多小區(qū)和大規(guī)模分布式天線技術(shù)研究.pdf

1、未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)需要隨時(shí)隨地為不同的終端提供豐富多樣的無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。多天線系統(tǒng)因可以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的高速數(shù)據(jù)傳輸需求而獲得廣泛的關(guān)注。作為多天線系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)形式，分布式天線系統(tǒng)(DAS)在不增加頻譜開(kāi)銷的前提下可以大幅提高用戶覆蓋率和通信容量。在DAS中，多個(gè)遠(yuǎn)端天線單元(RAU)通過(guò)光纖連接到同一中央處理器(CP)形成虛擬協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，獲取空間分集增益，在提高信息傳輸?shù)目煽啃院陀行缘耐瑫r(shí)降低了能量損耗，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今社會(huì)所提倡的綠色通信

2、。另一方面，大規(guī)模多天線技術(shù)(Massive MIMO)在干擾抑制、頻譜效率、能量效率等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為第五代移動(dòng)通信(5G)的備選技術(shù)之一。作為大規(guī)模多天線技術(shù)和分布式天線技術(shù)的融合，大規(guī)模分布式天線系統(tǒng)(Massive DAS)通過(guò)光纖回程將上百根分散在小區(qū)內(nèi)的天線連接在一起，減小了收發(fā)機(jī)之間的平均接入距離，提高了通信鏈路的魯棒性，保證了用戶通信的公平性。大規(guī)模分布式天線系統(tǒng)具有配置靈活、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，可以滿足未來(lái)移動(dòng)

3、通信網(wǎng)絡(luò)的高性能需求。
　　針對(duì)DAS，多數(shù)研究根據(jù)中心極限定理(CLT)將干擾項(xiàng)和噪聲項(xiàng)之和當(dāng)作高斯白噪聲處理。該分析方法只適用于干擾信號(hào)無(wú)窮多的情況，當(dāng)干擾信號(hào)較少時(shí)，使用此方法分析系統(tǒng)性能時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。另外，對(duì)于高階調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)，其同相分量和正交分量在Nakagami-m信道下存在相關(guān)性，這個(gè)問(wèn)題在分布式天線系統(tǒng)研究中尚未被考慮過(guò)。因此，對(duì)于精度要求較高的通信系統(tǒng)，需要采用更為恰當(dāng)?shù)姆治龇椒ê蛿?shù)學(xué)工具來(lái)提高性能預(yù)估的效

4、率和準(zhǔn)確度。
　　由于同信道干擾(CCI)對(duì)系統(tǒng)性能具有很強(qiáng)的負(fù)面影響，CCI的消除或抑制成為多小區(qū)DAS的研究重點(diǎn)之一。大規(guī)模分布式天線系統(tǒng)中連接遠(yuǎn)端天線單元的射頻鏈路數(shù)量較多，昂貴的硬件成本限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在獲取分集和復(fù)用增益的同時(shí)，需要選擇合適的RAU進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸以降低信號(hào)開(kāi)銷和硬件成本。另外，大規(guī)模多天線系統(tǒng)中存在著天線的相關(guān)性，還需構(gòu)建合適的相關(guān)信道模型來(lái)研究天線的分集合并技術(shù)。
　　針對(duì)多小區(qū)和大規(guī)模DAS

5、中存在的上述問(wèn)題，本論文進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1、研究了多小區(qū)DAS的下行鏈路性能。為了減少同信道干擾并降低發(fā)射功率，設(shè)計(jì)了一種基于最大化瞬時(shí)信干噪比(SINR)的天線選擇傳輸方案。首先，采用高斯Q函數(shù)近似(GQA)方法將同信道干擾項(xiàng)與噪聲項(xiàng)之和當(dāng)作具有固定方差的高斯白噪聲處理，推導(dǎo)了系統(tǒng)誤比特率的閉式解。在Nakagami-m衰落信道下，將干擾信號(hào)當(dāng)作具有隨機(jī)方差的變量，利用干擾信號(hào)的特征函數(shù)，分析了

6、系統(tǒng)的精確誤比特率。對(duì)于瑞利衰落信道，推導(dǎo)了系統(tǒng)精確誤比特率的閉式解。相對(duì)于高斯Q函數(shù)近似法，所推導(dǎo)的精確誤比特率不僅取決于目標(biāo)信號(hào)，還與干擾信道增益密切有關(guān)。數(shù)值及仿真結(jié)果證實(shí)所提出的精確分析方法可以快速準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)的實(shí)際性能。（上述創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文的第三章內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的1）
　　2、研究了多小區(qū)環(huán)境下的分布式天線傳輸方案，以及對(duì)正交相移鍵控(QPSK)采用雙信道接收的誤比特率性能。提出了基于最佳信道質(zhì)量和最短鏈路距離的

7、遠(yuǎn)端天線單元選擇策略。分析了干擾信號(hào)的同相分量和正交分量在Nakagami-m衰落信道中的相關(guān)性，并將干擾信號(hào)當(dāng)作隨機(jī)變量，推導(dǎo)了基于雙信道接收的DAS精確誤比特率。對(duì)于瑞利分布，在可以忽略干擾信號(hào)同相分量和正交分量相關(guān)性的前提下，推導(dǎo)出了系統(tǒng)精確誤比特率的閉式解。數(shù)值及仿真驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)比較了各種傳輸模式的系統(tǒng)性能。（上述創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文的第四章內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的2）
　　3、結(jié)合無(wú)線能量傳輸(WET)技術(shù)，設(shè)計(jì)

8、了一種基于多環(huán)結(jié)構(gòu)的大規(guī)模DAS模型，提出了能量和信息的高效傳輸機(jī)制，推導(dǎo)了多用戶系統(tǒng)的漸近吞吐量。該模型簡(jiǎn)化了理論分析的復(fù)雜度，有利于WET在DAS中的應(yīng)用。在下行能量傳輸階段，為了節(jié)省信號(hào)開(kāi)銷、降低射頻鏈路硬件成本、提高能量收集效率，我們選擇距離目標(biāo)用戶最近的遠(yuǎn)端天線單元進(jìn)行無(wú)線能量的傳輸。在上行信息傳輸階段，分析了用戶發(fā)送信息的概率，在接收端采用迫零檢測(cè)法(ZFD)區(qū)分來(lái)自不同用戶的信息流?？紤]大規(guī)模多天線系統(tǒng)的信道硬化和信道漸近

9、正交特性，采用隨機(jī)矩陣等數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)了用戶漸近吞吐量的閉合表達(dá)式。通過(guò)最大化漸近吞吐量，優(yōu)化了能量傳輸時(shí)間。（上述創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文的第五章內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的5）
　　4、利用高斯隨機(jī)多變量設(shè)計(jì)了廣義相關(guān)Weibull信道，研究了大規(guī)模分布式天線簇的分集合并技術(shù)。在高信噪比(SNR)環(huán)境下分別推導(dǎo)了基于選擇合并(SC)、等增益合并(EGC)和最大比合并(MRC)的漸近中斷概率及誤比特率的閉合表達(dá)式。針對(duì)選擇合并技術(shù)，利用平均支路S