分布式天線系統的研究現狀

分布式天線系統的研究現狀

1基于das的多用戶分集研究在傳統的蜂窩系統中，多個天線通常集中在基站上形成一個總天線系統。這種系統一般稱為集中天線系統(CAS)。天線集中放置實際上限制了天線的數量,不利于空間資源的充分利用,小區(qū)邊界的用戶往往性能很差。小區(qū)分裂和扇區(qū)化可以在一定程度上提高系統容量,但由于切換頻繁、干擾和成本等因素的影響,也不能無限制地進行下去。分布式天線系統(DAS)將蜂窩系統中的基站簡化為收發(fā)天線和信號轉換裝置,各天線用光纖連接到一個中央處理單元進行統一的收發(fā)信號處理。天線的數目由所需傳輸的業(yè)務量等因素決定,天線可以盡可能靠近無線用戶終端,以便于減小無線信號發(fā)送功率,提高整個系統的功率效率。與蜂窩系統相比,分布式無線通信網絡可以提供高得多的傳輸速率和系統容量。很多文獻都是基于DAS的覆蓋范圍、功率效率等方面進行分析,而沒有考慮多用戶分集。多用戶分集是利用不同用戶的衰落信道的隨機波動,總是選擇信道條件最好的用戶一起工作而得到多用戶分集增益。本文從多用戶分集的角度研究了基于迫零波束成形算法的下行分布式天線系統的容量,并和CAS做了比較。迫零波束成形算法在用戶數趨于無窮的時候可以逼近廣播信道的和容量,但其要求發(fā)送天線的數目必須大于等于所有同時工作的用戶天線數目之和。本文提出了一種考慮用戶公平性的最小容量損失輪詢調度算法,該算法在一般輪詢調度算法的基礎上選擇用戶間信道正交性最好的用戶一起工作,在滿足迫零波束成形算法用戶數目限制的同時可以得到多用戶分集增益。2迫零波束成形算法考慮一個用戶數為K的下行多用戶分布式天線系統,nT根發(fā)送天線,每個用戶為nj根接收天線。第j個用戶的信道矩陣為HjFj。其中Hj為nj×nT維矩陣,各元素為服從獨立同分布,均值為0,方差為1的復高斯隨機變量。Fj為nT×nT維對角矩陣,表示第j個用戶分別到nT個分布式天線的大尺度衰落。假定大尺度衰落僅取決于路徑損耗而不考慮陰影衰落,則其中di,j表示第i根發(fā)射天線和第j個用戶之間的距離,γ為路徑衰減因子。第j個用戶接收到的信號可以表示為其中Tj為第j個用戶的波束成形矩陣,bj為第j個用戶的發(fā)送矢量。和分別表示K個用戶的波束成形矩陣和發(fā)送矢量中去除Tj和bj而形成的組合矩陣和矢量。定義為上標T表示轉置。為了消除多用戶干擾,文獻提出的迫零波束成形算法對用戶i≠j施加約束HiFjTj=0。定義可以通過選擇Tj使其位于的零空間來滿足這個約束。要使的零空間存在,必須滿足即要求發(fā)送天線的數目必須大于等于所有同時工作的用戶天線數目之和。采用迫零波束成形算法可以把一個多用戶下行的多天線系統轉變成若干個平行獨立的單用戶多天線系統。定義為HjFjTj的SVD分解。其中Uj(1)和Vj(1)分別對應于Σj的非零奇異值部分,上標H表示復共軛轉置。在迫零波束成形算法下要使用戶j的信息速率最大,可以在發(fā)射端采用TjVj(1)作為發(fā)射矢量,接收端采用Uj(1)作為接收矢量,發(fā)射功率按照Σj的非零奇異值進行注水分配。具體分析可見文獻。本文基于迫零波束成形算法研究下行分布式天線系統的容量主要原因是其實現復雜度低,而且該算法在用戶數趨于無窮的時候可以逼近廣播信道的和容量。3迫零波束成形算法假設N為滿足式(5)約束的最大的采用空間復用的方法共享同一信道的用戶數,一種簡單的策略就是對于所有的K個用戶采用輪詢的方法依次選取不多于N個用戶同時工作,直到所有的用戶都選擇完畢。這種方法雖然能保證用戶的公平性,但不能避免空間相關性強的用戶同時工作的情況。而在這種情況下采用迫零波束成形算法抵消其他用戶的干擾會有很大的發(fā)送功率損失,從而影響了系統容量的提高。采用普通的輪詢調度算法得不到多用戶分集的好處。一種實際的方法是將輪詢調度算法和用戶選擇結合起來,每次輪詢的時候都選擇空間正交性最好的用戶同時工作。因為如果同時工作的用戶理想正交,那么發(fā)端的迫零運算實際上就相當于一個矩陣旋轉運算,從而沒有因抵制其他用戶的干擾而造成的容量損失。當然,這種理想情況只有在用戶數趨近無窮的時候才能實現,這其實也就是迫零波束成形算法能逼近廣播信道和容量的原因。實際情況中只要選擇用戶間信道正交性最好的用戶一起工作,就可以在滿足迫零波束成形算法用戶數目限制的同時可以得到多用戶分集增益。文獻提出了一種用戶選擇的算法,但其只考慮了用戶端是單天線的情況,而且其選擇準則考慮用戶信道間的正交性和信道的增益的綜合作用結果。但對于輪詢調度算法,由于為了兼顧公平性,每個用戶無論信道增益強度如何,都有機會占用信道。因此在用戶選擇的時候,信道間的正交性是主要起作用的因素。如果在判定進行用戶選擇的過程中,同時考慮了用戶信道的強度,很可能某用戶雖然和其他已選擇的用戶正交性較弱,但因為其信道增益大而被選擇,從而影響了對用戶信道正交性的判斷。在本文提出的結合用戶選擇的輪詢調度算法中,以迫零過程中容量的損失為判斷用戶間正交性的量度。很顯然,用戶間的正交性越好,容量的損失越小。在本文的仿真中將把文獻的方法推廣到用戶端是多天線的情況,并和本文提出的算法進行比較。由于在用戶選擇的過程中迫零造成的容量損失可以定義為當前已經選擇用戶的和容量和這些用戶為抵消新增加的用戶干擾而進行迫零操作后的和容量之差。由于在用戶選擇過程中,已經選擇的用戶的和容量不變,所以可以用迫零后當前已選擇用戶的和容量的最大化表征最小容量損失。每次用戶選擇都在所有未選擇的用戶中選擇使迫零后當前已選擇用戶的和容量的最大的用戶,直到所有用戶選擇完畢。具體用戶選擇步驟如下:步驟1m=1,S={1,2,,K}。步驟3定義,其中當l=0或l>i時,其中null(T)表示信道矩陣T的零空間,為信道矩陣T的信道容量,R為TTH的秩,σ2為噪聲方差,Λk是矩陣TTH的特征值,ρk為發(fā)送功率,可以通過功率注水得到:步驟4Θm=Θm∪{ki+1},S=S\Θm,i=i+1。步驟5重復步驟3到步驟4直到i=N或S=?,一次輪詢完畢。m=m+1。步驟6重復步驟2到步驟5直到S=?,全部用戶輪詢完畢。4最小容量損失輪詢調度算法的比較考慮有6根發(fā)送天線,每個用戶為2根接收天線的分布式天線系統。發(fā)送天線采用文獻的方法在給定圓形區(qū)域內等概率隨機分布。作為對照,CAS的發(fā)送天線在圓心集中放置。DAS和CAS天線數目和發(fā)射功率相同。用戶都是等概率隨機分布。路徑衰減因子γ=4。圖1比較了本文提出的最小容量損失輪詢調度算法和文獻的算法推廣到用戶端是多天線的情況下在不同信噪比下系統的10%中斷率和容量。仿真結果表明只考慮用戶間正交性的最小容量損失輪詢調度算法是優(yōu)于同時考慮信道增益和正交性的算法。圖2比較了最小容量損失輪詢調度算法和用戶隨機選擇的普通輪詢調度算法下DAS和CAS的10%中斷率和容量和信噪比之間的關系。用戶數K=120。圖3比較了最小容量損失輪詢調度算法和普通輪詢調度算法下DAS和CAS的10%中斷率和容量和用戶數之間的關系。SNR=10dB。由圖2和圖3可見,采用本文提出的最小容量損失輪詢調度算法,在不同信噪比和不同用戶數的情況下,DAS相比CAS都能得到明顯的容量分集增益。無論是DAS還是CAS,采用最小容量損失輪詢調度算法都能得到比普通輪詢調度算法更高的信道容量。如果采用普通的輪詢調度算法,則DAS的容量分集增益不明顯。特別是在高信噪比時,DAS和CAS的容量曲線幾乎重合。在DAS中由于天線的分布特性比CAS有更大的空間自由度,采用用戶選擇策略選擇到相對正交性好的用戶的幾率更大一些。因此能得到明顯的容量分集增益。如果不進行用戶選擇則利用不到這個自由度,也就沒有多用戶分集增益。圖2中采用普通調度算法在低信噪比下也有優(yōu)勢,主要是因為低信噪比時噪聲占優(yōu),DAS由于接入距離近有功率上的優(yōu)勢,所以容量也較大。而高信噪比的時候干擾占優(yōu),不進行用戶調度,就得不到多用戶分集的好處。5基于性能要求的多用戶分集優(yōu)化本文提出了一種最小容量損失輪詢調度算法,該算法在一般輪詢調度算法的基礎上選擇用戶間信道正交性最好的用戶一起工作,可以在保證用