分布式天线系统中的资源优化

发布时间：2020-07-26 19:12

【摘要】：异构化和小型化已经成为了未来无线通信网络发展的必然趋势。随着多输入多输出理论和多天线协作传输技术的不断研究发展,分布式天线系统得到了人们的广泛关注并且被认为是未来移动通信系统的主要架构。在分布式天线系统中,天线单元被部署在小区内的不同位置,并通过光纤或者同轴电缆等媒质连接到中央处理单元,具有以下几方面的优势：有效的解决了蜂窝网络的室内或者小区边缘的覆盖盲区问题；带来了空间分集增益,进而增大了系统容量；提高了系统的能量效率。本文对分布式天线系统中的资源优化进行了研究,主要包括系统容量、具有服务质量保障的联合用户调度和功率分配、以及具有时间异步鲁棒性和系统能量效率最大化的联合多用户波束赋形等方面内容,具体研究成果如下： 1.研究了基于OFDMA的上行分布式天线系统的容量问题。考虑接收端采用MMSE-SIC接收机,允许多个用户同时复用相同的子载波资源,构造了联合子载波和功率分配的系统容量最大化问题。由于该问题是一个混合整数规划问题,首先提出了一种基于多用户迭代功率注水的中心式贪婪算法,每次都只将能够带来系统和速率增益最大的子载波和用户对进行分配。然后进一步提出了可以分布式实现的启发式算法。仿真结果表明,所提出的启发式算法能够获得接近贪婪算法的性能,并且相比于传统算法,能够有效的提高系统容量。 2.针对下行单小区分布式天线系统,在发送端已知全部信道状态信息条件下,研究了具有QoS保障的联合用户调度和功率分配算法。首先在给定天线单元分配结果时,分别研究了基于用户“硬移除”和“软移除”的功率分配算法,前者是通过接纳控制逐渐将不满意用户从系统中移除,而后者是逐渐降低服务不满意用户的天线单元的发射功率。然后定义了基于服务质量和信道增益的用户调度优先级指标,进而提出了联合启发式用户调度和功率分配的算法。仿真结果表明,相比于基于遍历搜索的算法,提出的算法具有较低的复杂度,同时得到了近似最优的性能。 3.在发送端只知道部分信道状态信息时,用户的QoS要求体现为对其接收SINR的中断概率的约束。首先分析并推导了SINR中断概率的闭式表达式。考虑到天线单元和用户的随机分布特性,提出了基于终端接收导频信号强度信息的协作天线集合选择方法。在此基础上,构造了系统总发射功率最小化的优化问题。通过采用一阶泰勒级数近似和半定松弛方法求解,提出了联合多用户的发送波束赋形算法。仿真结果表明,该算法具有很好的收敛性,能够在部分信道状态信息条件下保证用户的QoS需求。 4.考虑到用户终端接收到来自不同天线的发射信号具有不同传输时延的情况,研究了具有时间异步鲁棒性的发送波束赋形算法。由于时间异步会导致严重的同频干扰和码间串扰,首先采用分段线性函数近似的方法得到了用户接收SINR的下界。此外,考虑到多个天线单元的联合传输需要在回程链路上传输大量的用户数据,进而构造了最小化系统回程链路负荷的l0-范数优化问题。通过采用加权l1-范数松弛的方法得到了问题的近似最优解,最终提出了具有时间异步鲁棒性的联合波束赋形算法。仿真结果表明,所提出的算法在小于30%符号周期的时间异步环境下具有很好的性能,同时能够有效的降低系统的回程链路负荷。 5.研究了分布式天线系统中具有能量效率最大化的联合波束赋形算法。首先综合考虑天线单元的发射功率和电路功耗、系统的回程链路功耗、以及中央处理单元的信号处理功耗,建立了一种适用于分布式天线系统的功耗模型。在此基础上,构造了系统能量效率最大化的非线性分数优化问题。通过将分数优化问题转化为等效的D.C.问题,并采用一阶泰勒级数松弛和连续凸近似的方法求解,最终得到了具有能量效率最大化的联合多用户波束赋形算法。仿真结果表明,相比于传统的速率最大化或者功率最小化算法,所提出的算法能够满足用户的最小传输速率需求,并且实现最大化整个分布式天线系统的能量效率的目标。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN92
【图文】：

历程,无线通信技术,无线城域网,卫星通信网络

商用时间图1.1 移动通信系统的发展历程组织网络(MANET，Mobile Ad Hoc Networks)> 无线城域网(WMAN, WirelessMetropolitan Area Networks)^ 卫星通信网络(SN，Satellite Networks)和各种无线传感器网络(*8>^’，Wireless Sensor Networks)等等，使得我们所处的无线环境呈现出各种异构无线网络百花齐放和齐头并进的盛况。WLAN是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网络和无线通信技术相结合的产物，它作为有线网络的延伸，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入_-1191。自从美国电气和电子工程师十办会(IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers)在 1997年公布了一个WLAN标准802.11以来

无线网络,异构,场景

在传统的无线通信系统中，为了实现更大范围内的网络覆盖，宏蜂窝小区基站往往都架设很高的发射天线并采用很大的发射功率。然而基站为移动终端提供的最大数据速率取决于它们之间的距离，移动终端距离基站越近，所能够获得的数据速率也就越高。随着互联网及多媒体业务的出现，人们对高速率数据业务的需求呈现爆炸式的增长。为了进一步提高无线网络的容量，蜂窝网络通信系统经历了从宏小区(Macro-cell)、微小区(Micro-cell)到微微小区(Pico-cell)的发展演进历程。在小区半径逐渐缩小的过程中，用户与基站之间的距离也进一步降低，从而移动设备可以采用更低的发射功率与基站之间进行通信，如图1.3所示。从移动蜂窝网络的架构来看，尤其是密集城区里各种高大建筑和地下设施的出现，使得无线网络架构由简单的覆盖型网络演进为复杂的立体分层网络架构。与此同时，无线网络的容量分布呈现出非常的不均匀性和突发性。因此，现在的无线网络不仅要求实现广域覆盖，更注重网络容量和承载能力的提升。在这种需求下，小蜂窝(Small Cell)概念应运而生气它是工作在授权或非授权频段，采用低功率发射天线实现小范围内的网络覆

无线网络,发展趋势,分布式天线系统

2020图1.3 无线网络的小型化发展趋势[261盖，扩展网络的覆盖范围和提高网络容量。Small cell具有小型化、低发射功率、可控性好、智能化和组网灵活等优点，因而具有广泛的应用场景。早在2012年底，Small cell的部署数量就达到了600多万，超过了宏基站数量。可以说Small cell具有着非常广阔的应用前景，例如，3GPP组织在LTE-A标准中提出了支持多层网络结构的同质异构无线网络架构，通过在宏蜂窝范围内增加家庭基站(FemtocellpH3。]、中继基站(Relay^、并允许设备到设备之间的通{t(D2D, Device to Device)[32H34l等，解决蜂窝网络中业务过于集中和室内及小区边缘出现覆盖盲区的问题。1.2分布式天线系统的起源和研究现状1.2.1分布式天线系统的起源及发展分布式天线系统(DAS

【参考文献】