（通信与信息系统专业论文）分布式mimo系统的分层覆盖方案研究.pdf

r ese a r c ho nh i e r a r c h i c a l c o v e r a g es c h e m e 小d i s t b u t e d m i m os y s t e m s at h e s i ss u b m i t t e dt og r a d u a t es c h o o l o fs o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y w a n gc h e n c h e n s u p e r v i s e db y p r o f c h e nm i n g n a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hl a b o r a t o r y s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名兰盈堡日期趁坦二f 二至l 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 签名圣亟亟 导师签名唧e l 期翌鱼二l 乡i签名一土丝株 导师签名匕矬世期沙如一f 一砂i 摘要 摘要 m i m o 技术能够在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和传输质量，因 此被公认为第四代移动通信系统的核心技术之一。m i m o 技术有集中式m i m o 系统和 分布式m i m o 系统这两种应用形式，其中分布式m i m o 系统可以增大无线信号的覆盖 范围、有更高的功率效率，因此引起广泛关注。但分布式m i m o 系统下切换比较频繁， 因此研究分布式m i m o 系统下的分层覆盖技术与天线切换技术有着非常重要的意义。 分层覆盖技术有利于减少用户在高速移动过程中的频繁切换，能够在有效平衡增大系统 容量与减小切换率之间矛盾的同时，扩展小区的覆盖面积。天线切换技术可以在保证通 信质量的同时，减少天线切换次数，降低系统信令负荷。本文就是在分布式m i m o 系 统下，研究分层覆盖技术与天线切换技术。全文的主要工作如下： ( 1 ) 提出了一种新的自适应分层覆盖技术。在总结传统分层覆盖技术研究现状的基 础上，首先给出了支持自适应分层覆盖的分布式m i m o 网络架构，然后概述了本文的 研究重点小区选择与切换技术和天线选择与切换技术。 ( 2 ) 研究了自适应分层覆盖技术的小区选择与切换算法，以及层选择速率门限的优 化算法。提出了一种考虑负载均衡的预测路径辅助基站选择算法以实现自适应分层覆盖 技术。仿真结果显示，相比传统分层覆盖技术，自适应分层覆盖技术能够在提高服务质 量的同时，平均各小区的业务量。针对层选择速率门限的优化问题，建立了反映用户满 意度的数学模型。然后提出了改进粒子群算法以优化层选择速率门限。数值仿真结果表 明，改进粒子群算法具备快速收敛性，可以有效优化层选择速率门限。 ( 3 ) 对分布式m i m o 系统的天线切换算法进行了研究，包括小区内天线组选择与切 换策略与小区间天线组选择与切换策略。提出了位置信息辅助的天线组切换判决算法， 以及加权预测路径辅助的天线选择算法。大量仿真结果证明，所提天线切换算法能够有 效降低切换次数，大大减轻网络控制的信令负荷。 关键词：分布式天线系统；多输入多输出；分层小区结构；小区选择；天线切换；改 进粒子群算法 ( 2 ) c e l ls e l e c t i o nm e t h o da n di n t e r - c 2 l la l g o r i t l l i n si nh i e r a r c h i c a lc e l l u l a rs y s t e ma r e p r o p o s e d , a n dt h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo fl o o k i n gf o rt h ea p p r o p r i a t ev e l o c i t yt h r e s h o l dt o d i v i d em o b i l eu s e r so fd i f f e r e n ts p e e d si ss t u d i e d a1 0 a db a l a n c i n ge e l ls e l e c t i o nb a s e do n p r e d i c t i v ep a t hm o d e l i sg i v e nt or e a l i z ea d a p t i v eh i e r a r c h i e a lc e l l u l a rs m l c t i 】r e 1 1 1 er e s u l t s o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h es 仃u c t u r ec o u l dd i s t r i b u t ew o 衄o a de v e n l ya sw e l l a s i n c r e a s i n gc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y t h e nw ef o c u so nh o wt oo p t i m i z et h ev e l o c i t y t h r e s h o l d am a t h e m a t i c a lm o d e li sc r e a t e dt or e f l e c tt h ec u s t o m e rs a t i s f a c t i o nd e g r e e a n d i m p r o v e dp a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mi se x p l o r e d t os o l v et h eo p t i m i z a t i o n p r o b l e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti th a st h ef a s tc o n v e r g e n c es p e e da n dc a r lo p t i m i z e t h r e s h o l de f f e c t i v e l y ( 3 ) mm u l t i p l ea n t e n n ah a n d o v c ra l g o r i t h m sb o t hi n t e r - c e l la n di n t r a - c e l lf o r d i s t r i b u t e dm i m 0 s y s t e m sa l es t u d i e d w ep r o p o s eap o s i t i o na s s i s t e dh a n d o v e rd e c i s i o n a l g o r i t h ma n da l la n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nw e i g h t e dp r e d i c t i v ep a t hm o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h md e c r e a s eh a n d o v e rr a t e ，t h a ti st os a y , t h e c o n t r o lp a c k e tl o a do ft h en e t w o r kc a nb er e d u c e d k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ；m i m o ；h i e r a r c h i c a lc e l l u l a rs t r u c t u r e ；c e l l s e l e c t i o n ；a n t e n n ah a n d o v e r ；i m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j 录i i i 插图目录v 表格目录v i i 缩略语i ) 【 第1 章绪论l 1 1m i m o 技术简介l 1 2 分布式天线系统( d a s ) 简介一2 1 3 分层覆盖技术简介一6 1 4 第2 章 2 。1 2 2 2 3 第3 章 3 1 3 2 3 3 1 3 1 分层覆盖技术的目的6 1 3 2 传统的分层覆盖技术6 1 3 3 分布式天线系统的弱点7 1 3 4 结论8 本文的主要工作及内容安排。8 支持自适应分层覆盖的分布式m i m o 网络架构1 1 支持传统分层覆盖技术的网络架构11 2 1 1 网络架构一1 l 2 1 2 小区选择与切换1 5 支持自适应分层覆盖技术的分布式m i m o 网络架构2 6 2 2 1网络架构2 6 2 2 2 小区选择与切换3 l 2 2 3 天线选择与切换31 ，j 、结3 4 自适应分层覆盖技术3 5 系统模型3 5 小区选择与切换3 6 3 2 1预测路径辅助基站选择算法3 7 3 2 2 考虑负载均衡的基站选择算法3 9 3 2 3 考虑负载均衡的预测路径辅助基站选择算法一3 9 3 2 4 仿真结果4 0 层选择速率门限的优化4 5 i i i 东南大学硕士学位论文 3 3 1 系统模型。4 5 3 3 2 改进粒子群的优化算法一4 6 3 3 3 仿真结果4 9 j 、结5 2 分布式m i m o 系统的天线切换算法5 3 小区内天线组切换策略5 3 4 1 1系统模型。5 3 4 1 2 小区内天线组切换算法5 5 4 1 3 仿真结果5 9 小区间天线组切换策略7 2 4 2 1与传统切换的差别7 2 4 2 2 系统模型一7 2 4 2 3 小区间天线组切换算法7 3 4 2 4 仿真结果。7 4 d 、结7 6 结束语7 9 全文工作总结7 9 研究展望7 9 8 】 致谢8 5 硕士期间发表的论文及参与的科研项目8 7 插图目录 插图目录 图1 1m i m o 传输示意图l 图1 2 典型的分布式天线系统与标准小区3 图1 3 天线摆放位置对小区平均遍历容量的影响3 图1 _ 4 传统小区分裂系统与分布式无线通信系统的网络结构5 图1 _ 5 分层小区系统网络覆盖图7 图1 6 本文思路8 图2 1 支持传统分层覆盖技术系统的4 9 小区w r a pa r o u n d 覆盖结构1 2 图2 2 干扰状况示意图1 2 图2 - 3 分层小区系统实施方案1 1 3 图2 4 分层小区系统实施方案2 1 4 图2 - 5 两层小区系统的网络结构1 4 图2 _ 6小区复用模式17 图2 7 切换示意图18 图2 - 8 小区中的移动台极坐标表示2 2 图2 9 移动台速度的概率密度函数2 4 图2 - 1 0 传统分层覆盖技术引起切换增加的情况2 7 图2 - 1 1 支持自适应分层覆盖技术系统的4 9 小区w r a pa r o u n d 覆盖结构2 8 图2 1 2 支持自适应分层覆盖技术分布式m i m o 系统的网络覆盖结构2 9 图2 1 3 支持两层自适应分层覆盖的分布式m i m o 系统的网络结构3 0 图2 - 1 4 天线选择系统示意图3 2 图3 1 基站选择的期望区域示意图3 7 图3 - 2 呼叫阻塞率4 3 图3 - 3 切换失败率4 4 图3 4 平均每次呼叫的切换次数4 4 图3 - 5 平均切换呼叫数4 5 图3 石改进粒子群算法优化速率门限取值的流程图4 8 图3 7 改进粒子群算法的迭代过程一5 0 图3 名不同呼叫到达率下的搜索结果5 0 图3 9 不同呼叫到达率下的呼叫阻塞率5 l 图3 1 0 不同呼叫到达率下的切换失败率5 l 图3 1 1 不同呼叫到达率和速率门限下的平均每次呼叫的切换次数5 2 图4 1 分布式m i m o 系统的单小区天线覆盖图5 3 v 东南大学硕士学位论文 图垂2 中断概率随呼叫到达率的变化曲线6 1 图4 - 3 激活集更新率随呼叫到达率的变化曲线6 1 图4 _ 4 切换失败率随呼叫到达率的变化曲线6 2 图4 5 中断概率随切换判决阈值的变化曲线6 3 图4 _ 6 激活集更新率随切换判决阈值的变化曲线6 3 图4 - 7 切换失败率随切换判决阈值的变化曲线6 4 图铀中断概率随移动台速度最大值的变化曲线6 4 图激活集更新率随移动台速度最大值的变化曲线6 5 图4 - 1 0 切换失败率随移动台速度最大值的变化曲线6 5 图4 - 1 1 中断概率随阴影衰落标准差的变化曲线6 6 图4 - 1 2 激活集更新率随阴影衰落标准差的变化曲线6 7 图4 - 1 3 切换失败率随阴影衰落标准差的变化曲线6 7 图缸1 4 中断概率随预测时间参数的变化曲线6 8 图4 1 5 激活集更新率随预测时间参数的变化曲线6 8 图4 1 6 切换失败率随预测时间参数的变化曲线6 9 图4 1 7 中断概率随呼叫到达率的变化曲线7 0 图缸1 8 激活集更新率随呼叫到达率的变化曲线7 1 图4 - 1 9 切换失败率随呼叫到达率的变化曲线7 1 图冬2 0 小区间天线组切换的基站天线分布图7 4 图4 2 1 平均每次呼叫的切换次数7 6 表格目录 表格目录 表1 1 分布式无线通信系统与传统小区分裂系统的对比5 表1 2 全文内容安排9 表3 1 预测路径辅助基站选择算法的实施步骤3 8 表3 2 考虑负载均衡的基站选择算法的实施步骤3 9 表3 3 考虑负载均衡的预测路径辅助基站选择算法的实施步骤。4 0 表3 _ 4 仿真场景参数4 1 表3 5 改进粒子群的粒子更新算法4 7 表3 - 6 改进粒子群算法的仿真参数设置4 9 表4 1 小区内天线组切换算法的步骤5 8 表4 2 小区内天线组切换算法的仿真参数设置5 9 表4 3 小区间天线组切换算法的仿真参数设置7 5 东南大学硕士学位论文 缩略语 东南大学硕士学位论文 r s s r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h 接收信号强度 s c s t a n d a r dc e l l标准小区 s i n r s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o信干噪比 t d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址接入 v cv i r t u a lc e l l 虚拟小区 x 第1 章绪论 第1 章绪论 移动通信技术的发展，为人们带来了无线通信的自由和便捷。为了满足人们对多媒 体运用需求的增加，各种可以提供更高系统容量、提高传播质量的技术纷纷涌现。 分布式天线系统和分层覆盖技术是从根本上对无线网络架构进行合理构架来提高 无线资源利用率，本文是将分布式天线系统与分层覆盖技术相结合，着重研究自适应分 层覆盖技术下的小区选择与切换算法和层选择速率门限优化问题，以及天线选择与切换 算法。本章首先对m i m o 技术、分布式天线系统和分层覆盖技术进行概述，然后阐述 了本文研究的意义。 1 1m i m o 技术简介 m i m o 技术，也即多输入多输出技术，是在发射端或接收端采用多个天线的多天线 发送和接收技术。一个t 根发射天线、u 根接收天线的m i m o 系统如图1 一l 所示，发 送端与接收端之间共有tx r 个链路。 u ( t ) y l ( ) y 2 ( ) 发送天线接收天线 v y 。( ) 一 可 l s ：( t ) s ( t ) 图l lm i m o 传输示意图 m i m o 技术的思想是把收发端的天线信号进行合并。传统观点认为多径传播会对无 线传输带来负面影响，而美国b e l l 实验室数学科学研究中心的多天线研究开发小组的研 究人员i e t e l a t a r l l l 的研究结果首次从信息论角度证明，m i m o 系统可将多径作为有利 因素加以利用，m i m o 无线信道的容量可以随接收天线数目呈线性增长。m i m o 技术的 优点就是能够在不增加带宽情况下成倍地提高通信系统的容量和传输质量。在频谱日益 1 j j 东南大学硕士学位论文 紧张的信息时代，m i m o 技术作为提高系统容量的重要途径，是下一代移动通信系统的 研究热点之一。现阶段对m i m o 技术的研究主要集中于两个方面，其一是不同条件( 信 道的相关性、功率分配方案、发射端已知或未知信道信息) 下的m i m o 信道容量，其 二就是基带信号处理。基带信号处理方面的研究涉及以下几点【2 】： ( 1 ) 研究发射天线数不同时的空时编译码理论与方法； ( 2 ) 设计m i m o 系统预编码方案及接收端的译码方案； ( 3 ) 研究m i m o 系统的信道估计，包括基于导频的信道估计和盲信道估计； ( 4 ) m i m o 系统的信号检测方案； ( 5 ) 对m i m o o f d m 系统的研究。 1 2 分布式天线系统( d a s ) 简介 在m i m o 点到点传输方面的研究工作已经有了很多，但是在如何构建一个无线网 络来支持m i m o 传输，也即m i m o 系统的网络规划方面的研究工作还相对较少。传统 的思路就是将m i m o 多天线集中摆放在小区中心，目前研究较多是分布式m i m o 系统。 多天线集中摆放在小区中心，需要使用集中式处理结构，即小区中所有用户的信号 送给中心基站集中处理，然后由核心网络统一交换。基站的数据处理量大，系统容易瘫 痪，并且集巾式通信系统不能适应未来技术和业务的发展，增加新业务、增加系统容量、 增加覆盖区域等常需要重新设计系统。在2 g 、3 g 蜂窝移动通信系统中，为进一步提高 系统容量和业务承载能力，不仅在系统中使用复杂的多址接入方式( o f d m a 、f d m a 、 c d m a 、t d m a ) 、复杂的网络协议和有效的编码技术等，而且不断探索新的网络结构 和随之而来的小区频率复用、干扰抑制技术、m i m o 天线选择和切换等技术。目前，蜂 窝系统常采用小区分裂以提高小区信道数量、使用定向天线覆盖有限小区以降低信干比 的小区划分扇区等方法，这些技术在一定程度上缓解了紧张的频谱资源问题。但它们并 不能从根本上解决问题，小区不能无限制地分裂下去，而且还会伴随切换频繁、系统干 扰增大、成本大幅增加、频谱资源规划复杂等问题。并且，在现有的系统上进行再开发 几乎不会有本质的变化，把容量提升五倍就已经十分困难，因此，在未来的高速移动通 信系统中必须引入新的系统体系结构。 为了从根本上提高移动通信系统容量，获得更高的数据传输速率，有必要从系统的 拓扑结构着手，突破传统小区结构的限制，以便更有效地利用系统的频谱、时间、码道 和空间资源。考虑市区环境下业务集中、平均业务量大、密度高的特点，需要采用微小 区甚至微微小区来实现热点覆盖。微小区的天线发射功率低、覆盖半径小，如果布置大 量微小区基站来实现整个市区的覆盖，并且传统小区的每根天线都配备一个处理单元， 这样不仅网络建设成本高，实际中也很难如此密集地在市区布置基站。因此，如果考虑 将基站处理单元和天线分开，天线端尽量简化，这样就引入了分布式天线系统( d a s ) 的概念【j j 。典型分布式天线系统的基站侧包括多个高度较低的空间彼此分开的全向天线， 2 第1 章绪论 有时称之为远端天线单元。远端天线单元只完成无线信号放大、光电转换等基本功能， 是低复杂度的处理节点，以降低成本、实现全覆盖。图1 2 给出了典型d a s 系统与标 准小区( s c ) 的对比。 标准小区 分布式天线 图1 2 典型的分布式天线系统与标准小区 分布式天线系统中，基站侧的多根天线分散放置在小区的各个位置，可以达到减小 天线与移动台间平均距离的目的，提高功率有效性，系统容量相对集中式天线系统有极 大的提高 4 1 。例如，对于一个半径为r = 1 0 0 0 m 的圆形区域，基站端两根天线单元发射 下行信号，配有一根接收天线的移动台接收基站发来的下行信号，假设该2x1 的m i m o 传输信道是平坦的。如果将天线对称放置在圆形小区的某个直径上，记两根天线间距为 2 d ，仿真表明随着d 在 0 ，捌之间的变动，该圆形区域得平均遍历容量是不同的，如图 1 3 所示。 n 工 们 b j o 仍 。 图1 3 天线摆放位置对小区平均遍历容量的影响 小区平均遍历容量可以表达为 c = 止c ( 训) 施，y ) d z d y ( 1 - 1 ) 其中c ( x ，y ) 是两根基站天线在覆盖区域d 内的下行传输容量，( z ，可) 是移动台出现在点 - 3 - 要组成部分，由移动台、基站子系统和网络子系统共同构成一个完整的移动通信系统。 分布式无线通信系统引入了两个新概念，射频小区和广义小斟引。射频小区( r f c e l l ) 是指无线接入单元( r a u ) 的无线信号覆盖范围。一个射频小区无线信号覆盖通常在几 十至几百米范围内。可以根据实际环境的覆盖需求和业务量大小来规划射频小区天线的 位置和数量并组成分布式无线通信系统。广义小区( g n c e l l ) 是由连接在同一个b t s 的一组射频小区所构成无线信号的覆盖范围。广义小区中分布的天线数量和广义小区的 4 第1 章绪论 覆盖范围大小是可以随环境的变化而变化的。在广义小区式移动通信系统中，可在各个层 面上采用无线资源分配方法、小区切换方法和空时处理技术，以便更好地进行网络规划、 减少系统干扰和提高系统容量。将传统小区分裂系统与分布式无线通信系统的网络结构 进行对比，如图1 4 所示。可以看出，在网络架构方面，分布式无线通信系统与传统小 区分裂系统已经有很大不同。 a ) 传统小区分裂系统的网络架构 b ) 分布式无线通信系统的网络架构 图l - 4 传统小区分裂系统与分布式无线通信系统的网络结构 伴随着网络拓扑结构的改变，分布式无线通信系统与传统小区分裂系统已经有很大 的不同，这里将它们进行对比，如表1 1 所示。 表1 1 分布式无线通信系统与传统小区分裂系统的对比 分布式无线集中式无线信号覆盖可重新定义广义 根据不同的组 可采用分布式m i m o 原 网方式确定不 通信系统变为分布式信号覆盖小区和射频小区理挖掘空问资源利用率 同的切换方法 传统小区传统小区被分裂为不能重新在微微小区仅需要规划各微微小区 分裂系统多个较小的小区 定义小区间切换 的同频或异频组网方案 此外，d w c s 还引入了虚拟小区( v c ) 的概念。v c 是与用户建立通信链路的若干 天线构成的通信天线组，也就是天线激活集。用户可以始终选择信号最强的多根天线进 行通信，这在d a s 中有可能无法实现，因为当用户处于小区边缘时，多根最强的天线 可能分别属于不同的小区。随着用户的不断移动，由信号最强的天线构成的v c 不断变 化，因此d w c s 中的切换是指v c 的变更。文献 9 】的研究表明，d w c s 的平均切换次 数要小于d a s 。 东南大学硕士学位论文 1 3 分层覆盖技术简介 1 3 1 分层覆盖技术的目的 近年来提高系统容量的需求日益增加，因此分层覆盖技术一经提出就引起了研究学 者的广泛关注，使用分层覆盖技术的系统被称为分层小区系统( h c s ) 1 0 j 。分层覆盖技 术是指同一区域由不同等级的小区进行重叠覆盖，使用“伞状 宏小区向高移动性和低 比特流( 例如话音电话) 的移动设备提供服务，使用微小区的网络来处理低移动性和高 比特流的移动设备。 小区分裂是扩展覆盖和增加容量的传统做法，但小区分裂伴随着一些不可避免的问 题： ( 1 ) 宏小区分裂受到小区同频干扰及不同设备技术参数的限制； ( 2 ) 密集宏小区网络结构对低速移动用户比较适宜，步行用户在整个通话过程中可 能不发生切换，但高速车辆可以几秒钟就驶过一个小区的覆盖范围，整个通话过程中小 区之间频繁地切换通信链路，这就导致在空中传输信令和网络信令两方面的额外开销， 加重了整个网络的负担，因切换导致的通话中断概率必然会增加； ( 3 ) 整个覆盖区域的用户分布密度不同，若全部采用密集覆盖，则系统成本过高， 设备利用率也较低，如果采用密疏覆盖，系统适应话务量变化的能力差。 分层覆盖技术的提出正是为了避免高速移动的用户在移动过程中的频繁切换，可以 在有效平衡增大系统容量与减小切换率之间矛盾的同时，扩展小区的覆盖面积。根据业 务的分别，分层覆盖技术还能灵活地布置小型基站，减少大型基站的投资。而且，分层 覆盖技术还能够解决不同系统之间相互融合的问题。 1 3 2 传统的分层覆盖技术 一个由微微小区、微小区、宏小区、卫星波束小区这四层构成的完整分层小区系统， 如图1 5 所示。我们把传统的覆盖范围在l l o k m 以上、基站设置在高大建筑物上的蜂 窝称为宏小区，可以用来覆盖乡村区域，对微小区覆盖的区域提供连续的覆盖；而把低 功率基站且高度只有几米到十几米、覆盖半径约几百米的小区称为微小区；此外，还有 提供室内移动通信、服务区域在几十米范围的微微小区；以及由卫星收发信号、提供更 大范围覆盖的卫星波束小区，它可以为陆地上无法部署蜂窝移动通信系统的地区提供服 务。h c s 中微小区的覆盖可能是连续覆盖的，也可能是孤岛式分布，因而需要宏小区来 提供整个服务区域内的连续覆盖。根据网络系统的结构不同，h c s 系统分为以下几种： ( 1 ) 宏小区的覆盖范围被许多相连成片的微小区所覆盖，比如城市的市中心； ( 2 ) 宏小区中嵌套着若干孤立的热点地区，比如城郊或者其他地区。 6 第1 章绪论 一星 图1 - 5 分层小区系统网络覆盖图 对于前一种h c s 系统，微小区承担主要的业务负荷，因此微小区的布置是首要考 虑的因素，宏小区的作用已经大大减低，只是用来提供大范围覆盖，并小规模地调节宏 小区覆盖范围内资源的分配，此时的分层小区结构是为了取得最大化单位面积上的用户 数目与最小化网络控制和切换次数之间的平衡。而在后一种h c s 系统中，宏、微小区 的作用大致相同，宏小区相对发挥了较大的作用。 考虑层间干扰情况，多层小区结构可以使用两种方式。第一种方式是共存的小区层 工作在同一频段上，第二种方式是共存的小区层工作在不同的频段上。在微小区和宏小 区工作在同一频段上的情况下，利用切换和信号衰落来分离微小区层和宏小区层。层内 干扰利用功率控制来控制，而层间干扰利用空间隔离来控制，由于处理增益使得用户能 够承受来自任何小区层的干扰，因此复用因子可以为1 。 传统的h c s 结构存在一些问题。首先，未来蜂窝网络中不断出现较高移动性的高 比特率的需要。如果微小区中有高速移动的用户存在，在其移动过程中必然会产生很多 切换，占用更多的通信信道，给系统带来大量信令负荷，必将导致呼叫掉话的概率增大， 用户满意度下降。同时，切换命令的执行需要一定的时延，如果用户在微小区内快速移 动，可能会导致系统无法及时完成切换工作。支持越区切换的网络信令开销可能会限制 系统的容量，因此浪费了昂贵的频谱资源。其次，随着移动台移动速度的增加和小区缩 小( 以增加系统容量) ，可能会因为移动台移动过快而出现它已经离开当前小区之后还 不能成功地从一个小区越区切换到下一个小区。还有，随着小区的进一步缩小，部署一 个完全连续的分层网络系统的成本可能会快速增加。这些问题的解决将是研究未来蜂窝 网络发展所不可忽略的方面。 1 3 3 分布式天线系统的弱点 分布式天线系统的一个最大的应用瓶颈就是天线切换问题。对于分布式天线系统， 分层覆盖技术尤为重要。这是因为 - 7 - 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 分布式天线系统下的小区覆盖范围通常很小，对高速用户来说，显然会导致非 常频繁的切换，同样问题也存在于越来越小的传统蜂窝系统。现今，高速列车的移动速 度可以超过2 5 0 k m h ，越来越多的高速公路和轨道交通系统已经修建完成。在分布式天 线系统中，移动用户越区切换将引起切换时延，必将导致通信的性能下降或通信中断。 如何在高速移动同时支持移动用户的良好通信质量，越来越引起人们的重视； ( 2 ) 分布式系统小区中，多根远端天线单元在覆盖范围内分散摆放。考虑通信质量 的要求，用户接入天线可能不只一根，由几根较好远端天线单元构成了移动用户所接入 的天线激活集。移动用户在覆盖范围内不断移动，不仅会发生小区间切换，也会发生小 区内天线组间的切换。对于高速移动用户来说，小区内天线切换也相对非常频繁。 所以，对于分布式天线系统，需要将分层覆盖技术与小区天线切换技术综合考虑， 尽量避免频繁切换所造成的系统信令开销，以及由于切换频繁所导致的系统不稳定。 1 3 4 结论 对于分布式天线系统，研究分层覆盖技术与天线切换技术有着非常重要的意义。分 层覆盖技术有利于减小高速移动用户在移动过程中的频繁切换，能够在有效平衡增大系 统容量与减小切换率之间矛盾的同时，扩展小区的覆盖面积。良好的天线切换技术可以 在保证通信质量的同时，减少天线切换次数，降低系统信令负荷。所以，本文的研究重 点就是在分布式m i m i o 场景下，研究分层覆盖技术与天线切换技术。 1 4 本文的主要工作及内容安排 1 支持自适应分层覆盖的分布式m i m 。网络架构 步骤一基站选择与切换 具 0 体 实 步骤二小区内天线组选择与切换 施 步 上 骤 步骤三小区间天线组选择与切换 图1 _ 6 本文思路 本文的研究内容包括：支持自适应分层覆盖的分布式m i m o 网络架构、基站选择 与切换、小区内天线组切换策略和小区间天线切换策略，全文的研究思路如图1 6 所示。 8 第1 章绪论 全文内容安排如表1 2 所示。 表1 - 2 全文内容安排 第1 章首先对m i m o 技术、分布式天线系统及分层覆盖技术进行了概述，然后 阐述了在分布式天线系统中应用分层覆盖技术的意义，最后总结了本文 的具体研究内容及思路。 第2 章首先对传统分层覆盖技术的研究现状进行调研，在此基础上，探索支持 自适应分层覆盖的分布式m i m o 网络架构。然后分析了本文的研究重点 小区选择与切换技术和天线选择与切换技术。 第3 章在传统分层覆盖技术的基础上进行改进，提出了“动态宏小区”的自适 应分层覆盖技术。重点研究了自适应分层覆盖技术中的小区切换控制和 层选择速率门限的优化问题。提出了考虑负载均衡的预测路径辅助基站 选择算法，给出了该算法实现的具体步骤，并通过数值仿真验证了该算 法的优良性能。对层选择速率门限的优化问题，首先建立了该问题的数 学模型，确定了具体的优化目标，然后提出改进粒子群算法来求解该优 化问题，最后通过数值仿真验证了改进粒子群算法能够快速收敛，并且 能够避免陷入局部最优粒子而持续搜索。 第4 章对分布式m i m o 系统的天线切换算法进行了研究，包括小区内天线组切 换策略与小区间天线组切换策略。提出了位置信息辅助的天线组切换判 决算法，以及加权预测路径辅助的天线选择算法。大量仿真结果证明， 所提天线切换算法能够有效降低切换次数，大大减轻网络控制的信令负 荷。 第5 章全文工作总结。 东南大学硕士学位论文 1 0 第2 章支持自适应分层覆盖的分布式m i m o 网络架构 第2 章支持自适应分层覆盖的分布式m i m o 网络架构 本章首先对传统分层覆盖技术的研究现状进行了总结，在支持传统分层覆盖技术系 统的网络覆盖、网络架构基础上，给出了传统分层覆盖涉及的关键技术和仿真常用模型。 然后，介绍了本文所提的自适应分层覆盖技术，研究了支持自适应分层覆盖的分布式 m o 网络架构，确定了本文重点小区选择与切换以及天线选择与切换的研究方 向。 2 1 支持传统分层覆盖技术的网络架构 2 1 1 网络架构 支持传统分层覆盖技术的分层小区系统是由一定数目的多个微蜂窝构成一个宏蜂 窝。当移动台发起呼叫时，高速移动用户接入宏蜂窝，低速移动用户接入微蜂窝，宏蜂 窝由覆盖范围内的中心天线支持覆盖。由于在蜂窝通信系统中，宏小区和微小区承担着 绝大多数用户的服务，所以本文以两层小区系统为例。 传统分层小区系统的网络架构可以使用4 9 小区覆盖模型，这里所有同层小区具有 相同的性质，包括覆盖、服务质量要求等。该4 9 小区模型是由两层不同大小蜂窝所组 成。每一个宏小区下均匀分布着7 个微小区，假设每个微蜂窝的中心有一基站，每个宏 蜂窝的中心也有一个基站，基站端配置1 根全向天线。宏小区仇中的基站y , 表示为 ( m ，礼) ，9 t , = l 2 ，7 分别表示7 个宏蜂窝：1 , = 0 1 ，7 ，n = 0 表示宏蜂窝的基站， t , = 1 ，7 表示微蜂窝的基站。 在该4 9 小区模型中，中心小区内的用户不仅收到本小区基站的有用信号，还收到 周围一层小区基站发来的信号。但是对于边缘小区内的用户来说，在小区周围没有一层 小区环绕，因此将影响干扰的计算。为了模拟真实系统，我们采用w r a pa r o u n d 技术， 由7 个宏小区构成仿真系统的覆盖结构，也即把该4 9 小区进行整体复制平移，如图2 1 所示。这里4 9 小区的现实小区用阴影来表示，整个平面上就有了3 4 3 个小区( 除了仿 真中用到的4 9 个小区外，其余均称为映射小区) 。 移动台在现实小区中运动，当移动台从现实小区进入某一映射小区时，可以假设它 从4 9 个现实小区中相对应的某一边重新进入这个4 9 小区。同样，在仿真电磁波传输和 计算接收干扰时也采用w r a pa r o u n d 技术。 东南大学硕士学位论文 图2 - 1 支持传统分层覆盖技术系统的4 9 小区w r a pa r o u n d 覆盖结构 图2 1 是多小区环境下的网络覆盖结构，假定某移动台是宏小区覆盖区域下接入微 小区基站的微小区移动台，该移动台的干扰状况如图2 2 所示，其中微小区覆盖边界用 细线表示，微小区的半径为7 ，宏小区的覆盖边界用粗线表示，宏小区的半径为r = 届， 微小区与宏小区重叠，并且被周围的宏小区干扰。 7 叁 b s 2 b s ：宏小区基站 b s ：微小区基站 m s ：宏小区移动台 m s ：微小区移动台 一一一- 干扰 图2 - 2 干扰状况示意图 对于支持传统分层覆盖技术的分层小区系统，其网络结构是以宏小区基站为中心的 1 2 - 奉融 ， 第2 章支持自适应分层覆盖的分布式m i m o 网络架构 控制方式，宏小区与微小区之间的连接方式可以采用星形等结构。文献【1 1 】中提到了两 种分层小区系统的具体实施方案。图2 3 所示的一种分层蜂窝通信系统，包括一个伞状 宏小区1 0 2 和多个微小区1 0 6 。宏小区1 0 2 由控制主站1 0 4 服务，每个微小区1 0 6 对应 一个控制主站1 0 8 。微小区1 0 6 并不完全覆盖宏小区1 0 2 所覆盖的区域。不在微小区1 0 6 覆盖区域内的次站1 l o a 通过一条专用信道1 1 2 与宏小区基站1 0 4 进行通信。而处于一 个微小区1 0 6 覆盖区域内的另一个次站1 l o b 通过一个专用信道1 1 4 与微小区基站1 0 8 通信。这里的专用信道1 1 2 和1 1 4 是双向通信链路，通常承载两种业务：控制数据和用 户数据，控制数据的数据速率通常不高，但是需要持续的链接或有规律的、较短时间间 隔的链接。在未来通信系统中，用户数据可能会