（通信与信息系统专业论文）基于容量的分布式mimo系统基站侧天线最优分布研究.pdf

期粉1 r es e a r c ho no p t i m 渔ld i s t r i b u t i o no f a n t e n n a so nt h es i d eo fb a s es t a t i o nb a s e d o nc a p a c i t yi nd i s t r i b u t e dm i m os y s t e m 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 fe n g i n e e r i n g b y g um i n - h a o s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rc 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 锣 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 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。 鹕艇轻日期幽旦二l = 型 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。 签名二麟导师签名j 空虹日期2 竺幽 摘要 摘要 分布式m i m o 系统综合了m i m o 系统和分布式天线系统的优点，在不增加带宽的 前提下，可以成倍地提高系统容量。前人对于一定天线分布方式下，分布式m i m o 系 统的性能已经做了较多的研究，但是对天线分布方式本身的研究却十分匮乏。已有研究 表明天线的分布式方式对分布式m i m o 系统的性能有较大的影响。本文研究怎样放置 基站侧天线才能使得分布式m i m o 系统的性能达到最优。本文的工作主要集中在以下 - 一k 二点： 研究了基于遍历容量的线形小区基站侧天线最优分布问题。现实中，街道、高速 公路、铁路等都可以建模为线形小区。线形小区的特点是可以用一维坐标表示，进行位 置优化时相对来说比较简单。本文推导了线形小区中，下行平均遍历容量的解析表达式， 并通过极大化该平均遍历容量得到基站侧天线的最优位置。在一些简化的情况下，可以 得到天线最优分布的解析解，该解析解和计算机搜索得到的最优解基本重合。 研究了基于遍历容量的圆形小区基站侧天线的最优分布问题。圆形小区是对传统 六边形小区的近似，在圆形小区中求解天线的最优位置需要优化二维坐标，因此难度更 大。本文首先给出基于下行平均遍历容量的圆形小区基站侧天线最优分布问题的数学模 型。为了简化问题，在分析该问题时，本文只考虑了路径损耗的影响。本文通过计算机 搜索得到了天线的大致布局，仿真结果表明，搜索得到的天线分布式，其平均遍历容量 性能优于集中式分布和随机分布方式。 研究了基于中断概率的基站侧天线的最优分布问题。在基于中断概率的研究中， 将线形小区看成是平面小区的一个特例。在上行链路，本章假设移动台只配置有一根天 线进行发射。本文利用等效接收s n r 推导得到了小区平均中断概率的表达式。随后， 本文通过计算搜索得到了正方形小区和正三角形小区中天线的大致布局，并对该布局进 行了性能验证。在下行链路，假设只有离移动台最近的一根基站天线为移动台发射下行 信号。在这种情况下，本文通过理论推导分别得到了移动台进行s c 合并和m r c 合并 时小区平均中断概率公式，并给出了线形小区的天线最优分布。 关键词：分布式m i m o 系统，最优分布，线形小区，圆形小区，小区平均遍历容量， 小区平均中断概率 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d i s t r i b u t e dm i m os y s t e mc o m b i i l e sm ea d v 觚t a g e so fm i m os y s t e ma n dd i 嘶b u t e d 锄t e 衄s y 咖i i l i tc 觚i i l c r e a t h es y s t e mc 印a c i 够w i m o u te 】( 臼随b 锄d w i d t l l p r e d e c e s s o r s h a v ed o n em 觚yr e s e a r c l l so nt l l ep 曲n n a n c eo fd i s t r i b u t c dm 1 m os y s t e mi i lac e r t a i l l 缸l t l 舶n a sd i s t r i b u t i o 玛b u tm e r ea r en o te n o u 曲r e s e a r c b so nt l l ea i l t e 肌弱d i s t r i b u t i o ni t s e l s t u d i e sh a v es h 0 、吼m a t 锄t e 加嬲d i s 仃i b u t i o nh 嬲g r e a ti i l l p a c to n l ep e 墒m 帅c eo f d i s t r i b u t e dm i m os ) ，s t e m 7 1 1 1 i sm e s i ss t i j d i e sh o wt 0p l a c e 也e 锄t e 锄嬲i n 也eb a s t a t i o n s i d et oo p t m z em ep e 面m 觚c eo f d i s 仃i b u t e dm i m os y s t e m t h ew o r ko f t h i sm e s i sc a i lb e c a t e g o r i z e di n t o t 1 1 ef o l l o 咖gn l r e ea s p e c t s ： f i r s t l y ，t l l i st h e s i ss t u 击e st l l eo p t i i n a l 锄t e n n 嬲d i s t r i b u t i o ni nal i i l e a rc e l lb 硒e do n a v e r a g e de 眇d i cc 印a c i 可s 仃e e t s ，l l i g h v 哟7 sa n dm i l 、a y sa l lc a i lb em o d e l e da sal i n e a rc e l l l i l l e a rc e ui sc l l a m i m r i z e db yo n e d i m e n s i o n a lc 0 0 r d i n a t e s ，s oi ti ss i i i l p l et 0o p t i i i l i 妇t l l e 粕t e 衄a s p l a c e s i n “s l e s i s ，w ef i f s t l yd e r i v e dn l e 锄a l y t i c a le x p r e s s i o no fd o l r i l l i i l l 【 a v e 瑚嚷e de 曙o d i cc a p a c i 饥觚dt h e ng e tt l l eo p t i m a l 孤t e 如a s p l a c e sb ) rm a ) 【i i i l i z i i l gt h j s c a p a c i 够i i ls o m es i m p l i f i e dc 舔e s ，w ec 觚g e t 吐l ea i l a l y t i c a ls o i u t i o no fb e s t 觚t e 加硒 d i s 仃i b u t i o n ，t l l i s 锄a l y t i cs o l 面o ni sa l m o s t l ys 锄ea st h es o l u t i o nw 陆c hi sg o tb yc o m p u t e r s e a r c h s e c o n d l y ，t l l i s 也e s i ss t u d i e st l l eo p t i i n a la n 由明n a u sd i s t r i b u t i o ni nac i r c u l a rc e l lb 嬲e do n a v e r a g e de 略o d i cc 印a c i 锣t h ec i r c u l 盯c e ui s 锄邳i p r o x i m a t i o no f 也ec o n v e n t i o n a l h e x a g o n 2 l lc e l l i ti sd i f f i c u l tt og e tm eb e s tp l a c 锄e n to f 锄t e 咖a si i lac 硫u l 盯c e uc o u r i t h 勰t oo p t i m i z e 饥。一d i i i l e i l s i o n a lc o o r d i 彻肥s a t 伍吼，l e s i sg i v e so u tt l l em a 也e m a t i c a lm o d e l o fo p t i m a la n t e 柚a sp l a c e m e n ti l lac 沁u l a rc e l lb a s e do nd o w i l l 协gc e l la v e r a g e de r g o d i c c a p a c i 够t 0s i m p l i 矽缸p r o b l 呱w eo 由c o i l s i d e rm ep a ml o s se f r e c t sw h e ns o l v 堍也i s p r o b l e m t h e 玛w eg e tt l l eg e n e r a ll a y o u to f 鲫【t e n n a sb yc o m p u t e rs e a r c h s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h 巩廿l ec e ua v e r a g e de 玛o d i cc 印a c i 够o fs e a r c h e d 锄t e 加a sp l a c e n l e n ti sk 曲e r 也蠲 m ec a p a c i t i e so fc e 曲融i z e dp l a c e m e n t 锄dm d o m p l a c e m e n t t b i r d l y ，也i st l l e s i ss t u d i e s 也eo p t 岫a l 锄t e i l i l 雒d i s t r i b u t i o nb a s e do na v e r a g e do u _ t a g e p r o b a b i l i 够i nn l i ss t i l d y l e l i i l e a rc e l li sas p e c i a lc a o fp l 锄ec e l li nt h eu p l i i 岖w e 东南大学硕士学位论文 s u p p o s et h e r ei so n l yo na i l t e n i l ai nm s w r ed 甜v em ee x p r e s s i o no fu p l i i l l 【c e l la v e f a g e d o u t a g ep r o b a b i l i 够l l s i i 坞e q u i v a l e mr e c e i v e ds n r t h e 玛、es e a r c h e dt l l eb e s tp l a c e m e n to f a n t e 彻船i i las q 峨c e u 锄da 仃i a l l g l ec e ub yc o m p u t e r i i l 也ed o 砌i i 岖w es u p p o s eo i 坶t l l e a 1 1 _ t e n n aw i l i c hi sn e a r e s tt 0m si su s e dt 0t r a n s n l i ts i g i l a l s i n 仳ss i t u a t i o i l w ed 耐v c 1 e e x p r e s s i o so fd o 、l i l l l ( c e l la v e r a g e do u t r a g ew h e nm em s 邯es ca n dm i 屺c o r n b i l l i n g ，锄d g e tt h eo p t i i i 磁la i l t e m l 嬲p l a c e m e n ti i ll i i l e a rc e l l k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dm i m os y s t e 驰o p t i i i l a lp l a c 锄e 鸲l i n e 缸c e l l ，c 硫u l a rc e l l ，c e l l a v e m g e de 唱o d i cc a p a c i 劬c e l la 、，e r a g e do u t a g ep r o b d b i l i 够 目录 目录 摘要 。i a b s t r a c t i i i 目勇乏v 插图目录v i i 表格目录。i x 缩略语) 【i 第l 章绪论1 1 1 m i m o 技术概述：一1 1 1 1m i m o 技术原理1 1 1 2m i m o 技术研究现状2 1 2 分布式m i m o 系统概述一3 1 2 1分布式m i m o 系统基本架构k 3 1 2 2 分布式m i m o 系统优势4 1 2 3 分布式m i m o 系统研究现状5 1 3 本文的主要工作和内容安排一5 第2 章 预备知识一9 2 1m i m o 信道容量9 2 1 1 信道模型9 2 1 2 集中式m 【m o 信道容量10 2 1 - 3分布式m m o 信道容量1 1 2 2 相关仿真结果1 2 2 3本章小结1 5 第3 章基于遍历容量的线形小区基站侧天线最优分布1 7 3 1问题描述1 7 3 2问题分析及解决1 9 3 2 1 移动台天线数为l 的情况1 9 3 2 2 移动台天线数为( 1 ) 的情况。2 5 3 3仿真结果及分析2 7 3 3 1 移动台天线数为1 的情况2 7 3 3 2 移动台天线数为( 1 ) 的情况一3 2 3 4本章小结。3 2 第4 章基于遍历容量的圆形小区基站侧天线最优分布3 5 v 东南大学硕士学位论文 4 1问题描述。3 5 4 2基站天线数为2 的情况问题分析3 6 4 2 1问题分析3 6 4 2 2 对分搜索法：。4 0 4 2 3 仿真结果以及分析4 1 4 3 一般情况：4 3 4 3 1 问题分析。4 3 4 3 2 天线最优位置搜索4 4 4 3 3仿真结果及分析。4 6 4 4 本章小结一5 0 第5 章基于中断概率的基站侧天线最优分布5 3 5 1上行链路中断概率最优时的天线分布。5 3 5 1 1问题描述5 3 5 1 2 问题解决5 5 5 1 3 仿真结果。6 0 5 2下行链路中断概率最优时的天线分布6 4 5 2 1问题描述6 4 5 2 2问题分析6 5 5 3仿真结果6 8 5 4 本章小结一7 0 第6 章结束语7 3 6 1 全文工作总结7 3 6 2研究展望7 4 参考文献7 5 致谢 8l 硕士期间发表的论文及参与的科研项目8 3 插图目录 插图目录 图1 1m i m o 系统结构。：2 图1 2 分布式m i m o 系统结构图3 图2 1集中式m i m o 系统平均容量比较_ 1 3 图2 2分布式m i m o 系统平均容量比较。1 4 图2 3集中式m i m o 和分布式m i m o 容量比较1 4 图3 1线形小区分布式m i m o 系统示意图1 7 图3 2指数分布变量和的p d f 近似2 2 图3 3 只考虑路径损耗时次最优位置与搜索最优位置对比2 8 图3 4只考虑路径损耗时容量与容量下界的比较2 9 图3 5 考虑路径损耗和多径衰落时天线次最优位置与搜索最优位置对比2 9 图3 6 考虑路径损耗和多径衰落时容量与近似容量的比较3 0 图3 7 考虑路径损耗、多径衰落和阴影衰落时天线天线次最优位置与搜索最优位 置对比3 0 图3 8 考虑路径损耗、多径衰落和阴影衰落时容量与近似容量的比较3 1 图3 9 不考虑多径衰落、移动台多天线情况下天线次最优位置与搜索最优位置对 e ：31 图3 一l o 移动台只使用最近的基站天线情况下天线次最优位置与搜索最优位置对 i ：【：；：! 图4 1圆形小区分布式m i m o 系统示意图。3 5 图4 2圆形小区d a 位置示意图3 8 图4 3圆形小区d a 位置等效示意图3 8 图4 - 4d a 在直径上的分布图3 9 图4 5平移后d a 在直径上的分布图3 9 图4 6 两根基站天线对称分布示意图4 0 图4 7 对分搜索法原理图1 4 0 图4 8 对分搜索法原理图2 4 0 图4 9d 的均值与口的关系4 2 图4 1 0 平均遍历容量与天线位置的关系4 2 图4 1 l一种可能的d a 较优分布4 4 图4 1 2 搜索区域离散化示意图4 6 图4 1 3 天线最优位置搜索结果示意图4 9 图4 1 4圆形小区小区平均遍历容量5 0 东南大学硕士学位论文 图5 1分布式m i m o 系统示意5 4 图5 2 正方形小区天线位置搜索结果6 2 图5 3 正方形小区中断概率仿真结果6 2 图5 _ 4 正三角形小区天线位置搜索结果_ 6 3 图5 5 三角形小区中断概率仿真结果6 3 图5 6 天线配置为( 4 ，2 ) 时小区平均中断概率j 6 9 图5 7 天线配置为( 8 ，4 ) 时小区平均中断概率7 0 表2 1 集中式 表3 1 线形小 表4 1 对分搜 表4 2 圆形小 表4 3 交换算 表4 - 4 圆形小 表5 1 禁忌搜 表5 2 平面区 表5 3 下行中 东南大学硕士学位论文 x 缩略语 缩略语 a pa c e s sp o i n t b e rb i te n - 0 rr 2 吨e b l a s tb e n l a bl a y e r e ds p a c e1 瞪m e b sb a s es t a t i o n c nc o r en c t d a sd i s t r i b u t e da n t e m ms y s t e m 接入点 误比特率 贝尔实验室分层 空时传术方案 基站 核心网 分布式天线 分布式天线系统 g d a sg e n e r a ld s 疏b u t e da m e 眦s y s t e m广义分布式天线系统 l o sl i n eo f s i g h t m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u _ c p u t m i 屺m a x i 舢咖r a t i oc o m b i n i n g m r tm a x i 锄衄勋i ot r a n s i i l i s s i o n m sm o i b l es t a t i o n s cs e l e c t i o nc o m b i n i n g s f b c s p a c e f r e q u e n c yb l o c kc o d e s i s o s i i l g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t 视距 多输入多输出 最大比合并 最大比发送 移动台 选择合并 空频块码 单输入单输出 东南大学硕士学位论文 s n r s i g n a l lt 0n o i r a t i o s ts e l e c t i v e1 均n s 脚i s s i o n s e l e c t i o nt l 孤1 s m i s s i o n s t b c s p 卸c e 一1 旺m eb l o c kc o d e s t t c s p a c e - 髓n e1 r e l l i sc o d e 信噪比 选择性发送 选择发送 空时格码 空时块码 第1 章绪论 第1 章绪论 为了解决高数据速率用户日益增加和无线资源短缺之问的矛盾，人们提出了许多可 以显著提升频谱利用率的技术，多输入多输出技术( m i m o ) 和分布式天线系统( d a s ) 就是 其中的两个，它们都被认为是未来移动通信系统中的关键技术。本文所要研究的对象一 分布式m i m o 系统，结合了普通m i m o 系统和分布式天线系统的优点，可以有效地提 升信道容量。 现有的关于分布式m i m o 系统的研究，主要集中于在一定的天线分布方式下分析 分布式m i m o 系统的信道容量、中断容量等性能n 1 - 【4 1 ，而关于基站侧天线最优分布的研 究却很少，本文所研究的正是这样一个问题。 下面介绍一下本文的研究背景和内容安排。 1 1m i m o 技术概述 m i m o 技术是上个世纪无线移动通信领域的一个重大突破，是下一代无线通信系统 的关键技术之一，使用该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高系统的频谱利用率。 本章对m i m o 技术的基本原理和研究现状进行了概述。 1 1 1m i m o 技术原理 m i m o 系统在发送端和接收端都配置多根天线进行信号传输，其系统结构如图1 1 所示。发送端先将输入的数据流进行发送处理，然后在发送端的多根天线上进行发送， 接收端用多根天线进行接收，并对接收信号进行接收处理，以获得原始数据。m i m o 技 术使用多根天线扩展了空间维度，实现了多维信号处理，获得空间复用增益或空间分集 增益。 研究表明，相比于s i s o ，m i m o 技术可以成倍地提升信道容量。对于一个( m ，) 的 m i m o 系统，也即有m 根发射天线和根接收天线的m i m o 系统而言，在接收端已知 信道信息的情况下，信道容量将随的增大而线性增加15 1 。m m o 系统的实现方式主 要有两种，一种是空分复用，另一种是空间分集。空分复用方案可以大大提升系统的频 谱利用率，1 9 9 6 年，b e u 实验室实现了b l a s t 多天线系统，获得了2 0 4 0 b p s h z 的频 1 东南大学硕士学位论文 谱利用率。b l a s t 方案中，各个发射天线上发射的数据流是相互独立的，接收端再使 用一定的检测算法对这些数据流进行分离。因此，b l a s t 方案相比于传统的s i s o 系统， 具有很高的频谱利用率。但是空分复用方案也存在着一些局限性，它较适用于高s n r 的情况，当阶浓较低时，其误码率较高。另一种m i m o 传输方案一空间分集具有较高 的传输可靠性。众所周知，无线通信系统中的多径衰落是造成误码的主要原因之一。 m i m o 系统的空间分集方案通过增加发射信号的冗余度，可以有效地对抗多径衰落的影 响，从而提高了传输的可靠性。 1 1 2m i m o 技术研究现状 无 线 信 道 图1 1m i m o 系统结构 自从1 9 0 8 年m a r c o i l i 率先使用m i m o 技术来克服无线信道衰落以来，人们对m i m o 技术展开了十分广泛的研究。在上个世纪9 0 年代t e l 栅和f o s c l l i i l i 分别对对白高斯信 道下m i m o 系统的信道容量进行了研究，研究结果表明m i m o 技术可以成倍地提高容 量。此后，锄u t i 和t a r o l 【l l 等人有对m i m o 系统的发送分级方案进行了研究，提出 了实用性很高的s t b c 【5 】【6 】、s f b c 、s t t c 【7 1 等编码技术，这些技术在现今的无线移动通 信系统中都有十分广泛的应用。 归纳起来，现阶段关于 m o 系统的研究主要集中于以下几个方面： 关于m i m o 信道容量的分析； m 【m o 系统的信道估计、信号检测等的研究； m 【m o 系统的空时编码方案、预编码方案等的研究； 加m o 系统中的天线选择算法、虚拟m i m o 等的研究。 2 第l 章绪论 1 2 分布式m i m o 系统概述 分布式m i m o 系统是未来无线通信系统的一种新型结构，它可以看成是m i m o 系 统的扩展，也可以看成是m i m o 系统和分布式天线系统的结合体。 1 2 1 分布式m i m o 系统基本架构 图1 2 为分布式m o 系统的简单示意图。在每个小区中，有一个基站( b s ) ，另外 设置多个分布式天线阵列( a p ) ，每个天线阵列中包含多个天线，b s 本身也可以看成是 一个a p 。在每个小区中的所有a p 与b s 通过有线链路相连，受b s 的管理和控制。b s 与b s 之间也有有线链路相连，从而可以互通。各个b s 通过接入网关设备接入到核心 网( c 。这种系统也被称之为广义的分布式天线系统( g d a s ) 【1 6 】l l 刀【1 钉，而在传统的d a s 系统中基站侧的每个天线阵列中只包含有一根天线，d a s 系统可以看成是g d a s 系统 的一个特例。 图l 一2 分布式m i m o 系统结构图 图1 2 给出的是具有固定架构的分布式m i m o 系统，在这种架构中，与传统的蜂窝 系统相似，小区的范围固定，当移动台处于某个小区中时，必须与该小区中的天线进行 3 东南大学硕士学位论文 通信。自适应分布式m i m o 是一种更为先进的架构，在这种架构方式中，小区的边界 不再固定，系统通过自组织的方式形成小区。在传统的蜂窝系统和d a s 系统巾，系统 是以b s 作为核心节点进行小区的组织，而在自适应分布式m i m o 系统中，小区的中心 是移动台，移动台通过一定的算法选择其周围的天线组成虚拟小区【1 9 1 ，进行信息传输。 1 2 2 分布式m i m o 系统优势 分布式m i m o 系统作为一种新型的无线通信系统结构，与传统的蜂窝系统相比， 存在巨大的优势，主要表现在以下几个方面： 大大提升了系统容量。分布式m i m o 系统将天线阵列分开放置，大大减小了移 动台的平均接入距离。平均接入距离的减少将直接导致系统容量的大幅度提升，这也是 分布式m i m 0 系统最主要的优势之一。另外，分布式m i m o 系统可以提供宏分集，有 效地克服阴影衰落的影响，提高了系统的容量。 改善系统的覆盖性能。在传统的蜂窝系统中，由于基站的覆盖范围有限，处于小 区边缘的用户将得不到较好的服务，而在分布式m i m o 系统中，天线位置的分散化有 利于覆盖小区一些盲区和死角，提升系统的覆盖性能； 降低了系统的发射功率。在分布式m i m o 系统中，由于接入距离缩短，移动台 或者基站天线的接收信号质量大为改善，因此可以适当降低基站或移动的发射功率，这 对延长移动台的电池使用时间是十分有意义的。此外，发射功率的降低也减少了多址干 扰，进一步提升的系统的容量。 便于频率规划。随着数据业务量的急剧增大，带宽需求也日益增长，这和有限的 频点资源之间产生了巨大的矛盾。在这种情况下，传统的蜂窝系统的频率规划方法已无 法进一步提升频谱利用率。采用分布式m i m o 系统给新的频率规划方案的研究提供了 广阔的空间，通过有效的无线资源管理方案，可以大大提高频率使用的灵活性，降低干 扰，避免过于频繁的小区间切换，这对提高频谱利用率、提升系统性能有十分重大的意 义。 可以使用新颖的无线资源管理技术。由于分布式m i m o 系统是一个开放式的系 统，便于一些新颖且灵活的无线资源管理方案的使用。在传统的蜂窝系统中，所有的无 线资源都由基站统一管理，这对无线资源管理方案的设计和实施带来了限制。而分布式 m i m o 系统改善了系统的这一弊端，提升了无线资源管理的灵活性。 4 第l 章绪论 1 2 3 分布式m i m o 系统研究现状 前人关于分布式m i m o 系统的研究主要集中在以下三个方面： 关于分布m i m o 系统性能的分析，主要包括容量性能和中断性能等的分析。文 献【8 】研究了基站侧天线随机分布时的小区下行容量，该文献巾的信道模型忽略了阴影衰 落的影响，研究表明当天线随机分布时的分布式m i m 0 系统可以获得比传统蜂窝系统 更高的遍历容量和中断容量。文献【9 】研究了多小区环境下天线随机分布的分布式m i m o 系统下行链路中断概率，下行分别采用选择发送( s t ) 和最大比发送( m r t ) ，移动台只 有一根天线，研究表明天线随机分布的分布式m 【m o 系统也具有较好的中断概率性能。 关于分布式m i m o 系统中无线资源管理方案的研究，例如分布式m i m o 系统中 功率分配、天线选择、频率资源分配方案的研究等。 关于分布式m i m o 系统中基站侧天线位置分布的研究。上述关于分布式m i m o 系统性能的研究中，忽略天线位置对系统性能的影响，大部分文献采用固定的天线位置 或者随机天线位置进行研究。而关于天线位置对系统性能影响的分析少之又少，文献【1 0 】 研究了线形小区中的基站侧天线最优分布，该文献假设基站只有两根天线进行s t b c 发 射，移动台在线形小区中均匀分布，在此基础之上研究了小区下行的b e r 性能，通过 理论推导和仿真表明，当两根天线关于中心对称时，系统可获得最小的b e r 。文献 【ll 】【1 2 】【1 3 】都研究了圆形小区中分布式m i m o 系统基站侧天线的最优分布，文章中假 设所有天线都分布于一个以小区中心为圆心的同心圆上，通过理论分析和仿真来获得同 心圆的最优半径，这是一种特殊情况。 1 3 本文的主要工作和内容安排 前人的关于分布式m i m o 系统的研究主要着重于分析和验证分布式m i m o 相比于 集中式m i m 0 系统的优势，然而对于分布式m i m o 系统基站侧天线如何分布才能使得 系统性能达到最优这个问题的研究却很少。很多文献已经研究表明【1 0 1 1 1 3 】，分布式m i m o 系统中基站侧天线的分布对系统的性能的却有很大的影响，所以本文着重研究了分布式 m i m o 系统中基站侧多天线的最优分布问题。 为了便于本文的研究，首先给出以下一些假设： 本文只考虑单小区单用户场景。 本文所用的天线模型均为全向天线，扇形天线和智能天线不在考虑范围之内。 5 东南大学硕士学位论文 信道衰落模型主要有三部分组成，即路径损耗、阴影衰落和多径衰落构成，本 文在给出优化问题模型时都考虑了这三部分，但是在具体分析时，为了简化问 题，可能忽略某些部分的影响。 移动台在小区中是均匀分布的。 下面给出本文的内容安排。 本文第1 章首先介绍了m i m o 技术的基本原理、技术优势、研究现状等；其次简 要介绍了分布式m i m o 系统的基本架构、特点和优势，并对分布式m i m o 系统的研究 现状进行了简单的总结。 本文第2 章主要介绍了m i m o 信道容量的相关知识。本章给出了m i m o 信道的基 本模型，讨论了集中式m i m o 和分布式m i m o 信道模型异同点，并通过仿真初步说明 了分布式m i m o 系统相对于集中式m i m o 系统的容量优势。本章的工作为3 5 章的研 究奠定了基础。 本文第3 章主要研究了基于遍历容量的线形小区基站侧天线的最优分布。线形小区 结构虽然比较简单，但对其的研究却有实际意义，像街道、公路等都可以建模为线形小 区。本章关于线形小区天线最有分布的研究是基于下行遍历容量的。本章首先推导了下 行遍历容量，给出了基站侧天线最优分布问题的数学模型。然后根据移动台侧的天线数 目分情况研究当遍历容量最大化时的基站侧天线分布。最后将仿真搜索的结果与理论分 析结果进行了比较。 本文第4 章研究了基于遍历容量的圆形小区基站侧天线的最优分布。与第3 章相同， 本章的研究也是基于下行遍历容量的，但不同的是，圆形小区中基站侧天线最优分布的 研究更为复杂。在圆形小区中，解决天线最优分布问题需要优化二维坐标，通过理论推 导得到满意的解析解难度很大。本章为了降低研究的复杂度，简化了信道模型，在基站 天线数为2 的情况下，理论证明了这两根天线关于圆心对称分布式时是最优的，在这基 础之上，通过计算机搜索得到了天线的具体位置；当天线数大于2 时，本文将该问题转 化为一个次最优问题，通过计算机搜索得到了天线的大致布局，并通过仿真比较了这种 布局与集中式分布和随机分布的容量性能。 本文第5 章研究了基于中断概率的基站侧天线的最优分布。第3 、4 章的研究都是 基于系统的容量性能的，容量只能反映系统的整体性能，而无法反映系统的平均覆盖性 能。因此，本章通过最小化系统的平均中断概率来获得基站侧天线的最优分布。本章首 先考虑上行链路中断概率最优时的天线分布，在忽略阴影衰落影响的情况下，推导得到 6 第1 章绪论 平均中断概率的一个上界，通过优化该上界优化天线的分布。可以发现，该上界的优化 问题可以等效为p 中心问题，本章通过计算搜索得到了正方形小区和正三角形小区中天 线的大致布局。其次，本章还考虑了下行链路中断概率最优时的天线分布。此处假只有 离移动台最近的一根基站天线为移动台发射下行信号，移动台通过s c 或m r c 对接收 信号进行合并，在线形小区中，本章获得了与第1 章一样的结果。 第6 章对全文进行了总结。 7 东南大学硕士学位论文 8 第2 章m i m o 信息论 第2 章预备知识 本章介绍了m i m o 信道容量的相关知识，为下面几章分析基站侧天线的最优分布 做了一些准备工作。本章的内容安排如下：首先，本章给出了集中式m i m o 和分布式 m i m o 的信道容量表达式；其次，通过仿真，比较了一定的小区场景下集中式和分布式 m i m o 的性能。 2 1m i m o 信道容量 这里所考虑的m i m o 信道是平坦衰落的【2 0 1 ，也即在一个很小的时间间隔内，信号 在整个带宽上的衰落可以看成是相同的。 2 1 1 信道模型 考虑一个点对点的m 【m o 系统，发射机有以根天线，接收机有r 根天线。在某一 时刻，发射机的发射向量和接收机的接收向量分别为 z = t ，吃，】t 矽= 矾，札】t ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中( ) t 表示矩阵的转置，发射向量z 满足一z p ，e ) 表示求期望，( ) h 表示矩 阵的共轭转置，尸为发射机总的发射功率。 设发射机天线i g = 1 ，2 ，1 ) 到接收机天线歹o = 1 ，2 ，r ) 的信道系数为靠，如 中包含三者的乘积，即路径损耗0 、阴影衰落和多径衰落k 。接收机的接收噪声向量 为 竹= 【q ，】t ( 2 3 ) n 是一个复高斯随机向量，且满足e n h n = 仃：k ；是噪声功率值，不失一般性，令 = 1 ；k 是r 维的单位矩阵。 路径损耗用以前模型计算 洋时 仁 j l ljl 、 东南大学硕士学位论文 其中q 为路径损耗指数，宏小区市区场景下取值在2 4 之间；巳为天线歹至天线i 的距 离；吃为参考距离：k 为一个常数。 阴影衰落可以建模为对数正态分布，多径衰落是一个复高斯分布，其包络服从瑞利 分布。 这样离散的m i m o 信道模型可表示为 可= 轨ii 吼1 夕1 l ： l i ： ： 2 1 2 集中式m i m o 信道容量 q ； z i+ i 三 = g z + n ( 2 5 ) 在集中式m i m o 系统中，如果考虑f 行发射，可以将基站看成