分布式MIMO系統(tǒng)基站側(cè)多天線(xiàn)最優(yōu)分布研究.pdf

1、MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)可以在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下成倍地提高信道容量，因而成為近十年來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。對(duì)于MIMO信息論以及基帶信號(hào)處理層面的問(wèn)題，目前已經(jīng)有了較多的研究成果，而對(duì)于MIMO組網(wǎng)技術(shù)層面的問(wèn)題——如何最優(yōu)分布基站側(cè)多天線(xiàn)等，則缺乏足夠的研究。從現(xiàn)有蜂窩小區(qū)規(guī)劃的研究結(jié)果來(lái)看，基站天線(xiàn)的分布會(huì)極大地影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。本文研究如何將多根基站天線(xiàn)最優(yōu)地分散在小區(qū)內(nèi)以最大化小區(qū)平均遍歷容量。
　　 具體說(shuō)

2、來(lái)，本文的工作集中在以下三點(diǎn)：
　　 第一，單用戶(hù)場(chǎng)景線(xiàn)形小區(qū)基站側(cè)多天線(xiàn)最優(yōu)分布問(wèn)題研究。線(xiàn)形小區(qū)的具體背景是用天線(xiàn)來(lái)覆蓋一條道路。假設(shè)基站有若干天線(xiàn)端口，每個(gè)端口放置若干獨(dú)立的發(fā)射或接收天線(xiàn)單元，移動(dòng)臺(tái)配置一根接收或發(fā)射天線(xiàn)。無(wú)線(xiàn)信道被假定具有三種衰落：大尺度衰落、陰影衰落和平坦瑞利快衰落。在下行鏈路中，假設(shè)基站從所有天線(xiàn)中選擇若干個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行最大比發(fā)送(MRT)。研究中忽略各個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的信號(hào)到達(dá)用戶(hù)的時(shí)延差。在上行鏈路中，基

3、站選擇若干根天線(xiàn)采用最大比合并(MRC)接收移動(dòng)臺(tái)的發(fā)送信號(hào)。在上述場(chǎng)景下，本文推導(dǎo)了上下行小區(qū)平均遍歷容量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后應(yīng)用Jensen不等式得到容量的一個(gè)下界函數(shù)，通過(guò)最大化該下界函數(shù)得到了基站側(cè)多天線(xiàn)所應(yīng)遵循的“最小平方距離準(zhǔn)則”。當(dāng)用戶(hù)在線(xiàn)形小區(qū)內(nèi)均勻分布時(shí)，本文給出了天線(xiàn)“最小平方距離”分布的解析解。仿真結(jié)果表明此解與最優(yōu)解極為接近。當(dāng)用戶(hù)在線(xiàn)形小區(qū)內(nèi)非均勻分布時(shí)，本文應(yīng)用Lloyd算法（標(biāo)量量化中的碼本設(shè)計(jì)算法）得到了天

4、線(xiàn)“最小平方距離”分布的數(shù)值解。仿真結(jié)果表明由Lloyd算法得到的天線(xiàn)“最小平方距離”分布稍微偏離最優(yōu)分布，但是所對(duì)應(yīng)的容量接近最優(yōu)值。本文該部分的研究結(jié)果為利用多天線(xiàn)覆蓋道路型小區(qū)提供了理論依據(jù)。
　　 第二，單用戶(hù)場(chǎng)景圓形小區(qū)基站側(cè)多天線(xiàn)最優(yōu)分布問(wèn)題的研究。圓形小區(qū)是對(duì)傳統(tǒng)六邊形小區(qū)的近似。本文將上一部分所述的線(xiàn)形小區(qū)的基站側(cè)多天線(xiàn)最優(yōu)分布問(wèn)題推廣到圓形小區(qū)。仍假設(shè)基站側(cè)有若干端口，每個(gè)端口放置若干獨(dú)立的發(fā)射或接收天線(xiàn)單元。

5、移動(dòng)臺(tái)配置一根天線(xiàn)，用以接收或發(fā)送信號(hào)。無(wú)線(xiàn)信道仍被假定具有大尺度衰落、陰影衰落和平坦瑞利快衰落。在下行鏈路中，同樣假設(shè)基站從所有天線(xiàn)中選擇若干天線(xiàn)進(jìn)行MRT。研究中仍然忽略各個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的信號(hào)到達(dá)用戶(hù)的時(shí)延差。在上行鏈路中，基站選擇若干根天線(xiàn)采用MRC接收移動(dòng)臺(tái)的發(fā)送信號(hào)。在上述場(chǎng)景下，本文推導(dǎo)了上下行小區(qū)平均遍歷容量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后應(yīng)用Jensen不等式得到小區(qū)平均遍歷容量的一個(gè)下界函數(shù)，最大化該下界函數(shù)同樣得到基站側(cè)多天線(xiàn)所應(yīng)遵循

6、的“最小平方距離準(zhǔn)則”。當(dāng)用戶(hù)在小區(qū)內(nèi)均勻分布，基站側(cè)多天線(xiàn)按照?qǐng)A形布局（指天線(xiàn)端口只能均勻放置在一個(gè)與小區(qū)同圓心的圓周和可選的圓心位置上）方案分布時(shí)，本文推導(dǎo)出“最小平方距離”分布的擺放半徑的解析表達(dá)式。仿真表明該半徑接近最優(yōu)半徑。此外，在用戶(hù)均勻分布，天線(xiàn)一般布局（指天線(xiàn)端口可以在小區(qū)內(nèi)任意放置）條件下，本文應(yīng)用廣義Lloyd算法（矢量量化中的碼本設(shè)計(jì)算法）給出了天線(xiàn)端口的“最小平方距離”分布。仿真表明當(dāng)天線(xiàn)端口數(shù)小于20時(shí)，相比于

7、圓心放置天線(xiàn)的圓形布局，經(jīng)過(guò)廣義Lloyd算法優(yōu)化的一般布局只獲得不大的容量增益。這說(shuō)明圓形布局是一種次優(yōu)天線(xiàn)布局。該部分研究為常規(guī)的六邊形小區(qū)的天線(xiàn)最優(yōu)分布提供了理論依據(jù)。
　　 第三，多用戶(hù)場(chǎng)景線(xiàn)形小區(qū)的下行覆蓋基站側(cè)天線(xiàn)的最優(yōu)分布問(wèn)題研究。假設(shè)基站側(cè)有若干端口且每個(gè)端口只有一根天線(xiàn)（很容易推廣到多根天線(xiàn)的情況），移動(dòng)臺(tái)只配置一根天線(xiàn)。基站的每根天線(xiàn)被預(yù)先分配若干互不相同的子載波。小區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶(hù)同時(shí)接收下行信號(hào)。用戶(hù)的個(gè)數(shù)

8、等于基站能夠同時(shí)服務(wù)的用戶(hù)數(shù)。基站通過(guò)調(diào)度為小區(qū)內(nèi)的每個(gè)用戶(hù)分配基站天線(xiàn)和子載波。每根基站天線(xiàn)的總發(fā)射功率固定。本文假設(shè)每根天線(xiàn)上的不同子載波有相等的發(fā)射功率，并采用窮舉算法為用戶(hù)分配天線(xiàn)和子載波。在此假設(shè)下本文給出多用戶(hù)下行小區(qū)平均遍歷容量之和，通過(guò)兩次應(yīng)用Jensen不等式得到容量和的下界函數(shù)，并通過(guò)最大化該下界函數(shù)得到基站側(cè)多天線(xiàn)的次優(yōu)分布。當(dāng)用戶(hù)位置相互獨(dú)立且都為均勻分布時(shí)，本文給出天線(xiàn)次優(yōu)分布的解析解。研究表明，多用戶(hù)場(chǎng)景下基