移动通信网分布式天线位置优选关键技术研究

摘要

分布式多天线主导的网络架构作为未来移动通信网的显著特征，可以提高系统容量、降低发射功率和扩大网络覆盖。对于分布式多天线系统而言，由于天线分布在不同的地理位置，首先要解决的问题就是如何优选天线的位置。然而，目前对于移动通信网分布式天线位置优选的研究还很不充分。
　　本文针对两种典型的分布式多天线系统——“分布式发射天线系统”和“协同中继系统”展开研究。针对分布式发射天线系统，从误码率角度研究了选择部分天线发射策略下的分布式天线位置优选和室内三维环境中的天线位置优选；针对中继系统，从中断概率角度研究了相关阴影衰落信道下的中继位置优选和协同自动重传请求(ARQ: Automatic Repeat reQuest)中继系统的中继位置优选。具体来说，全文包含以下四个创新点：
　　首先，在半径为 R的圆形小区内，针对圆形布局的分布式发射天线系统，推导了下行选择部分天线发射策略下的误符号率，提出了最小化小区平均误符号率的分布式天线位置优选方法，并且以选择1根发射天线和选择2根发射天线两种情况为例对所提方法做了说明。数值和仿真结果表明最优的天线半径与路径损耗因子、总天线数目和选择天线数目有关。特别的，当总天线数为6，选择天线数为2，路径损耗因子为3时最优的分布式天线半径是0.65R。
　　其次，研究了室内三维环境中分布式发射天线空时分组码(STBC: Space Time Block Coding)系统的天线位置优选技术。在考虑信号经历路径损耗、阴影衰落和莱斯衰落的情况下，首先推导了用户在室内的平均误符号率，然后通过最小化室内平均误符号率得到了最优的发射天线位置。理论分析和仿真表明优选的发射天线位置与房间的尺寸和移动台的高度有关，当房间的长a、宽b、高c和移动台高度h满足此处公式省略:时，分布式发射天线退化为集中式发射天线，即两根发射天线集中放置在屋顶中心；此处公式省略:时，两根天线分布在屋顶沿着房间长方向的中轴线上，并且关于屋顶中心对称，距中心距离为此处公式省略:。
　　再次，研究了相关阴影信道下放大转发(AF: Amplify-and-Forward)中继系统的功率分配和中继位置优选问题。在考虑路径损耗、小尺度瑞利衰落和相关阴影信道的基础上，首先推导了3点中继系统在高信噪比下的近似中断概率，然后以最小化近似中断概率为目标，分别研究了固定中继位置下的功率分配优化，固定发射功率下的中继位置优化，以及功率分配和中继位置的联合优化。理论分析和仿真表明：阴影衰落的标准差和相关系数会显著影响最优的功率分配和中继位置，因此在实际系统中不能忽略相关阴影衰落的影响；在考虑阴影衰落相关系数与位置有关时最优的中继位置不一定在源节点到目的节点的连线上；相比固定中继位置下优化功率分配和固定发射功率下优化中继位置，联合优化能得到更好的性能。
　　最后，研究了协同ARQ中继系统的功率分配和中继位置优化。首先推导了快衰落瑞利信道下3点解码转发(DF: Decode-and-Forward)ARQ中继系统在高信噪比下的近似中断概率，然后以最小化近似中断概率为目标，分别研究了固定中继位置下的功率分配优化，固定发射功率下的中继位置优化，以及功率分配和中继位置的联合优化。理论分析和仿真表明：当中断概率为10-3时，协同ARQ相对于直接传输有大约4dB的性能增益；最大重传次数和路径损耗因子会影响最优的功率分配和中继位置。
　　论文在分布式天线位置优选方面做出的上述研究成果，从误码率和中断概率角度给出了分布式多天线系统位置优选的方案，可以作为分布式移动通信网天线选址的重要参考。

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缩略词表

主要数学符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 主要研究内容与贡献

1.3 论文结构及内容安排

第二章 天线位置优选技术研究现状

2.1 引言

2.2 集中式系统天线位置优选技术

2.3 分布式多天线系统天线位置优选技术

2.4 本章小结

第三章 选择部分天线发射策略下的分布式天线位置优选

3.1 引言

3.2 系统模型

3.3 误符号率分析

3.4 优化问题与求解

3.5 数值与仿真结果

3.6 本章小结

第四章 室内分布式发射天线STBC系统的发射天线位置优选

4.1 引言

4.2 系统模型

4.3 性能分析

4.4 优化问题与求解

4.5 数值与仿真结果

4.6 本章小结

第五章 相关阴影信道下中继系统的功率分配与中继位置优化

5.1 引言

5.2 系统模型

5.3 优化问题与求解

5.4 数值与仿真结果

5.5 本章小结

第六章 协同ARQ中继系统的功率分配与中继位置优化

6.1 引言

6.2 系统模型

6.3 中断概率分析

6.4 优化问题与求解

6.5 数值与仿真结果

6.6 本章小结

第七章 全文总结

7.1 本文贡献

7.2 下一步工作的建议和未来研究方向

致谢

参考文献

作者已发表、录用文章及申请专利

攻读博士期间参加的科研项目