传统全向吸顶天线的技术指标
      全向吸顶天线是用于室内信号覆盖的主要天线类型，用量超过室内天线总量70%，我国每年全向天线需求量上千万副。
全向吸顶天线原型为半波振子，典型产品有盘锥结构，国际顶尖水平的Kathrein公司的产品和国内质量较好的产品都也采用了盘锥结构，质量较差的采用了双锥结构。国内产品体积小，为了      获得超宽带电压驻波比特性，均需要通过阻抗匹配线（片）连接振子和发射板调整之间。
      现有传统天线高低频段方向图表现出明显差异，低频段（806-960MHz）都是“∞”形，最大增益在90°辐射角方向，但高频段（1710-2500MHz）各不相同（见下图）。                    Kathrein公司天线E面方向图的对称性良好，最大增益方向在45°-50°，85°辐射角增益衰减达6-8dB；三条阻抗匹配线（片）的国产较好天线，E面方向图的对称性尚好，最大增益方向在分别在35°左右，85°辐射角增益衰减达7-10dB；一条阻抗匹配线（片）的国产常用天线对称性差，最大增益方向不稳定，随频率变化很大。
      Kathrein天线增益：低频段1-2dBi，高频段4-5.7dBi，方向图圆度1-1.2；国产较好天线增益：低频段1-1.9dBi，高频段4-5.2dBi，方向图圆度1.5左右；国产常用天线增益：低频段0.7-1.6dBi，高频段2.9-2.8dBi，方向图圆度1.5-3左右。
      传统天线低频段最大增益在90°辐射角方向，辐射角大于60°天线增益就接近最大值，低频段信号（如2G GSM900和CDMA800）覆盖近区对应增益小、远区和边缘对应的增益大，因此，低频信号覆盖较均匀；对高频段信号（如DCS1800、PHS、WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA），最大增益方向在35°左右， 60°辐射角增益衰减3dB以上，信号绝大部分能量集中在60°低辐射角内，对应于覆盖半径边缘的高辐射角（如85°）增益衰减7dB以上。
 
3、现行标准的局限性
      我国移动通信室内天线执行国家标准《移动通信室内信号分布系统天线技术条件》（GB T 21195-2007）。标准规定了天线高低频段的增益(2-5dBi)，,频率越高，增益越高，但是未对最大增益辐射角加于限定。事实上，对室内全向天线而言，辐射角小于30°范围内，对应天线近区，辐射角85°左右，对应于天线覆盖半径的边缘，小辐射角增益高，意味着信号能量集中在天线底下，电磁辐射水平高；接近覆盖半径边缘的大辐射角增益高，意味着覆盖边缘信号强，信号分布均匀，覆盖范围大。因此，室分全向吸顶天线低辐射角增益越低越好，高辐射角增益越高越好。传统全向天线增益虽然随频率增加越来越高，但实际覆盖性能反而越差，就是因最大增益辐射角随频率升高而降低造成的，所以，不能简单地认为增益越高越好。现行规范不能很好地反映全向天线的覆盖性能。
      另外，圆度指标反映的是信号各方位分布均匀性，标准中低频段取90°辐射角，反映的是天线覆盖半径无穷远时各方位信号分布的均匀性；高频段取60°，反映的是天线近处覆盖半径4米左右信号的均匀性。前者关注范围过大，后者关注范围过小，没有实际意义，不能反映天线有效覆盖范围内信号分布的均匀性。
      第三，标准对室内分布系统天线防雷性能提出“直接接地”的要求，但事实上，室分天线放置在室内，现代建筑均有防雷接地措施，室分天线被雷击中或感应雷电脉冲可能性极小，而位于全向吸顶天线中心的辐射振子被雷击中或感应雷电脉冲可能性更是微乎其微，因此，从技术上考虑，室分天线接地对防雷意义不大。
 
4、传统全向吸顶天线技术缺陷
      一般建筑室内，楼层高约3m，通信终端（如正常通话、电脑）离地1m以上，通信收发端高度差不足2m，室内吸顶天线覆盖范围（图3所示）。国产较好的天线高频段最大辐射方向（θ≈35°）对应的覆盖半径1.40m，3dB衰减处（θ=60°）对应的覆盖半径约3.46m。3G室分全向天线设计覆盖半径一般为10~20米，覆盖边缘对应辐射角的天线增益衰减达7~8dB。可见，对3G信号而言，天线下方覆盖半径3.46米以内，在不足目标覆盖面积10%的区域内集中了绝大部分信号功率；而在覆盖半径从3.46米到10~20米的覆盖边缘的范围，占了目标覆盖面积90%以上，仅分配了不足10%的信号功率。因此，传统天线有高频聚集效应，高频信号功率主要集中在天线底下。
      传统天线增益随辐射角增加快速降低和信号传播路径衰减双重因素的共同作用，致使3G等高频信号覆盖半径比2G低频信号小一倍以上，加上频率越高，信号绕射能力越弱，综合穿透损耗越高，所以，3G等高频信号覆盖能力远低于2G低频信号，使2G、3G信号无法同步覆盖。
      传统全向吸顶天线在高频段85°辐射角方向图圆度指标1.5~4dB,，对覆盖边缘3G等高频信号均匀性影响3~8dB，另一方面，全向天线在不同方位上覆盖能力相差较大，导致覆盖边缘的不确定，覆盖和泄漏不好控制。本来无线信号就存在随机起伏，加上天线方向图圆度的影响，使边缘场强更加不稳定，覆盖范围不确定。
      传统天线方向图圆度指标高影响覆盖边缘信号的稳定性，使覆盖和泄漏更难控制，覆盖范围更不确定，影响网络质量。为加强3G信号覆盖，只好采用“小功率，多天线”的建设原则，不仅大幅增加了3G室内分布系统建设投资和难度，也使2G信号外泄更加严重，影响网络质量。
 
5、 新型全向吸顶天线研制
      针对高低频信号传播损耗差异大，传统天线高频信号覆盖效率低、信号分布不均匀、高低频覆盖不同步等问题，本项目研制出超宽带新型全向吸顶天线。根据移动通信网络演进发展要求、全向天线的特点和室分信号覆盖的实际需要，对室内全向天线电气性能指标作了补充。定义了85°和30°高低两个特征辐射角，分别表征天线底下和覆盖边缘信号覆盖性能的特征角度。对天线增益加以辐射角限定，30°辐射角增益表征天线底下的辐射水平，85°辐射角增益表征天线覆盖半径边缘的信号强度；对方向图圆度指标，统一用85°辐射角H面方向图作为衡量标准。
新型天线采用半波振子与双锥天线相结合，低频段是半波振子，高频段是双锥天线，采用双锥和振子相结合独特结构，改善了全向天线的高频辐射特性，在全频段方向图基本一致，并且结构简单实用，生产制造容易。       新型天线结构完全轴对称，是真正的全向天线，信号分布更均匀、稳定，在高频信号向四周扩散，方向图扁平，85°辐射角不圆度低频段小于1.5dB，高频段可小于1dB。而传统国产较好天线方向图尖长，国产常用天线因阻抗匹配线（片）存在，方向图明显不对称，已经不是全向天线了。
   
 
      传统天线最大增益方向30-40°辐射角，85°辐射角增益高频段低于低频段3-5dB；新型天线高频段最大增益方向调整到了70-80°辐射角， 85°辐射角增益高频段高于低频段1-2dB。因此，新型全向吸顶天线比传统全向吸顶天线边缘场强提高4-7dB，理论上相当于覆盖面积扩大2.5-5倍，实际测试覆盖面积增加2-4倍。       在覆盖边缘（85°辐射角），3G信号（频率1920-2170Mhz）场强增加4.69-6.59dB，天线底下电磁辐射降低10.07-15.76dB，不圆度平均改善1.6dB。工作带宽800~3000MHz,高端宽展了500MHz；三阶互调-160dBc（2×33dBm 输入），比规范低20dB。
      针对LTE和4G更宽频带的要求，2013年对新型全向吸顶天线又作了改进，形成新型天线第二代产品。根据初步仿真结果，第二代产品高频段（1710~2690HMz）85°辐射角增益达到3dBi，30°辐射角增益小于-8dBi。
 
6、室内分布系统多信号同步覆盖和室内电磁辐射研究
      室内天线输入功率受限于最小耦合损耗（MCL）和电磁辐射环境卫生标准两个因素，由于降低了辐射，相应提高了天线口最大允许输入功率。前者影响基站接收机的接受灵敏度，后者关系到人的健康，两个条件必须同时满足。
      综合考虑MCL和电磁辐射一级标准满足条件，传统全向吸顶天线天线口导频功率PA≤5dBm，而新型全向吸顶天线的天线导频功率PA≤14dBm，所以，新型天线的天线口功率最大允许值比传统天线提高了9dB。
      可见，新型天线通过提高高频高辐射角增益和降低低辐射角增益，显著提高了高频信号的覆盖能力和降低了天线底下的电磁辐射水平，缩小了高低频信号的覆盖范围差异，并且，通过调整天线口输入功率，可以实现多频段、多制式移动通信系统同步覆盖。 

三、多频段多信号混合互调干扰研究

1、多频段多信号混合互调
      由于以前的通信系统单一，多频段系统共址共存较少发生，国内外互调研究主要集中在单频段、双信号互调上。对单频段双信号偶数阶互调产物频率是输入信号频率的倍数，远离输入信号频段，只有奇数阶互调产物才可能落回输入信号频段形成干扰，故仅关注可能落回原频段的三、五、七、九等奇数阶互调产物，现有互调测试设备也只能检测单频段双信号和奇数阶互调。对多频段多信号互调干扰，国内外尚少见诸文献资料。
      当多个信号频率分别为f1、f2、……、fN发生互调时，其输出信号会增加互调产物和高次谐波，增加成分频率可用下式表示：   ，其中，ni为0和整数，i=1~N，N为参与互调的信号总数，，即称为X阶互调。高次谐波可以看作单一信号的自调制。
      如两个信号f1、f2互调，可能产生2 f1、3 f1、4 f1、……，2 f2、3 f2、4 f2、……等高次谐波， f1±f2，2 f1±f2，2 f1±2f2，3 f1±f2，3 f1±2f2，3 f1±3f2，……等奇数阶和偶数阶互调产物。
      对一定带宽的信号，互调产物的带宽取决于参与互调的信号带宽和调制的阶数。设参与互调的中心频率为f1、f2、……、fN的信号带宽分别为:⊿f1、⊿f2、……、⊿fN，则中心频率fIM的互调产物的带宽为： 。  
      可见，互调信号带宽因参与互调的信号带宽和调制的阶数而展宽，因此，宽带信号参与互调和更高阶的互调产物可能对更宽频率范围的信号形成干扰。
 
2、室内分布中混合互调干扰分析
      我国移动通信网络十分复杂，已有GSM、CDMA、DCS、WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000和WLAN等多种制式、十多张移动网络同时运行，LTE、4G开通后将更加复杂。多网基站和室内分布系统共址共存十分普遍，无线信号多，频率从800MHz到2500MHz，频率高低端相差超过3倍，多频段多信号相互混合调制。随着参与互调的信号频率和互调阶数的增加，互调组合按指数阶增加。如果三个运营商六个网络全部合路，室内分布系统中最多可达10~20个信号，互调产物非常多。PIM变得异常复杂，IMP非常丰富，奇数阶和偶数阶IMP均有可能落入相关系统上行频段，对该系统造成干扰。
      室内分布系统中有大量的无源器件（功分器、耦合器、合路器、接头、馈线、天线等），器件质量和工程施工等因素都可能导致电性能的非线性，无线信号经过时可能产生PIM。当PIM发生点靠近信源时，传输链路损耗较小时，下行功率较大（一般20W）PIM产生的IMP的量级可能与上行信号相当甚至更大，如果IMP落入合路移动系统的上行频点，就对该频点上行信号造成干扰。PIM发生点离信源发射机和接收机传输距离越近，下行功率越强，IMP到达接收机的损耗越小，形成干扰的影响越大。为模拟室内分布系统实际情况，实验采用多种输入信号功率等级，检测产生的IMP的大小。
      为检测混合互调情况下，偶数和奇数阶IMP的量级，利用现有互调仪和综合测试仪设计测试实验环境，选择CDMA、GSM900、DCS800、CDMA2000和TD_SCDMA A段、F段共六台互调设备，从不同的互调仪输出一路或两路信号，通过低互调合路器合路后，输入待测设备，根据IMP频率选择落入接收频段的互调仪进行检测。
      本项目对11 个通信频段2~4 个信号的二~五阶混合互调作了全面分析，对功分、耦合和合路23个器件作了二~五阶互调测试和分析。通过测试，得到了一些重要实验结论。
 
3、室内分布系统互调干扰解决方案
      多频段多信号混合互调是室内分布系统中主要干扰之一，从现网多频合路的测试情况来看，高阶奇数阶互调呈现出高IMP的情况，并且偶数阶互调以及多系统信号间产生的互调均会影响到其他系统。
      通过本项目研究，对混合互调有了更清楚的认识，得到了分析计算室内分布系统互调干扰的方法，给出了通过提高器件质量、合理规划频点、收发分路、光纤分布等手段有效降低和避免互调干扰的解决方案，并得到了多频段多信号互调测试和互调干扰检测系统的设计方案。 

四、项目创新性和意义

      通过宽频段信号同步覆盖研究，研制出新型天线，克服了传统天线高频聚集和信号分布不均匀稳定等技术缺陷，弥补高频信号损耗大的固有缺陷，实现了全频段同步覆盖，同时有效缓解了室内电磁辐射水平，并扩展了工作带宽，完善了室内天线评价指标体系，推动了行业标准修订。对混合互调和奇数、偶数阶互调干扰作了较为全面、完整的分析和测试，发现了现行三阶互调作为评价无源互调指标的局限性，澄清了多系统共存条件下互调干扰的模糊认识，为室内分布系统互调干扰提供了检测手段和解决方案。本项目研究解决了同步覆盖和互调干扰技术难题，突破室分共建共享技术障碍。
      其它 新型天线产品技术成熟，质量可靠，无安全等问题，是传统天线的替代产品，已在中国联通系统内全国规模推广应用，新型天线用量超过200万副，节约室内分布系统建设投资超过10亿元。本项目研究成果分别获得中国通信学会科学技术一等奖和广东省科学技术二等奖。