（通信与信息系统专业论文）分布式天线小区系统中协作干扰抑制技术的研究.pdf

摘要 在发射端和接收端都采用多天线的多输入多输出( m i m o ) 技术是未来移动 通信系统的关键技术之一。然而，当把m i m o 技术应用到多小区系统时，由于受 到来自相邻小区同频干扰的影响，多小区m i m o 系统变为了一个干扰受限系统。 本文调研了各种多小区系统中干扰抑制方案，包括传统的干扰抑制技术、先进的 接收技术、先进的发送技术和小区干扰问题的关键技术，比较了它们的优劣。其 中分布式天线结构和多小区基站协作技术被认为是关键的战略性解决方法。本论 文的主要工作即是针对下行链路分布式天线m i m o 多小区协作系统中的干扰抑制 问题展开研究。研究的内容主要包括以下几点。 目前已经提出了多种分布式小区结构，本文针对其中一种较为普遍的结构， 研究分布式天线多小区系统中下行链路的干扰问题。并且将基站协作通信和分布 式天线技术相结合，在适于分布式天线结构的每个天线功率受限的约束下，通过 最大化最小的用户频谱效率，保证用户频谱效率的公平性。本文参考凸优化理论， 运用内点法的一种对数障碍函数法，推导了此优化问题的数值迭代公式，并给出 了此算法的初始值。同时提出一种用户天线子流选择关闭算法，改进了传统的基 站协作迫零波束成型技术在用户数接近最大值时频谱效率急剧下降的缺陷。仿真 表明，基站采用分布式天线并且用户采用天线子流选择关闭技术的多小区协作通 信系统，可以获得更高的用户频谱效率，保证每个小区平均频谱效率呈现近似单 调递增的趋势。 数字无线通信系统的误码率直接决定了系统的服务质量的好坏，是衡量一个 系统性能的最终标准。本文考虑到分布式天线的特点和用户速率公平性的要求， 利用无编码正交幅度调制方式下误码率相对于信噪比的近似公式与容量公式相似 的特点，提出一种在各发送天线功率受限下，用户的正交幅度调制子流速率和功 率分配算法，最大化最小用户速率，同时保证误码率达到目标值。由于近似误码 率公式存在误差，进而提出一种迭代算法，对各子流的功率进行微调，为用户的 每个子流分配一种正交幅度调制速率，进一步提高频谱效率。另外，由于受到模 数转换器分辨率和算法复杂度的限制，往往难以做到非常高阶的调制，本文限制 了最大调制速率，这样该子流节省下来的功率，可以分配给其他的子流，提高其 他子流的速率，减轻最大调制速率的限制对用户速率的影响。仿真结果表明，在 第1 页 妻薹蓁霎 j 善善|皂霎：窭l 曼瞳耄i l 羹鐾孽蒂萎萝l g ! ! 羹缮三羹羹；嘉；墓| 蠢 量量萋：j i4 蠢萋琴童囊妻囊警警圳i 叠囊薹i i 三三薹茎婆 舅茎垂| 鎏藿耋耋萎薹翼塞奏爱娶嘉：薹垂喜嘉矗廷奏鬓霸i l 瑗强髫? 羹j j 翳稀萎雾裂薹誊蠹蓁d 霆l 垂垂霪 需馨霉藿心f o 冀薹匿匿薹；茎萎：囊主蕊琴琴墼； i 型| 圣叁酗l 萋c i _ 1 1 1 薹羹i 雾墓；垂型l l ；i 翼藩冀i 羹用薹薹薹i 插图目录 图4 - 4 用户速率v s 用户数6 8 图4 5 用户平均误码率v s 用户数一6 9 图4 6 用户速率v s 天线功率7 0 图4 7 用户平均误码率v s 天线功率7 0 图5 11 0 中断概率时不同信道估计误差下用户频谱效率v s 用户数7 8 图5 2 理想和误差信道下用户平均频谱效率v s 用户数7 9 图5 3 不同信道估计误差下用户的公平性v s 用户数7 9 图5 - 4 两天线两用户信号传播时延示例图8 4 图5 5 两天线两用户符号干扰示例图8 5 图5 6 矩形脉冲成型函数和积分函数图8 7 图5 7 异步干扰下的平均频谱效率v s 用户数8 7 图5 8 异步干扰下的最小平均频谱效率v s 用户数8 8 图5 9 异步干扰下的公平性v s 用户数8 8 第x f l 页 羹蓁萋羹 蓄皇昌皇冀不不姜；i ；喜婆鬟薹霎- 7 兰藿蠹享茎霎雾墅曼! ! ! 薹霎爱薹蓁霎霎l ：蠹蓁；囊i 窆；蓁蓁蓁鬻雾主】气： ! 叁潭l羹卷霎囊蓁i ! 嚣i 萎笪；i 蓁篓垂蓁薹川i 辇羹羹篓鬈蠹l 薹f f 髦i ；i 薯i 鼍 ，鍪墓i 辇鏊鬻圭；墓；4 霍霍雾霎薹薹鍪一 结鎏冀? 萎l i 囊蒸器蠡；塞疑；二雾；! 量蕈磺! 霎室董；霪委委茎l l 重霎i妻i 筵雾婆氢萋主奏塞! 璧霎霎霎；击耋害。姜i 奏i ! 季：二；霉羹| ；睡鞋竖罹l i 群l 耄雷鏊鏊i 霎墓雾l 蠹垂薹蓦l 萋 萋霉爹i 蓍；霎磊i 萋霎 垂匡霉蓑；l 嚣；j 熏黧篓霹霪耋；囊鏊宝蓁囊霹薹季罄量量i 雾i 拥：；i 萋蓁j | 雾 ；i 篓霎；童霪霎至。 i 耋雾： 薹毒翼l 鉴霎雾莲臣。羹薹鬟蔓l ；2 藿 x 第1 章绪论 1 1 现代移动通信系统的发展 自从1 8 9 7 年意大利人马可尼第一次在一个基站与一只拖船之间实现了距离 长达1 8 英里的无线电消息传输以来，不受时间和地域限制、向任何人都能提供 高效优质的通信服务一直是移动通信技术领域所追求的目标。一个多世纪以来， 尤其过去的几十年以来，移动通信领域取得了一系列的重大的进展，深刻改变了 人们的生活、工作、思维方式，并进一步推动了社会向前快速发展。 移动通信最初的发展，经历了从模拟到数字的巨大变革。最早的模拟移动电 话投入市场后，使个人通信服务系统大批量地出现，诞生了第一代移动通信系统 ( 舢订p s 等) ，即模拟移动通信系统。其后，从上个世纪9 0 年代开始，移动通 信飞速发展，第二代移动通信系统日趋成熟，它是在克服第一代模拟系统不足之 处的基础上发展起来的，通常采用单天线收发( 单入单出s i s o ，s i n g l e i n p u t s i n g l e 0 u t p u t ) 技术，构成单天线收发小区系统。同时，它采用了数字信号处理 技术，其多址方式采用了时分多址( t d m a ) ，频分多址( f d m a ) 和码分多址 ( c d m a ) ，如全球移动通信系统( g s m ) 、个人数字蜂窝( p d c ) 以及i s 9 5 ( r i ms t a l l d a r d9 5 ) 等，它实现了全球无缝覆盖和全球漫游，以及多种移动通 信制式的融合【l 】。基于大规模集成电路的发展，单天线收发的移动通信系统得到 了飞速发展，移动通信的用户数量迅速增长，1 9 9 7 年全球移动用户为2 亿，2 0 0 4 年达1 4 亿，而到2 0 0 7 年达1 8 亿。 随着信息技术的发展，语音通信已不能完全满足移动用户对信息交流的需 要，移动用户希望能随时随地获取除语音之外的数据、视频和图像等信息，并提 出了对更高容量、更高服务质量的高速通信的需求，这极大地推动了第三代移动 通信系统的出现和发展。第三代移动通信系统可以提供移动高速业务，包括高速 移动环境( f d d ：5 0 0 k n 泊，t d d ：1 2 0 l ( i r l 1 1 ) 支持速率为1 4 4 k b p s 的业务，步行 移动环境( 3 0 k l 1 1 ) 支持速率为3 8 4 k 1 ) p s 的业务，室内环境( 3 k n 洫) 支持速率 达2 m b p s 的业务。其中，具有代表性的是欧洲的w c d m a 系统，美国的 c d m a 2 0 0 0 系统以及中国的t d s c d m a 系统。其中，具有代表性的是欧洲的 第1 页 第1 章绪论 w d m a 系统，美国的c d m a 2 0 0 0 系统以及中国的t d s c d m a 系统，其具体 参数如表1 1 所示。 表1 1w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 系统比较 参数w c d m ac d m a 2 0 0 01 xt d s c d m a 码片速率 3 8 4 m c p s1 2 2 8 8 m c p s1 2 8 m c p s 带宽5 m h z1 2 5 ，5 m h z1 6 m h z 帧长1 0 m s2 0 m s 1 0 m s 基站的同步异步同步 同步 随着互联网的蓬勃发展和用户需求的进一步提高，未来移动通信系统要求提 供包括实时流媒体业务在内的更广泛类型的因特网服务，支持更高速率的多媒体 业务，而且可以为各种业务提供大范围动态变化的传输速率。而这又受到系统功 率、带宽和复杂度的限制。具有高频谱利用率和高性能的通信方式是无线通信领 域重要的研究开发目标之一。目前，针对后三代( b 3 g ：b e y o n d3 g ) 和第四代( 4 g ) 移动通信系统的研究正在全球范围如火如荼地开展 1 ，2 】。同3 g 等已有的数字移 动通信系统相比，4 g 系统应具有更高的数据率、更好的业务质量( q o s ：q 叫畸o f s e i c e ) 、更高的频谱利用率、更高的安全性，以及更高的智能性和灵活性；4 g 系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；4 g 系统应体现移动与无线接入 网和l p 网络不断融合的发展趋势。其中，就更高的数据速率而言，对4 g 提出的 目标是：对于大范围高速移动用户( 2 5 0 l ( i l 】1 1 ) ，数据速率为2 0 m b p s ；对于中速 移动用户( 6 0 k m 1 1 ) ，数据速率为l o o m b p s ；对于低速移动用户( 室内或步行者) ， 数据速率至少为1 g b p s 。同时，与移动通信系统平行发展的各种宽带无线接入系 统，一方面在不断提升目标速率，另一方面也在朝着支持终端移动性的目标发展。 目前已经提出了正交频分复用( o f d m ：o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i 叽 m u l t i p l e x i n g ) 技术【3 】，多天线输入输出( m i m o ：m u l t i p l ei n p u tm u l 邱 l eo u t l ) u t ) 技术 4 】，超宽带( u w b ：u l t r aw i d e b a i l d ) 技术 5 】以及认知无线电( c r ：c o g 砸t i v c r a d i o ) 技术【6 】，高性能编码、调制技术【7 ，8 等先进技术。 第2 页 第1 章绪论 本文研究的对象正是其中一项备受关注的技术：多天线技术。它是近年来现 代通信中的重大技术突破之一，引入多天线技术，可以显著提高无线通信系统的 频谱效率。 1 2 多天线技术概述 多天线技术更多的时候被称作多入多出( m i m o ：m u h i p l ei n p u tm u l 卸d e o u t p 此) 技术，是指发送和接收端采用多根天线进行通信。广义而言，还包括 s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u 勺哪) 系统和m i s o ( m u l t j p l e 一螂u ts i n g l e o u t p u l ) 系统。 图1 1 所示为m i m o 系统的原理图。对于一个肘根发送天线，跟接收天 线的m i m o 系统，传输信息流经过空时编码等处理，形成若干个信息子流。这 些子流由膨个天线发送出去，经空间信道后由个接收天线接收。多天线接收 机利用空时信号处理，能够分开并解码这些数据子流，从而实现高容量的最佳接 收。 y 7 0 一 i 一， x 2 1 r x m i y l h 少2 批 图l - lm i m o 系统原理图 上个世纪末，t e l a t a r 等人给出了在高斯信道和衰落信道下的m i m o 系统能 够获得的高容量 9 ，1 0 】。t e l a t a r 的研究表明，m i m o 系统利用多个收发天线充分 开发空间资源，在不增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高容 量。利用m i m o 技术提高容量的同时，还可以提高无线传输的可靠性，降低误 码率。因而，在未来的移动通信系统中，人们对m i m o 技术寄予厚望，将其视 为移动通信领域的重大突破 2 ，9 ，1 1 】。 第3 页 第1 章绪论 域，每一个小区域只提供服务范围内的一小部分覆盖，这样的小区域称为蜂窝小 区( c e l l ) ，多个蜂窝小区可以覆盖整个服粟甫慕菇或者天线酊功垂奏童 习薹辅鬈篆掣冀剽冀醌孙铎失；薹拦j 霪霾黼蔷霎镯翼焉燮鋈塞薹若萋| i 霹我! e 厶，萋鞘黧盟适详幅溪磊型萋； 羟琵薛羁醵筠姜震嚣一f 弼聿囊錾霾网选雾蓖霉。蔓雩五蓁翼跳囊霪羼冀蓁 帕琵是羹羹题 的方案。 1 3 4 分布式无线通信系统 文献 5 0 】提出了一种具有良好的开放性、灵活性、和扩展性的分布式无线通 信系统结构( d w cs ) ，这一概念适应未来通信发展的需要。d w c s 主要分为四 个层次： 第一层是分布式天线系统。天线分布在地面的不同位置，发送和接收来自移动 台的无线射频信号。由于在未来的高速无线通信中，往往采用比较高的频率发送， 使得无线信号的传播距离很短，因此要实现对某个区域的无缝覆盖需要很多的天 线。另外为了提高系统的容量，也经常采用多天线结构，例如智能天线和直放站。 如果在天线端增加复杂的信号处理，不仅损失了信息量，而且增加了系统的成本。 因此在d wc s 中，分布式天线对无线信号只完成功率放大和光电转换等最简单 的功能。 第二层是分布式光纤传输系统。光纤分布在地下，完成分布式天线和分布式 处理系统之间的信号传输，不对收发的无线信号进行任何信息处理。从功能上来 看，分布式光纤传输系统相当于是空中传输的延续，但是它基本上不会降低信号 质量，因为光纤传输的误码率很低。当然在d w c s 系统中，我们假设未来光纤 的成本很低，这是符合当前光纤技术的发展趋势的。另外为了区分来自不同天线 的信号，在这一层里需要给无线信号打包，以表明来自和发送给哪根天线，将要 传送给哪个处理节点。一般情况下天线采用内部地址标识，而处理节点则可以采 用内部地址或者全球识别的地址，如i p 地址，在不同的发展阶段可以有不同规 定。 第 x 第1 章绪论 第三层是分布式处理系统。每个处理节点分布在不同的位置，完成对无线信 号的一项或多项处理功能，如调制解调、匹配接收机或信道编译码等。处理节点之 间相互通信，协调工作任务，共同完成物理层和链路层的功能。 第四层是为虚拟或分布式核心网络。网络节点分布在不同的地理位置上，甚 至可以是i n t e m e t 网络的节点。网络节点主要完成数据交换、路由、安全认证以 及相关数据访问等功能，可以认为分布式网络相当于传统无线通信系统中的核心 网络。当引入移动口后，分布式网络还需要承担代理服务器的功能。由于在这 一层里主要进行数据的网络层及信令的高层处理，因此可以采用t c p p 协议进 行数据传输，取代传统的建立在七号信令网上的m a p 协议和i s - 4 1 协议，以便 能够和h l t e m e t 更好的结合，最终完成与i n t e m e t 的融合。 1 4 多小区系统的干扰抑制技术 本节回顾和概述了多小区m i m o 系统中可能的o c i 抑制技术，分析他们的 优劣，并讨论他们的可行性【5 l 】。 1 4 1 传统的干扰处理方法 多小区系统中，邻小区干扰问题已经存在了许多年，已有许多传统的干扰管 理方法，包括频率复用，扇区化，扩频等。这些技术可用于抑制多小区m i m o 系统的o c i ，但各自有着严重的缺点。 1 4 1 1 频率复用 频率复用由于其简单实用，很早就已被用于蜂窝小区系统的o c i 抑制。使用 频率复用时，一个簇( c l 咄r ) 内各小区之间频谱不同，各个簇之间频率可以复 用。频率复用通过把同频干扰小区在空间上远隔，有效地减少了o c i ，特别是有 助于提高小区边界处的用户的服务质量。但是显而易见，频率复用降低了整个系 统的频谱效率，因为每个小区只用到了一部分( 例如1 3 ，1 7 等) 的频谱资源【5 2 】。 全( u n i v e r s a l ) 频谱复用虽然可以简化了小区规划问题，减小了频率复用因子带 来的频谱效率的降低，但却同时导致了m i m o 系统令人难以容忍的干扰。除非 有大量的天线数，否则系统的m i m o 增益不会超过频率复用因子带来的频谱效 率的损失，因而，频率复用不能彻底解决m i m o 系统的o c i 问题。 第9 页 第1 章绪论 1 4 1 2 小区的扇区化 小区的扇区化是另一种减少小区边缘平均干扰的方法。扇区化的思想是利用 架设在高处的方向性天线约束基站的发送波束。由于频率在每个扇区复用，扇区 化提高了平均s i n r 和体统的平均频谱效率。在多小区系统中，扇区化技术虽然 很有效，但是减小了多径分集，即缺少充分的本地散射，从而减弱了m i m o 技 术的优势。扇区角度太小也导致每个扇区的用户数不平衡，在扇区内用户较多时， 限制了的每个用户的容量，同时在用户较少的扇区浪费了容量 5 3 】。从实用的角 度，认为6 0 度划分出来的扇区数已经是最大的扇区数。无论如何，小区扇区化 不会带来很大的频率复用损失 5 2 ，5 4 】，因此比频率复用更吸引人们的注意。 1 4 1 3 扩频技术 在现代小区系统中，另一种有效的平均化干扰的方法是使用扩频技术，例如 直接序列c d m a 技术，或者g s m 中的慢跳频技术。在这些系统中，通过调整每 个小区的业务量在一个可以接受的水平以下，从而控制o c i 。但是因为m i m o 系统对干扰更加敏感，这些业务量会进一步降低。 1 4 2 先进的接收技术 当m i m o 接收机已经知道干扰时，可以大大削弱o c i ，提高系统性能。目 前大多数的多用户接收机只考虑小区内部干扰，不可能应对未来无线通信系统的 挑战。抑制天线间干扰的m i m o 接收机已经得到了广泛的研究，包括线性的、 接近最优的和最优的技术。将o c i 融入到天线间干扰，抑制邻小区干扰，是多小 区系统自适应m i m o 接收机设计的主要挑战。 1 4 2 1 最大似然多用户检测( m l m u d ) 在多小区m i m o 系统中，如果接收机可以获得干扰源的即时( i n s 切n t a n e o u s ) 信道信息，m l m u d 可以使得误码率( b e r ) 最小化。然而，相邻的干扰基站 的即时信道信息很难获得，接收机的复杂度太高对于低功耗的移动台也是很难承 受的。对于使用m q a m 的m i m o 系统，复杂度随着干扰数呈指数增加【5 5 】，即 使简单的情况也很难达到合理的复杂度。另一种是球形解码( s p h e r ed e c o d e r ) ， 即在以估计出的 x 第1 章绪论 1 4 2 2 最小均方误差接收机 对于m l 接收机复杂度太高的问题，一个很自然的方法是考虑寻找m l 接收 机的线性近似。迫零空间接收机因为可能增强邻小区干扰，性能并不好；而对于 m m s e ( m m s e ) 接收机，可以利用空间干扰抑制噪声的增强。m m s e 接收机可 以分为两类：一种是干扰信道已知的( m m s e m u d ) ，另一种是只知道平均o c i ( 典型的m m s e ) 【5 6 】。只知道平均0 c i 的m m s e 接收机比z f 接收机好得多， 但由于不能解决的邻小区干扰增强的问题，性能不是很好。m m s e m u d 由于能 够明显的抑制邻小区干扰，有着很好的性能。但它仍旧面临两个重要问题：第一， 与m l m u d 类似，主要的难度是获取干扰基站的即时信道信息；第二，每个干 扰基站的每一个发送天线都是一个独立的干扰源，当接收天线远少于干扰源时， 很难有效地抑制所有这些干扰。为此，一个简化的方案是仅对消最强干扰基站的 导频和公共信道信号，减轻信道估计开销。从整个网络角度看，大约有l o 2 5 容量增益，虽然是一个有价值的应用，但并没有飞跃性的进展。 1 4 2 3 干扰消除接收机 在单天线系统中，非线性接收机经常提供一个性能和复杂度的平衡【4 7 】。在 多小区m i m o 系统中，分组( g r o u p ) 检测技术很有吸引力，即串行地检测每个 组的信息比特【5 5 】。一种比较流行的分组检测技术是分组判决反馈多用户检测， 这种技术是对b l a s t 的扩展，接收机检测一个m i m o 信号，然后反馈假定的判 决到其他的组检测器进行干扰消除。尽管在完全的干扰消除的假设下，连续干扰 消除的结果逼近最优解，但它对信道估计的精度十分敏感。另外，干扰消除接收 机对于低功率移动台来说仍然具有太高的复杂度。 在小区系统中，不同的基站为了帮助移动台进行同步和切换等，会发出一些 周期性的导频信道，移动台周期性的监测本地和相邻基站的导频信道，接收机可 以利用这些导频信号获得下行信道信息，同时帮助基站进行小区切换。但是，上 述各种先进的接收技术的主要缺点是：对于移动台，这些方案太复杂，因为每个 移动台每个信道相关时间需要经常性地更新一次相邻基站的信道，并且进行复杂 的干扰抑制运算。 第1 1 页 第1 章绪论 1 4 3 先进的发送技术 在许多系统中，无论是理论还是实际，发送端自适应传输方案都显现出其高 度的优越性。一个众所周知的例子是自适应调制，对于信道好的用户采用较高阶 的调制方式以实现更高的数据速率；另一个方法是闭环分集，类似于最大比发送 波束成型技术。在下行多小区系统中，基于发送的技术有其特殊的优势，最重要 的一点就是将复杂度丌销从移动台转到基站，而基站则可以容忍比较高的复杂 度，并且可以装备更多的发送天线。当发送端仅仅已知本小区信道信息，而不知 道邻小区的具体信道信息，可以使用先进的信号处理技术来抑制其它小区的干 扰。 1 4 3 1闭环m i m o 分集方案 当发送天线数大于接收天线数，则可以通过闭环( c l o s e d l 0 0 p ) 反馈，在发 送端利用信道信息提高空间复用的分集性能。例如天线子集选择，选择信道最好 的若干天线进行传输，但是由于丰富的频率分集，天线选择在宽带系统中不是特 别有效 5 7 ，5 8 】。其他闭环方案包括特征值波束成型( e i g e n b e a m f o m i n g ) 和发送 预编码 5 9 】等。但这些方案要求发送机知道c s i ，针对c s i 的开销问题，最近高 效的有限反馈方案 6 0 】正在成为研究的热门。闭环分级方案提供分集和额外的阵 列增益，减小了空间复用的发送功率，于是减小了对其他小区的干扰。从系统的 观点，这些方法对于o c i 的影响，与采用功率控制的发送分集是一样的。 1 4 3 2m i m o 系统的流量控制 一个减小o c i 的简单而有效的方法是空间复用数据流。这个观点是通过流量 控制( s t r e a mc o n t r 0 1 ) 减小用户间的干扰 6 1 】，根据多种特征模式的特点，自适 应进行发送预编码，用低复杂度的接收机达到额外的分集 5 9 】。尽管表面上看起 来每个用户的发送数据速率比可能的最大子流数少，但实际上流量控制在许多情 况下可以提高系统的整体容量。事实上，从总容量的角度看，在低信噪比下，使 用发送波束成型发送单个子流经常是最优的选择。流量控制不直接面对o c i 的问 题，而是通过适当减少子流数目；把能量集中的在最好的特征值上获得更高的增 益，同时减少了对其它用户的干扰数，这也是本文所提出的用户天线选择性关闭 的想法的灵感来源之一。流量控制经常和自适应调制相结合，例如，接近基站的 用户由于有更高的信噪比，显然比小区边缘的用户支持更多的子流。由于接近基 第1 2 页 第1 章绪论 站，发给这个用户的功率可以减小，即使多个子流。对其他小区的干扰也有限。 总之，自适应子流控制是管理多小区o c i 的一个可行方案，任何系统的o c i 都 可以采用这种管理方案，但它自己不一定是o c i 解决方案，因为他仅仅简单地试 图避免这个问题。 1 4 3 3 结合发送波束成型的m i m o 干扰抑制 波束成型是一个用于许多技术的词汇，包括智能天线、特征值波束成型和发 送预编码等。而本文以处理干扰为目的，波束成型一般指一类信号处理技术，即 用于最大化送给目标用户的信号能量，同时最小化给其他用户带来的干扰 6 2 】。 波束成型既可能用于集中能量，也可通过空分多址接入技术( s d m a ) 支持多用 户。虽然用于波束成型的维数减少了同时传输的数据子流数，但两种波束成型仍 然可以和空间复用结合，获得多个高速数据流，这个波束成型的观点是引发了本 文的研究主线。一般用于干扰抑制的波束成型更适用于对消本小区干扰，因为它 发送端需要每个用户的完全的干扰信息，而直接减少o c i 很难，因为b s 很难获 得足够的干扰信息，因为其他基站到移动台的干扰和其他用户到基站的干扰不具 有对称性，因此，本文在最后分析了非理想信道环境下m i m o 多小区系统的性 能，其中包括了信道估计误差和考虑到信号传播时延的情况。 1 4 3 4 多用户分集 对于一个系统，当同一个考虑的时间间隔内，同时服务的用户( 又称为活性 ( a c l i v e ) 用户) 数大于一，则有可能利用多用户分集，调度信道较好的用户发 送【6 3 】。这一最先在单天线系统中提出的概念，在m i m o 系统中有许多不同形式 的扩展。最好的办法是用一种改进的s d m a ，多个用户共享同一个空间信道，同 一时刻所有天线分配给一个用户，理论上可接近或达到总容量最优。在锐利衰落 信道中，多用户分集的容量增益随着用户数成双对数增长，仅仅用少量的用户就 可以获得很高的容量增益。而对于宽带信道，由于丰富的频率分集的存在，s d m a 带来的多用户分集技术的增益急剧减小，所以，多用户分集更加适用于频域处理， 例如通过给不同的用户分配不同的子载波的o f d m a 系统。另外，对于多小区系 统，由于信道的大尺度影响，处于小区边缘的用户有可能会长时间得不到公平的 服务【6 4 】。总之，多用户分集通过简单的方式提供一种分集增益，当与发送功率 控制结合时，可以稍微减小o c i 。 笫1 3 页 第1 章绪论 m 匝m u d 最优的接收技术，非常高的复杂度，近期难以实现 信号和干扰同时需要o c i 知识 接收 m m s e m u d 比m l 的复杂度低需要o c i 知识，多需要瞬时o c i 知 个移动台天线。仅识，工业界目前正 有少量增益在研究 盲o c i m m s e类似z f 空间接收增强o c i 而不是仅提供l o 2 5 增 机，但噪声增加得抑制，性能差益，但仍可能被应 到抑制 用 相邻小区干扰消除性能与复杂度的 复杂度仍旧很高，为盲o c i 接收机 比例较高o c i 知识的精度提供额外的增益 要求较严格 流量控制减少o c i ，增加鲁降低数据速率自适应流控 棒性 多用户分集减少要求的发送与其它形式的分在调度中很有用， 功率，或者增加速集竞争，例如频率但对于o c i 抑制不 率分集是很有效 协作预编码，如理论上性能最优需要很精确的信可预见的将来不可 d p c 道信息和实时小能实用 区协作 闭环m i m o 分集达到最优的分集为了复用牺牲空可能获得应用，可 性能 间维数，发送端已以某种程度上降低 知信道 o c i 波束成型减少o c i牺牲空间维数，发有重要的价值，应 送端已知信道用起来有难度 协作发送减少o c i ，多用户要求基站间的简短期可以实现，战 分集增益单协作略性的 分布式天线系统通过发送功率减需要新的基础设如有大量的基础投 少o c i ，容易维护施部署资，短期可用 第1 6 页 第1 章绪论 1 5 论文的研究内容和组织结构 前文简要介绍了多天线技术的发展历程和多小区干扰对m i m o 技术所带来 的挑战，这些内容是本文所重点研究内容的一个起点，本文主要针对多小区基站 协作和分布式天线等关键技术入手，研究多小区系统下行链路的性能。下面将给 出本文其它部分的组织结构。 第二章主要给出多小区m i m o 系统中的系统模型及其描述。详细介绍了本 文后续将要用到的无线信道模型和分布式天线小区结构，其中包括大尺度衰落 ( 平均路径损耗模型和对数正态阴影模型) 、小尺度衰落( 瑞利衰落模型和莱斯 模型) 以及多用户多小区m i m o 系统的收发结构。这是论文后续分析的基础。 第三章针对多小区分布式天线系统中下行链路的干扰问题，将基站协作通信 和分布式天线技术相结合，通过最大化最小的用户频谱效率，保证用户频谱效率 的公平性。采用凸优化理论中内点法思想推导了该优化问题的数值计算的迭代公 式。同时提出一种用户天线选择关闭算法，改进了传统的基站协作追零波束成型 技术在用户数接近最大值时频谱效率急剧下降的缺陷。 ， 第四章针对多小区分布式天线的下行链路用户误码率性能方面展开研究。分 析了无编码q a m 信号的误码率近似公式，利用该公式与容量公式的相似性，在 每根天线功率受限和给定的目标误码率下，最大化最小用户的q a m 调制速率， 并提出一种功率调整算法，修正近似误码率公式的偏差，使得天线的功率得到充 分的利用，各个用户的各个自流分配一种功率和速率，尽可能保证用户的公平性。 第五章考虑了非理想信道对分布式天线小区系统频谱效率的影响。首先考虑 信道估计误差存在下，分析误差的方差分布，给出仿真曲线；其次，考虑信号的 传输时延，分析了异步干扰产生的原因，并且给出了考虑异步干扰的m i m o 多 小区系统的频谱效率。 第六章是本论文的结束语，本章将总结前面各章研究的内容，并讨论未来研 究的方向。 1 6 论文的创新点 l 、本文考虑一个分布式天线m i m o 多小区下行协作系统，采用多小区协作 迫零波束成型技术，消除小区间和用户间的干扰。为满足各用户公平性的需要， 第1 7 页 第1 章绪论 系统优化目标是保证最小的用户速率最大化，最终达到各个用户的速率相等。针 对分布式天线的特点，采用每根分布式天线的发送功率受限方式。引入凸优化理 论，采用内点算法中的对数障碍函数法，推导了此优化问题的数值迭代优化公式， 给出了算法的初值。与传统的集中式天线多小区系统相比，频谱效率有很大的提 升。 2 、针对迫零波束成型算法中，当用户数比较多时，用户的频谱效率随着用 户数的增多而急剧下降的缺点。本文提出了用户天线子流选择关闭算法，使得随 用户数的增加，每个用户频谱效率的下降，以及每小区平均频谱效率的提升，能 够保持近似线性的特征。 3 、本文在各个天线功率受限，以及在目标误码率约束下，推导了的无编码 q a m 系统比特速率的优化公式，使最小用户速率最大化。针对误码率近似公式 的误差，本文又提出了一种功率微调算法，充分利用发送功率的同时，保证了各 个用户的公平性。 4 、分析了在存在信道估计误差的非理想信道下的频谱效率。利用大尺度衰落 环境中信道估计误差方差的分布特点，给出系统的频谱效率性能曲线。在目标频 谱效率的要求下，分布式天线小区系统可以降低对信道估计精度的要求，同时可 以保持更高的用户公平性。 5 、分析了在考虑信号传播时延的非理想信道下的系统频谱效率。本文采用 接收端信号对齐的策略，在多收发天线、多数据子流的信道模型中，推导了异步 干扰存在下的用户频谱效率公式，并得出，除非已知具体的干扰信号，否则很难 完全消除异步干扰。给出了异步干扰的存在对系统频谱效率的影响。得出分布式 天线多小区系统可以获得更高的最小频谱效率下界，和更高的用户公平性。 1 7 符号说明 在本文中，所有的矢量和矩阵都用黑体的字母表示，如h 表示信道矩阵。研】 表示求随机变量的数学期望。求绝对值和矩阵行列式的操作用| i 或者d e t ( ) 表示， 二阶范数和f 范数的操作分别用1 1 i i ：和1 1 1 i f 表示。复数的转置、共轭转置、求逆分 别用【】7 、【】、 】。1 表示。随机事件用黑体字母表示，某一随机事件的概率用p r ) 第1 8 页 第2 章多天线多小区通信系统模型 形，本文只讨论最常见的一种，即移动无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在 带宽范围内具有恒定增益和线性相位，这被称之为平坦衰落过程。 2 1 2 1 瑞利( r a y l e i 曲) 分布 瑞利( r a y l e i 曲) 分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收 机包络统计特性的一种分布。瑞利衰落模型描述了传播环境存在足够多的散射 体，且传播中不存在视距路径时的衰落特征。衰落幅度口和衰落相位痧的联合概 率密度函数满足： m ，矽) 2 寺e x p 卜寺j ( 2 秭 注意到衰落相位矽满足均匀分布。衰落幅度口满足瑞利分布，因此被称为瑞 利衰落模型。 系统仿真中，分别由两个相互独立的零均值高斯随机变量组成实虚两部的复 随机变量z 即可建立瑞利分布： z = n 。m 越( 。，譬) + ，n 。r m 龃( 。，孚) c 2 7 ， 或记为z c ( 0 ，盯2 ) ，是零均值，方差为盯2 的复高斯分布，其中，是虚数 单位。 2 1 2 2 莱斯( r i c e ) 分布 还有一种常见的信道模型是传播环境中存在着视距路径的情况，当信道中存 在一个固定的直射分量时，此时的接收信号是多径散射信号和直射分量的叠加， 这时的信道称之为莱斯信道模型，其衰落幅度口的概率密度函数为： m ) = 扣( - 等) 厶( 等) 浯8 ， 其中，厶为贝塞尔函数。 在系统仿真中，莱斯分布的信道可以建模为： 办_ j 高 六z 倍9 ， 其中第一项对应于以均匀相位( 或线性相位) 到达的镜像路径( 直射路径) ， 第2 章多天线多小区通信系统模型 第二项对应于大量与直射路径相互独立的放射路径和散射路径的综合( 即瑞利衰 落) 。参数k 表示镜像路径能量与散射路径能量之比，k 越大，镜像路径到达的 信号能量越强，koo表示只有镜像路径的无衰落信道，k=o表示只有散射分量的瑞利衰落信道。2 1 3 无线信道的数学模型 根据2 1 1 与2 1 2 所描述的大尺度及小尺度衰落模型，可以得到移动通信 系统中一个完整的收发信机之间链路的信道响应表达神， 惜i 蓥嚣| 在蔼商i 运莓；堰瑶丝鬻皑篓i 随挲皇如何有效鋈勰薹匿；鋈基于睫鼹 氰痞美! 爱召； 辈s 眇耋童i 霉一霎毒i 麟萋，粪而蓥 冒务霪第出i 塞；篓蓁鋈妻霪鬻耋 冀囊 p 冀蓁薹雾雾墨 孤魏鞠瓣塑蓊，薹霎互幕i 醪毫鲤副鎏髫可刭冀匣群譬 甍| 霎一i 妻鬟童2 ；雾蟊爹r ，墅蠢冀矍蠢鼋崔埋嬗只使用全部可用信道的一 部 分，与之相邻的小区则使用另外一组不同频率的信道，如图2 2 所示。图2 2左 图所示是频率复用因子k ，= 1 3 的蜂窝小区拓扑结构图，即每个小区只使用全部 可用信道的l 3 ，来自同频小区在的干扰信号功率经过较长距离的衰减后被有效 降低。在非c d m a 系统中( f d m a 系统或者t d m a 系统，典型的如g sm ) 就 是采用的这种拓扑结构的小区，一般取k ，的值为l 3 1 7 。 然而较低的频率复用因子有一个固有的缺点：由于每个小区只能使用全部可 用频谱的一部分，从而降低了整个系统中频谱资源的使用效率。 鉴于频谱资源在无线通信中的稀缺性，因此提高系统的频谱利用率是十分必 要的，利用正交扩频码的c d m a 技术的出现有利的缓解了这个矛盾。通过在不 第2 章多天线多小区通信系统模型 在发送端，用户的源信息数据首先经过信道编码和调制后形成串行符号流 ( s ) ，i i l b 0 1 ) ，然后经串并转换为多路的并行数据子流送往各天线进行发射；发射后 的空时数据经过多天线m i m o 信道后到达接收端；多天线接收机将接收到的数 据通过一个空时检测模块进行处理后恢复出发送符号流，最后经解调和信道译码 后输出信息数据。 m t 编码 由 与 并 转 调制 换 i 三澎妻 、) o 。 2 、对于问题m i n 石( x ) ，计算： _ 一v 2 五( x ) - 1 ( x ) ， 乙：= ( x ) 7v 2 石( x ) q ( x ) 。 3 、如果矗棚2 o 2 、采用牛顿方法，计算x ( ，) ，使毵+ 矽最小化 3 、更新x ：= x f f ) 4 、如果川， o ，障碍函数 法k ：= ， l ，障碍函数法容许误差气 o ，牛顿回退因子， 第4 6 页 一x a 旦生”毫 ，纠 一 一x 可 川 l、 、l-， x r 幻 a+，l r ， ， e 电 唯 一 同m 村 第3 章分布式天线多小区协作系统的容量 2 、计算牛顿法的步长： 矗胁- v 伊( x ) 丁v 2 缈( x ) qv p ( x ) 。 ，e ：x + ( x ) 。 - 一v 2 9 ( x ) 。v 妒( x ) ，和牛顿法减量 采用牛顿方法，计算x + ( k 腑) ，最小化 3 、判断x + o 娜x 脚是否满足公式( 3 4 7 ) 的不等式约束条件，如果不满足则 回退k ，堋# 触脚枷，回到3 ， 4 、更新x ：= x + o 枷x 耐， 5 、如果一2 ，跳至6 ；否则回到2 ， 6 、如果m 卯 ，结束循环， 7 、更新k 栅净k 砌，回到2 。 算法的参数选择： l 、初值x ( o ) ：初值的选择应该满足公式( 3 4 7 ) 的约束范围，即初值应该位于 约束条件所围成的一个约束区域之内，否则无法收敛。 2 、牛顿法步长，赢椭：o 咖决定了求最小值的收敛速度，如果太小，则收敛 慢，如果太大，虽然收敛速度加快，但是很可能将x 取到了约束区域之外。所以， 应该按照回退原则选取。啪：当x + ，赢彻x 肼不满足约束条件，则脚- k ， 其中回退因子( o ，1 ) 。 3 、牛顿法容许误差毛一：巳一决定了无约束最小值问题的求解精度，然 而在障碍函数法中，对于的要求并不高，所以可以降低精度，以提高收敛 速度。 4 、障碍函数法槎咖：k 晰越大，设置的障碍函数使得约束条件越接近理想 结果，这个值通过反复迭代，逐步增大，初值不很严格。 5 、心刚蛔：决定障碍函数法k 惭的增长速度，是一个大于l 的数，一般取 几到几十，其值越大收敛得越快，越小收敛性越好。 6 、障碍函数法容许误差气一：胁决定了不等式约束优化问题的精度， 同时也决定了问题的收敛速度，根据实际需求设定不同的值。 针对本文的问题和实际数据，仿真时候采用了如下的参数： 第4 7 页 第3 章分布式天线多小区协作系统的容量 表3 一l障碍函数法初值及参数没定 名称 符号初值 公平速率的初值 毫o ) l e 4 各子流功率初值 毫们，f = 2 ，r + l ， l e 8 牛顿法步长初值 ，( o ) l n m 加 牛顿法步长回退因子8 o 5 牛顿法精度 幺w 棚 l e 1 障碍函数法步长初值 ，( o ) 2 b r r l b r 2 障碍函数法步长增长率 p b o n n e r 障碍函数法精度 s k r 恤r l e 8 障碍函数法聊 ，卯 5 0 0 3 6 用户天线选择关闭 通过第l 章的分析可知，通过选择用户的子流数看似会减小系统的频谱效率， 但是子流的减少同时可以减小用户间的干扰，反而有可能增加频谱效率，本节采 用用户天线选择性关闭算法，获得最优的系统频谱效率。 3 6 1 小区协作迫零波束成型算法的不足 在用户接收天线数，固定的前提下，用户数越多，用户信道间的相关性越强， 由用户江l ，2 ，七一1 ，七十1 ，的信道行向量张成的子空间冉。维数增大，用户七在 子空间上的投影h ! 越大，正交分量h 越小。极端的情况是子空间的维数等于线 性空间的维数，任一条向量在子空间的投影等于自身，正交分量为o 。 第4 8 页 第3 章分布式天线多小区协作系统的容量 响结论j 下确性的前提下，为了简化仿真，将进行协作通信的小区数减少为膨= 7 。 小区半径为