多蜂窝环境下的分布式天线及基站协作技术研究

摘要

近年来随着无线通信的迅猛发展，各种智能终端设备以及多媒体业务的相继涌现，无线通信用户数量急剧增加，对数据率的需求也日益加剧，这对频谱资源提出了新的要求。频谱资源是一种比较稀缺的资源，通常是由政府机构采取授权的方式进行管理。随着多数的频谱资源已经分配给特定的用户，给移动用户再专门分配额外的频谱资源已不现实。这样就出现了急剧增加的数据率与有限的频谱资源之间的矛盾，如何在不增加频谱资源的前提下提高数据率是本文研究的重点。
　　 分布式天线系统是超三代和第四代移动通信系统的关键技术之一，具有很好的应用前景。在单小区环境中，它能够在不增加频谱资源的前提下，有效地提高移动用户的信道容量、降低中断概率和误码率，已经成为无线通信领域的一个研究热点，受到研究人员越来越多的关注。分布式天线系统的基本原理是:小区（蜂窝）内所有的天线模块已不再集中于小区中心，而是分散在小区的各个位置，当移动用户在小区内运动时，移动用户与天线模块之间的接入距离将变短。干扰是影响无线通信系统性能的重要因素，如何消除或利用干扰是学者们研究的重点，在本文中，我们提出了基站协作技术，不再把来自相邻小区的干扰信号看作无用信号，而是把其看作有用信号，对提高系统性能具有很大的帮助。
　　 另一方面，随着全球范围内自然环境的恶化和温室效应，人们开始更加关注无线通信系统的能效问题，并且能耗直接影响着移动运营商的收益和移动终端的电池寿命。在新一代无线通信系统中，我们研究分布式天线系统在能耗方面给移动运营商带来的好处。
　　 学者们针对分布式天线系统进行了大量的研究，他们主要采用中心极限定理方法，把干扰加噪声项看作是具有固定方差的高斯随机变量。此种分析方法的前提条件是干扰项足够多，而当干扰项比较少时，采用中心极限定理方法分析的分布式天线系统性能存在误差，对精度要求比较高的系统来说，我们要尽量消除误差，获得准确值。
　　 本文主要针对分布式天线系统的上述问题展开研究。首先，在前两章中介绍了无线通信的发展历程、分布式天线系统的发展和研究现状，并对无线通信信道模型、分布式天线模型、无线通信流程进行了详细的说明。在本文中，我们提出了“根”的概念，即各个分布式天线的发射功率与移动用户到相应发射天线的路径损耗的乘积称之为根，如果根相等，则称存在“重根”。然后，针对中心极限定理方法的限制条件，我们提出了非中心极限定理方法，并根据移动用户接收信号中期望信号和干扰信号是否存在重根的情形，对分布式天线系统进行分析;针对能耗问题，提出了新的分布式远端天线单元选择标准;针对干扰问题，提出了基站协作技术。
　　 论文在以下几个方面的研究取得重要进展:
　　 1)期望信号无重根干扰信号存在重根的分布式天线系统性能:当移动用户运动到参考小区内的某些位置时，移动用户接收端的期望信号中不存在重根而干扰信号中存在重根。以前对分布式天线系统的分析主要采用中心极限定理方法，把干扰加噪声项看作是高斯随机变量并且其方差是固定的常数，因而不需要考虑分母存在重根的情形，这样其分析过程比较简单。在第三章中我们主要运用非中心极限定理方法，把干扰加噪声项看作是随小尺度衰落变化的随机变量，当给定发射功率和路径损耗时，干扰加噪声项的方差依然是随机变量而不是中心极限定理中的常数。在非阴影衰落模式下，采用非中心极限定理方法推导了分布式天线系统各个性能指标的闭式表达式，并与中心极限定理方法进行了比较;在系统经历阴影衰落时，采用非中心极限定理方法推导出系统性能指标的近似表达式。大量仿真实验证明采用非中心极限定理方法的分析结果能够充分体现小尺度衰落对分布式天线系统性能的影响，并且能够精确地反映系统的性能。
　　 2)期望信号干扰信号都存在重根时分布式天线系统的性能:当移动用户在参考小区内运动时，移动用户接收端的期望信号和干扰信号中会出现同时存在重根的情况。在此种情形下，采用非中心极限定理方法如何对分布式天线系统的性能进行分析是我们研究的重点。在第四章中，针对期望信号和干扰信号同时存在重根的情形，根据条件期望和分部积分等数学知识，采用新方法对分布式天线系统的性能指标进行分析，推导了非阴影衰落时系统性能的闭式表达式和阴影衰落时的近似表达式，此种分析方法更具有普适性。非中心极限定理去除了中心极限定理的限制条件，把干扰加噪声项看作随小尺度衰落变化的随机变量，与中心极限定理方法相比更能精确反映系统的性能，我们通过仿真实验验证了理论推导过程的正确性。
　　 3)基于远端天线单元选择的多小区分布式天线系统性能分析:在分布式天线系统中，我们可以通过选择不同的远端天线单元与移动用户之间进行数据通信，在第五章中，我们提出了两种选择标准:基于最小距离和基于最大信干噪比的选择标准。推导了采用中心极限定理时基于最大信干噪比选择标准的系统性能的闭式表达式和采用非中心极限定理时基于最小距离标准的系统性能的闭式表达式。通过实验仿真验证基于选择传输模式的分布式天线系统具有选择增益和节省发射功率的优点，这符合当今社会所倡导的“绿色通信”标准。
　　 4)多小区协作的分布式天线系统信道容量分析:在前面几章对于多蜂窝分布式天线系统的性能分析中各个小区之间是相互独立的，相邻小区之间的信号视为干扰。在第六章中，提出了分布式多小区协作技术，它是指每个小区内的中心单元通过光纤或专用链路连接到中心单元控制器，通过中心单元控制器完成各个小区内分布式天线模块的调度和管理。在多小区协作的分布式天线系统中，小区之间的信号不能再简单的看作干扰信号，因为中心单元控制器可以把接收到来自相邻小区的信号中的有用信号提取出来，因此，多小区协作中不存在纯粹的干扰。在本章中，我们提出了新的系统模型，并对其信道容量进行了分析。
　　 本文最后，我们对所做的工作进行了总结，并就下一步的研究方向及重点进行了展望。主要内容包括分布式天线系统中相邻小区的干扰对齐技术、波束成形技术、家庭基站技术以及采用非中心极限定理方法时基于最大化信干噪比标准的远端天线模块选择传输模式的系统性能的闭式表达式的推导等。

目录

声明

摘要

符号说明

缩略语简表

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 分布式通信系统概述

1．3 分布式天线系统研究现状

1．4 论文研究对象及创新点

1．4．1 论文研究对象

1．4．2 本论文创新点

1．5 论文结构安排

第二章 多蜂窝分布式天线系统模型与信道特性

2．1 多蜂窝分布式天线系统模型

2．1．1 线性模型

2．1．2 环形模型

2．1．3 平面模型

2．2 分布式天线系统的设置

2．3 无线信道

2．3．1 无线信道的四种效应

2．3．2 无线信道中的路径损耗

2．3．3 无线信道的两种衰落

2．4 衰落信道的统计模型

2．4．1 瑞利衰落模型

2．4．2 莱斯衰落模型

2．4．3 Nakagami-m衰落模型

2．5 无线通信流程

2．5．1 移动台系统

2．5．2 基站系统

2．5．3 交换系统

2．6 本章小结

第三章 期望信号无重根干扰信号存在重根的DAS性能分析

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 中心极限定理与非中心极限定理

3．3．1 中心极限定理

3．3．2 非中心极限定理

3．4 分布式天线系统性能分析

3．4．1 信道容量

3．4．2 中断概率

3．4．3 误码率

3．5 仿真与性能分析

3．6 本章小结

第四章 期望信号干扰信号同时存在重根的DAS性能分析

4．1 引言

4．2 系统模型

4．3 分布式天线系统性能分析

4．3．1 信道容量

4．3．2 中断概率

4．3．3 误码率

4．4 仿真结果与分析

4．5 本章小结

第五章 基于RAU选择的多蜂窝分布式天线系统性能分析

5．1 引言

5．2 分布式多天线系统模型

5．3 选择传输模式的DAS性能分析

5．3．1 最大化SINR的选择传输模式

5．3．2 最小接入距离的选择传输模式

5．4 选择传输模式的功率消耗

5．5 仿真结果与分析

5．6 本章小结

第六章 多小区协作DAS信道容量分析

6．1 引言

6．2 系统模型

6．3 信道容量分析

6．3．1 单小区独立模式

6．3．2 多小区协作模式

6．4 仿真与分析

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文主要工作总结

7．2 未来研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及参加的科研项目

外文论文一

外文论文二

外文论文三

学位论文评阅及答辩情况表