基于分布式天線的網絡設計及網絡協(xié)作通信研究.pdf

1、分布式天線系統(tǒng)（Distributed Antenna Systems，DAS）與毫微微蜂窩基站（Femto）是未來無線通信系統(tǒng)中十分重要的組成部分，它們都具有發(fā)送功率低、覆蓋范圍小并且部署成本較低等特點。一方面，它們往往進行高密度部署，能夠有效提高通信系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域，消除通信系統(tǒng)的覆蓋盲點；另一方面，它們支持的用戶數較少，為每個用戶分配的資源較多，能夠滿足用戶的高速率通信需求。
　　部分頻率復用（Fractional Frequ

2、ency Reuse，F(xiàn)FR）能夠有效提高小區(qū)邊緣用戶的接收信號與干擾加噪聲比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR）以及整個通信系統(tǒng)的頻譜效率。此時，傳統(tǒng)的宏小區(qū)被劃分為小區(qū)中心區(qū)域與小區(qū)邊緣區(qū)域，而所有宏小區(qū)的中心區(qū)域將使用相同的頻帶，而在相鄰宏小區(qū)的邊緣區(qū)域部署完全正交的頻譜資源。此時，小區(qū)中心區(qū)域的用戶離相鄰小區(qū)的宏基站距離較遠，其收到的共信道干擾經過長距離衰減將大大降低，用戶

3、的接收SINR能夠滿足其需求；而小區(qū)邊緣區(qū)域的用戶將不再收到來自相鄰小區(qū)的共信道干擾，其接收SINR獲得提高。從頻譜效率的角度來看，采用FFR的通信系統(tǒng)的小區(qū)邊緣區(qū)域的頻譜效率仍然很低。為了進一步提高小區(qū)邊緣區(qū)域的頻譜效率，DAS可以部署在宏小區(qū)的邊緣區(qū)域；另外我們在系統(tǒng)的整個覆蓋范圍內隨機部署Femto基站，用于服務通信系統(tǒng)的室內用戶。本文從系統(tǒng)資源分配的角度出發(fā)，針對上述的無線通信系統(tǒng)進行研究，并取得了若干具有創(chuàng)新性的研究成果。論文

4、的主要工作和創(chuàng)新點可概括如下：
　　1.對于小區(qū)邊緣區(qū)域的終端用戶而言，它由距離其最近的分布式天線提供服務；當終端用戶處于兩個分布式天線中間位置時，它將收到來自于相鄰分布式天線的強共信道干擾。為了降低相鄰分布式天線之間的共信道干擾，采用多點協(xié)作（Coordinated Multi-Point，CoMP）傳輸可以有效降低甚至消除多用戶之間的共信道干擾。本文采用非支配排序基因算法（Non-dominated Sorting Genet

5、ic Algorithm II，NSGA-II）對基于分布式天線系統(tǒng)的FFR通信系統(tǒng)進行了研究，對分布式天線系統(tǒng)的部署位置、宏基站與分布式天線之間的功率分配以及系統(tǒng)的頻譜資源分配進行了優(yōu)化。該算法能夠有效提高該通信系統(tǒng)的系統(tǒng)吞吐量，同時能夠降低該網絡的覆蓋盲點。大量的仿真結果表明，無論對于那種頻譜分配方案，相對于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)而言，基于分布式天線的無線通信系統(tǒng)都能夠獲得更高的系統(tǒng)吞吐量與較高的覆蓋率。如果發(fā)送端具有當前所有鏈路的完美CS

6、I，那么基于CoMP傳輸的無線通信系統(tǒng)將獲得3dB的系統(tǒng)吞吐量增益；然而，當通信系統(tǒng)的實際信道估計誤差、信道量化誤差等信道誤差較大時，其能夠達到的系統(tǒng)性能將逐漸降低，甚至比傳統(tǒng)的非CoMP傳輸的系統(tǒng)更差。研究結果表明，實際通信系統(tǒng)采用CoMP傳輸時其信道狀態(tài)信息誤差必須控制在一定的范圍內。
　　2.對于基于分布式天線的FFR通信系統(tǒng)而言， CoMP傳輸要求在發(fā)送端具有當前所有鏈路的信道狀態(tài)信息（Channel State Info

7、rmation，CSI）。CoMP傳輸抗共信道干擾的能力取決于發(fā)送端的預編碼矩陣的準確性，而發(fā)送端的預編碼矩陣又是當前所有鏈路CSI的函數。在實際的通信系統(tǒng)中，尤其是針對上、下行采用頻分復用（Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD）的通信系統(tǒng)而言，接收端通過對導頻信號進行估計來獲得當前鏈路的CSI估計值，然后對其進行量化處理并反饋回發(fā)送端。另一方面，CoMP傳輸總是假設發(fā)送端與接收端能夠進行完美的時間與頻率同步，并且

8、假設發(fā)送端的所有信號同時到達接收端。本論文針對上述問題就信道估計誤差、量化誤差、反饋時延以及收發(fā)端之間的時間頻率偏差對多種頻率復用技術下CoMP傳輸的影響進行了研究，同時我們推導出迫零預編碼和隨機向量量化處理時的協(xié)作傳輸增益的理論值，它有助于基站協(xié)作傳輸的理論分析工作。
　　3.為了提高通信系統(tǒng)的頻譜效率同時提高系統(tǒng)的用戶接收性能，我們考慮在宏小區(qū)的邊緣區(qū)域部署DAS，同時在宏小區(qū)內部署Femto基站分別支持系統(tǒng)的邊緣用戶以及室內

9、用戶。本文針對基于DAS與Femto的通信網絡進行了研究，推導出了基于DAS與Femto基站的終端用戶接收SINR的分布函數，并給出了不同SINR門限下的用戶平均中斷概率以及系統(tǒng)的空間平均吞吐量。本文的研究結果表明，對于采用統(tǒng)一頻率復用（Unity Frequency Reuse，UFR）的系統(tǒng)而言，基于DAS和Femto的雙層網絡的優(yōu)化設計與Femto基站的密度無關；當系統(tǒng)的頻率分配方案采用FFR時，隨著Femto基站密度越來越高，宏

10、小區(qū)將細化為以宏基站以及分布式天線為中心的覆蓋區(qū)域更小的微小區(qū)。
　　4.當終端用戶處于宏小區(qū)的邊緣區(qū)域時，相鄰宏基站與多個終端用戶形成網絡多輸入多輸出（Network Multiple-Input Multiple-Output， Network-MIMO）系統(tǒng)，基站協(xié)作傳輸可以有效降低多用戶之間的共信道干擾。由于實際通信系統(tǒng)中存在的信道估計誤差、信道量化誤差以及反饋時延，當基站協(xié)作傳輸不能滿足用戶的需求時，本文提出了基于聯(lián)合網

11、絡單元（Coalition Network Elements，CNE）的兩跳傳輸方案，其中相鄰的宏基站在第一跳中對多個終端用戶進行基站協(xié)作傳輸，而CNE負責其到終端用戶之間的第二跳傳輸。當基站協(xié)作傳輸采用迫零（Zero-Forcing，ZF）預編碼算法且終端用戶采用隨機向量量化（Random Vector Quantization，RVQ）處理估計到到的信道狀態(tài)信息時，本文推導出了基站到用戶端的協(xié)作傳輸增益，同時本文推導出了所提傳輸方案