分布式天线系统的能效/谱效性能分析及高能效设计

摘要

分布式天线系统(Distributed Antenna System，DAS)已经被运用于第四代移动通信系统长期演进系统(Long Term Evolution Advanced，LTE-A)的异构网当中，被用于提升数据链路可靠性和频谱效率。考虑未来密集覆盖场景的需求，如何基于分布式天线架构实现大规模天线系统仍是学术界和工业界关注焦点。然而，随着天线数目增加，为提供高速移动数据业务并提升小区边缘用户的体验速率，如何解决无线接入网络的功率消耗与频谱效率提升之间的矛盾成为网络部署和资源优化的焦点。此时，需要从能量效率(Energy Efficiency，EE)重新思考网络部署和无线资源管理问题。
　　仅从频谱效率的角度看，高功率，大带宽可以使得系统容量得到极大提升。但从能量效率的角度考虑，由于系统信号处理功耗以及电路静态功耗的存在，使得提高发射功率和增加带宽并不总是可以提高系统的能量效率，甚至反而会使能量效率下降。尤其针对分布式大规模天线系统，迫切需要新的资源管理方法来提高无线通信系统的能量效率。
　　本文的主要研究工作包括：1）以单小区单载波分布式天线系统为研究对象，重点分析了可达能量效率与用户位置的关系，并与集中式天线系统进行了比较；2）以采用正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiple，OFDM）的分布式天线系统为研究对象，提出了基于系统能量效率的资源分配方法，并且该方法考虑了用户间的速率公平性；3）以分布式大规模天线系统(Large Scale Atenna System，LSAS)为研究对象，研究了将系统用户划分成簇后的高能量效率设计和资源分配问题。各章主要内容如下所示:
　　第一章概述了分布式天线系统的起源及发展，并简述了 OFDM系统和 LSAS系统的关于能量效率问题的研究现状，最后给出了本文主要内容和结构安排。
　　第二章以能量效率作为性能指标，以单载波系统作为研究对象，分析并比较了单小区分布式天线系统与集中式天线系统的性能与用户位置的关系，推导了基于用户位置的能量效率的上下界，尤其针对小区边缘用户位置的能效性能进行了分析和仿真，接着针对多用户场景，分析了系统能效与频谱的关系。在单小区环境下的仿真结果表明，采用分布式天线系统可为小区边缘用户提供较集中式天线系统更好的能量效率，但可达能效与用户距离中心基站的距离呈非单调递减的关系，并且系统能效与谱效呈拟凸关系。
　　第三章研究了分布式天线OFDM系统下基于能量效率的资源分配问题。本文提出将资源分配的组合优化问题分解成载波分配和功率分配两个子问题，并且充分考虑各用户速率的比例公平性。在功率分配时，依次使得各天线的能效最优以达到全系统能效的次优，并采用次梯度算法，通过有限次迭代得到各载波的功率值。在单小区多用户环境下的仿真结果表明，提出的载波分配和功率分配方法能有效提高系统的能量效率，并且满足各用户速率的比例公平性。
　　第四章研究了分布式大规模天线系统的高能效设计问题，研究对象是自适应调制下的有效能量效率。本文提出，先基于大尺度衰落将用户与分布式天线相关联并形成原始簇，给定簇间干扰阈，再根据簇间干扰阈将相互之间干扰较强的用户整合成一簇。从而，当簇间干扰阈较大时，簇与簇之间的干扰可以忽略不计，因此最大化系统有效能效的目标可通过最大化各簇有效能效来实现。并且，通过簇间干扰阈的自适应调整可以进一步提高系统的有效能效性能。在基站天线网格式布置环境下的仿真结果表明，在考虑BBU处理功耗时，提出的设计方案能达到较好的有效能量效率性能。
　　第五章总结了本文的研究工作，并且给出了本文可以扩展研究方向。

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缩略词表

主要数学符号表

第一章 绪论

1.1引言

1.2分布式天线系统介绍及能效/谱效研究现状

1.3本文主要研究内容和贡献

1.4本文课题来源

1.5论文结构及内容安排

第二章 分布式天线系统的能效/谱效性能研究

2.1引言

2.2系统模型

2.3系统的能量效率

2.4 DAS与CAS下基于用户位置的EE性能对比

2.5多用户下DAS与CAS的EE/SE性能对比

2.6本章小结

第三章 分布式天线OFDM系统下基于能效的资源分配

3.1引言

3.2系统模型

3.3数学基础

3.4基于能效的资源分配

3.5性能仿真和结果分析

3.6本章小结

第四章 分布式大规模天线系统的高能效设计

4.1引言

4.2系统模型

4.3自适应调制

4.4能量效率问题描述

4.5基于簇分解的RRH选择

4.6簇内基于能量效率的功率分配

4.7性能仿真和结果分析

4.8本章小节

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2下一步研究工作

致谢

参考文献

个人简历

攻读硕士学位期间参加的科研项目及研究成果

学位论文答辩后勘误修订说明表