多蜂窩環(huán)境下的分布式天線及基站協(xié)作技術(shù)研究.pdf

1、近年來隨著無線通信的迅猛發(fā)展，各種智能終端設(shè)備以及多媒體業(yè)務(wù)的相繼涌現(xiàn)，無線通信用戶數(shù)量急劇增加，對(duì)數(shù)據(jù)率的需求也日益加劇，這對(duì)頻譜資源提出了新的要求。頻譜資源是一種比較稀缺的資源，通常是由政府機(jī)構(gòu)采取授權(quán)的方式進(jìn)行管理。隨著多數(shù)的頻譜資源已經(jīng)分配給特定的用戶，給移動(dòng)用戶再專門分配額外的頻譜資源已不現(xiàn)實(shí)。這樣就出現(xiàn)了急劇增加的數(shù)據(jù)率與有限的頻譜資源之間的矛盾，如何在不增加頻譜資源的前提下提高數(shù)據(jù)率是本文研究的重點(diǎn)。
　　 分布式

2、天線系統(tǒng)是超三代和第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有很好的應(yīng)用前景。在單小區(qū)環(huán)境中，它能夠在不增加頻譜資源的前提下，有效地提高移動(dòng)用戶的信道容量、降低中斷概率和誤碼率，已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，受到研究人員越來越多的關(guān)注。分布式天線系統(tǒng)的基本原理是:小區(qū)（蜂窩）內(nèi)所有的天線模塊已不再集中于小區(qū)中心，而是分散在小區(qū)的各個(gè)位置，當(dāng)移動(dòng)用戶在小區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，移動(dòng)用戶與天線模塊之間的接入距離將變短。干擾是影響無線通信系統(tǒng)性能的重要因

3、素，如何消除或利用干擾是學(xué)者們研究的重點(diǎn)，在本文中，我們提出了基站協(xié)作技術(shù)，不再把來自相鄰小區(qū)的干擾信號(hào)看作無用信號(hào)，而是把其看作有用信號(hào)，對(duì)提高系統(tǒng)性能具有很大的幫助。
　　 另一方面，隨著全球范圍內(nèi)自然環(huán)境的惡化和溫室效應(yīng)，人們開始更加關(guān)注無線通信系統(tǒng)的能效問題，并且能耗直接影響著移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的收益和移動(dòng)終端的電池壽命。在新一代無線通信系統(tǒng)中，我們研究分布式天線系統(tǒng)在能耗方面給移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商帶來的好處。
　　 學(xué)者們針對(duì)分

4、布式天線系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，他們主要采用中心極限定理方法，把干擾加噪聲項(xiàng)看作是具有固定方差的高斯隨機(jī)變量。此種分析方法的前提條件是干擾項(xiàng)足夠多，而當(dāng)干擾項(xiàng)比較少時(shí)，采用中心極限定理方法分析的分布式天線系統(tǒng)性能存在誤差，對(duì)精度要求比較高的系統(tǒng)來說，我們要盡量消除誤差，獲得準(zhǔn)確值。
　　 本文主要針對(duì)分布式天線系統(tǒng)的上述問題展開研究。首先，在前兩章中介紹了無線通信的發(fā)展歷程、分布式天線系統(tǒng)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，并對(duì)無線通信信道模型、分

5、布式天線模型、無線通信流程進(jìn)行了詳細(xì)的說明。在本文中，我們提出了“根”的概念，即各個(gè)分布式天線的發(fā)射功率與移動(dòng)用戶到相應(yīng)發(fā)射天線的路徑損耗的乘積稱之為根，如果根相等，則稱存在“重根”。然后，針對(duì)中心極限定理方法的限制條件，我們提出了非中心極限定理方法，并根據(jù)移動(dòng)用戶接收信號(hào)中期望信號(hào)和干擾信號(hào)是否存在重根的情形，對(duì)分布式天線系統(tǒng)進(jìn)行分析;針對(duì)能耗問題，提出了新的分布式遠(yuǎn)端天線單元選擇標(biāo)準(zhǔn);針對(duì)干擾問題，提出了基站協(xié)作技術(shù)。
　　

6、 論文在以下幾個(gè)方面的研究取得重要進(jìn)展:
　　 1)期望信號(hào)無重根干擾信號(hào)存在重根的分布式天線系統(tǒng)性能:當(dāng)移動(dòng)用戶運(yùn)動(dòng)到參考小區(qū)內(nèi)的某些位置時(shí)，移動(dòng)用戶接收端的期望信號(hào)中不存在重根而干擾信號(hào)中存在重根。以前對(duì)分布式天線系統(tǒng)的分析主要采用中心極限定理方法，把干擾加噪聲項(xiàng)看作是高斯隨機(jī)變量并且其方差是固定的常數(shù)，因而不需要考慮分母存在重根的情形，這樣其分析過程比較簡(jiǎn)單。在第三章中我們主要運(yùn)用非中心極限定理方法，把干擾加噪聲項(xiàng)看作是隨

7、小尺度衰落變化的隨機(jī)變量，當(dāng)給定發(fā)射功率和路徑損耗時(shí)，干擾加噪聲項(xiàng)的方差依然是隨機(jī)變量而不是中心極限定理中的常數(shù)。在非陰影衰落模式下，采用非中心極限定理方法推導(dǎo)了分布式天線系統(tǒng)各個(gè)性能指標(biāo)的閉式表達(dá)式，并與中心極限定理方法進(jìn)行了比較;在系統(tǒng)經(jīng)歷陰影衰落時(shí)，采用非中心極限定理方法推導(dǎo)出系統(tǒng)性能指標(biāo)的近似表達(dá)式。大量仿真實(shí)驗(yàn)證明采用非中心極限定理方法的分析結(jié)果能夠充分體現(xiàn)小尺度衰落對(duì)分布式天線系統(tǒng)性能的影響，并且能夠精確地反映系統(tǒng)的性能。<

8、br>　　 2)期望信號(hào)干擾信號(hào)都存在重根時(shí)分布式天線系統(tǒng)的性能:當(dāng)移動(dòng)用戶在參考小區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，移動(dòng)用戶接收端的期望信號(hào)和干擾信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)同時(shí)存在重根的情況。在此種情形下，采用非中心極限定理方法如何對(duì)分布式天線系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析是我們研究的重點(diǎn)。在第四章中，針對(duì)期望信號(hào)和干擾信號(hào)同時(shí)存在重根的情形，根據(jù)條件期望和分部積分等數(shù)學(xué)知識(shí)，采用新方法對(duì)分布式天線系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行分析，推導(dǎo)了非陰影衰落時(shí)系統(tǒng)性能的閉式表達(dá)式和陰影衰落時(shí)的近似表

9、達(dá)式，此種分析方法更具有普適性。非中心極限定理去除了中心極限定理的限制條件，把干擾加噪聲項(xiàng)看作隨小尺度衰落變化的隨機(jī)變量，與中心極限定理方法相比更能精確反映系統(tǒng)的性能，我們通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論推導(dǎo)過程的正確性。
　　 3)基于遠(yuǎn)端天線單元選擇的多小區(qū)分布式天線系統(tǒng)性能分析:在分布式天線系統(tǒng)中，我們可以通過選擇不同的遠(yuǎn)端天線單元與移動(dòng)用戶之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在第五章中，我們提出了兩種選擇標(biāo)準(zhǔn):基于最小距離和基于最大信干噪比的選擇標(biāo)

10、準(zhǔn)。推導(dǎo)了采用中心極限定理時(shí)基于最大信干噪比選擇標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)性能的閉式表達(dá)式和采用非中心極限定理時(shí)基于最小距離標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)性能的閉式表達(dá)式。通過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證基于選擇傳輸模式的分布式天線系統(tǒng)具有選擇增益和節(jié)省發(fā)射功率的優(yōu)點(diǎn)，這符合當(dāng)今社會(huì)所倡導(dǎo)的“綠色通信”標(biāo)準(zhǔn)。
　　 4)多小區(qū)協(xié)作的分布式天線系統(tǒng)信道容量分析:在前面幾章對(duì)于多蜂窩分布式天線系統(tǒng)的性能分析中各個(gè)小區(qū)之間是相互獨(dú)立的，相鄰小區(qū)之間的信號(hào)視為干擾。在第六章中，提出了分布

11、式多小區(qū)協(xié)作技術(shù)，它是指每個(gè)小區(qū)內(nèi)的中心單元通過光纖或?qū)Ｓ面溌愤B接到中心單元控制器，通過中心單元控制器完成各個(gè)小區(qū)內(nèi)分布式天線模塊的調(diào)度和管理。在多小區(qū)協(xié)作的分布式天線系統(tǒng)中，小區(qū)之間的信號(hào)不能再簡(jiǎn)單的看作干擾信號(hào)，因?yàn)橹行膯卧刂破骺梢园呀邮盏絹碜韵噜徯^(qū)的信號(hào)中的有用信號(hào)提取出來，因此，多小區(qū)協(xié)作中不存在純粹的干擾。在本章中，我們提出了新的系統(tǒng)模型，并對(duì)其信道容量進(jìn)行了分析。
　　 本文最后，我們對(duì)所做的工作進(jìn)行了總結(jié)，并就