绿色通信在未来移动通信系统中的应用.doc

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1、摘 要本文的研究工作包括两个方面：第一个是对绿色通信相关网络技术进行调研，第二个是对基于分布式天线系统的Wyner模型通信相关指标进行研究。第二个研究工作重点在于研究分析基于Wyner模型的上行链路中单元内及其之间的不同通信方式下的各态历经的数据速率指标。本文分析了基于分布式天线系统的Wyner模型单单元处理（SCP）即没有信号的联合处理情况下的上行链路的单元速率指标。本文分别对高斯信道和衰落信道这两种情况进行研究，其中衰落信道的研究包括了瑞利衰落信道和更为一般的nakagami衰落信道。推导出高斯信道、瑞利衰落信道和nakagami衰落信道下单元速率的表达式。最后仿真分析不同信道条件下用户数

2、、单元间干扰因子、衰落因子等参数对单元速率的影响。关键词：绿色通信 分布式天线系统 Wyner模型 单单元处理 单元数据速率 AbstractOur research work includes two aspects. The first one is the investigation of green communication technology. The second is the research of communication-related indicators based on Wyner model of distributed antenna systems. The

3、 focus of the second aspect is to analyze uplink cell capacity based on Wyner model under different communication means.This article analyzes uplink cell capacity based on Wyner model of distributed antenna systems under single cell process which means there is no joint processing of signals. Our st

4、udy runs under two cases which are AWGN channels and fading channels. Fading channels include Rayleigh fading channels and nakagami fading channels which is more general. Expressions of cell capacity in AWGN channels, Rayleigh fading channels and nakagami fading channels have been derived. At last s

5、imulation of the number of users, interference factor between the cells, fading factor and other parameters influence on cell capacity under different channel conditions has been done.Keywords：green communication, distributed antenna systems, Wyner model, single cell process(SCP), unit data rate目 录摘

6、 要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1移动通信系统的发展历史和演进11.2绿色通信网络技术的发展51.3分布式天线系统61.4本文主要内容和架构8第二章绿色通信网络技术的调研92.1引言92.2基于网络体系结构部署角度的节能92.3基于硬件设计角度的节能102.4基于基站协作角度的节能112.5基于链路自适应资源分配的节能112.6本章总结12第三章 基于Wyner模型的上行链路通信性能指标分析133.1引言133.2Wyner模型133.3上行链路单单元处理下的通信性能指标153.4仿真结果及分析203.5本章总结24第四章 总结与展望254.1全文总结254.2下一步工

7、作展望25致 谢27参考文献2831第一章 绪论1.1 移动通信系统的发展历史和演进移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1897年，M.G.马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里。现代移动通信技术的发展始于上世纪20年代，经历了早期阶段、lG、2G等发展阶段，今天3G系统的商用正在全球范围内成为现实，并且以 3G LTE为代表的演进计划也正在实施中，可以说现代移动通信技术的发展日新月异，我们首先回顾一下这一具有巨大社会效益和经济效益的技术所经历的发展阶段。早期发展阶段是在20世纪20年代至40年代，只是在短波的几个频段上开发出了专用的移动通信系统，具

8、有代表性的系统就是美国底特律市警察使用的车载无线电系统，但是其工作频率较低，只有2MHz。40年代到60年代是公用移动通信业务开始问世的时期，1946年，根据美国联邦通信委员会（FCC）的计划，贝尔系统公司在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。移动通信系统从专用移动网逐步向公用移动网转变。60年代到70年代，公用移动网进一步发展，实现了移动网络到公用电话网的自动接续。1978年底，美国贝尔实验室研制成功了先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此同时，其他发达国家也相继开发出了蜂窝式公共移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网

9、成为实用系统，并在世界各地迅速发展起来。移动通信得到迅猛发展的原因，除了用户需求迅速增加这一主要推动力之外，还有几个方面技术发展所提供的条件。首先是微电子技术在这一时期得到了迅速的发展，使得通信设备能够实现小型化、微型化。其次，贝尔实验室在20世纪70年代提出的蜂窝网的概念形成了移动通信新体制。蜂窝网，即所谓的小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。这一阶段所诞生的移动通信系统一般被称为第一代（1G）移动通信系统。第二代（2G）移动通信系统主要采用的是数字

10、的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术1。主要业务是语音，其主要特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。目前世界范围内存在有多种2G数字移动通信系统，主要包括GSM系统、IS-136TDMA系统、IS-95CDMA系统2。其中GSM系统占据全球移动通信市场份额的58%，可以提供2.4Kbits/s-9.6Kbits/s以及14.4Kbits/s的电路交换语音业务，还可以通过GPRS和EDGE分别提供l44Kbit/s和384Kbits/s的分组交换数据业务，IS-136系统占有全球市场的9%份额，它可以提供9.6Kbits/s电路交换语音和传真业务，其最高数据传输速率可达40K

11、bits/s60Kbits/s。IS-95系统占有的市场份额是14%，它能够提供可变速率接入，其峰值速率分别可以达到9.6Kbits/s和14.4Kbits/s，还可以通过使用蜂窝数字分组数据（CDPD，Cellular Digital packet Data）网络来提供19.2Kbits/s的数据业务。显然，基于支持话音业务电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要。第三代（3G）移动通信系统的目标是高效地提供不同环境下的多媒体业务并实现水陆空的全球覆盖，因而它要求实现多种网络的综合：不同的无线网的综合，移动网和固定网的综合等。与此同时，第三代移动通信又要适应多种业务环境，并且

12、与第二代移动通信系统兼容，以实现平滑的升级。第三代移动通信系统相对于现在的移动通信系统具有以下特点：更大的通信容量和覆盖范围；具有可变的高数据速率；同时提供高速电路交换和分组交换业务；更高的频谱利用率。人类社会正进入信息时代，移动化、宽带化是这一时代的主流。而第三代移动通信技术（3G）的应用将揭开这一时代的序幕。中国已是信息大国，今后还要建设成信息强国。3G产业在中国必将得到良好的发展，中国的3G市场将是规模巨大，且价值丰厚的。与2G相比，3G的最大优势在于它能够提供至少384Kb/s的高速数据接入，这使其除可承载原有的话音业务和短信业务外，还能够开设许多新的业务。(一) 简单话音和消息类业务

13、简单话音是对一般通信需求的满足，在3G时代，沟通仍是电信消费者的首要需求，话音业务仍将占重要位置。简单消息与目前的短信业务类似，主要是文字的传送。在第二代网络中，短信业务增长势头强劲，特别是在年轻人中，使用量很大。预计在3G时代初期，简单消息仍将是一个重要的业务模式。当然，它与2G还是有所不同，定制信息服务将占相当大的比重，因为初期的3G业务用户多为高端商务用户，他们对定制信息的需求会大于一般短消息。(二) 多媒体信息类业务多媒体信息（MMS）业务现己开设，如通常所说的彩信业务。但目前受资费和终端价格的限制，用户群体小，不能形成规模效应，发展情况并不理想。在3G时代，随着终端和业务资费下降，凭

14、借图文并茂的特点，MMS将对短信业务的主要群体一一年轻人更具吸引力。因此，MMS业务将是短信息的替代业务，它在3G时代会有较大规模的发展。(三) 定位业务3G网络有更强的终端定位功能，这有助于终端持有者方便地了解到本人所在的周边环境，确定想要前往的场所。类似功能目前己在2.5代网络中初步开通，但发展并不理想，且多为集团用户。况且，出于保护隐私的考虑，个人对此并不热心。在3G时代，如何将移动定位功能转化成一项为大众所接受的业务?这还需要相关部门全面考虑目标客户群和合理的运营模式。(四) 移动接入互联网业务这是3G强于2G的优势所在，也是3G最具吸引力的一项业务。随着网络日臻完善，3G用户使用3G

15、终端可以像目前在人口聚居区和交通道路沿线能够通话一样，随时随地接入互联网，浏览信息或者处理公务。这一业务是移动业务和互联网业务的统一，它在3G市场中的地位将越来越重要。(五) 高级话音业务高级话音业务可以运作于移动视频电话和多媒体电话，这也是3G网络所能够提供的一项特殊业务。但其发展前景并未被广泛看好，其业务界定和发展模式还有待进一步地研究。3G LTE的研究，包含了一些普遍认为很重要的部分，如等待时间的减少、更高的用户数据速率、系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低。为了达到这些目标，无线接口和无线网络架构的演进同样重要。考虑到需要提供比3G更高的数据速率，和未来可能分配的频谱，LTE需要支

16、持高于5MHz的传输带宽。E-UTRA和E-UTRAN要求UTRA和UTRAN演进的目标，是建立一个能获得高传输速率、低等待时间、基于包优化的可演进的无线接入架构。3GPP LTE正在制定的无线接口和无线接入网架构演进技术主要包括如下内容：（1） 明显增加峰值数据速率。如在20MHz带宽上达到100Mbit/s的下行传输速率（5bit/s/Hz）、50Mbit/s的上行传输速率（2.5bit/s/Hz）。（2） 在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS（多媒体广播和组播业务）在小区边界可提供lbit/s/Hz的数据速率。（3） 明显提高频谱效率。如24倍的R6频谱效率。（

17、4） 无线接入网（UE到E- NodeB用户面）延迟时间低于10ms。（5） 明显降低控制面等待时间，低于100ms。（6） 带宽等级为：a)5、10、20MHz和可能取的15MHz；b)1.25、1.6和2.5MHz，以适应窄带频谱的分配。（7） 支持与己有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。（8） 支持进一步增强的MBMS。上述演进目标涉及到系统的能力和系统的性能，是LTE研究中最重要的部分，也是E-UTRA和E-UTRAN保持最强竞争力的根本。与其它现代技术的发展一样，移动通信技术的发展也呈现加快趋势，关于未来移动通信的讨论己如火如荼地展开。各种方案纷纷出台，关于未来移动通信系统的

18、概念和结构，各家解释并未一致。但有一点是肯定的，即未来移动通信系统将提供全球性优质服务，真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。1.2 绿色通信网络技术的发展因特网需要为全球CO2排放量的2%负责，并且移动通信网络是增长最快的一部分3。预计到2020年移动通信网络产生的CO2排放量将达到178兆吨，这占总的ICT行业排放量的22%4，并且在接下来的一段时间中还会保持继续增长。全球移动用户现已有40亿，这对带宽和能量提出了很大的要求。在这一严峻背景下，再加上能源支出日渐提高，在作为ICT产业中的主要能耗产生者之一的电信行业（包括有线和无线通信网，以及互联网）当中

19、掀起了一股节能减排的热潮。在强烈的节能减排的要求的驱动下，近几年，绿色通信这一概念正愈发引起业界和研究人员的强烈关注，其致力于减少通信信息技术的能耗和CO2的排放量。随着移动通信的广泛普及和深入应用，节约能源、节约资源、保护环境将会是继新一代无线通信之后又一重要发展方向，已成为亟需研究的重大前沿课题，需要从理论、方法、技术和应用多方面进行系统研究5。国内外存在很多的大型项目致力于绿色通信网络技术的研究，国外的比如说有“green radio”项目、“celtic”项目、欧盟第七框架下的“TREND”项目等，国内的比如说有华为公司的绿色无线通信网络技术研发项目和各大高校研究院所的项目等。纵观国内

20、外绿色通信的相关研究成果，我们发现绿色通信网络技术研究主要从以下几个方面进行：网络体系结构部署角度、硬件的角度、基站协作的角度和链路自适应资源分配的角度。更为细化的研究方向有的是侧重于优化资源分配方式，有些研究侧重于减少基站功耗，有些研究侧重于协同多小区技术细节的优化，有些研究侧重于无线广域网相关技术的优化等等。1.3 分布式天线系统1.3.1传统的分布式天线系统早期的分布式天线概念引入是为了解决室内环境下的覆盖问题。使用传统的单天线小区结构：将大楼分成多个小区，每小区的中心定位一根天线。可能存在如下一些问题：1) 多径时延扩散2) 终端和基站间路径损耗大3) 各小区间使用不同的频率，使得管理

21、难度增大如果采用分布式天线结构：将大楼分成一个或几个范围较大的小区，每个小区使用分布式多天线来代替单天线。那么可以获得如下好处：1) 单天线下覆盖区范围与墙的数量和建筑材料有关。然而在分布式天线系统下，采用更多的天线，每根天线仅覆盖一个办公室范围的空间，所以分布式天线下的覆盖范围更大将依赖天线的位置而不是建筑材料。2) 在相同覆盖区的前提下，分布式天线能减小发射功率，从而降低同信道干扰。3) 减少了大楼的小区数，从而降低了频率资源管理难度，也减少了用户的切换次数。4) 采用选择式宏分集技术，可以获得额外的分集增益。但是该分布式天线系统中，移动台在某时刻只能与一根天线通信，系统必须紧密跟踪用户的

22、移动轨迹，造成天线之间切换频繁，另外系统是根据上行信号的强度来选择天线，由于上下行信道未必对称，所以选择的天线在下行方向未必是最佳的6。1.3.2分布式MIMO系统通过近几年的持续发展，MIMO技术正在越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划（3GPP）已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容，B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中，正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中，如超宽带（UWB）系统、感知无线电系统（CR），都在考虑应用MIMO技术。MIMO技术

23、己经成为无线通信领域的关键技术之一，为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成MIMO通信链路。应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类：一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区，这一类可以称为集中式MIMO；另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区，可以称为分布式MIMO。MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列。基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行MIMO通信。从系统结构的角

24、度看，这样的MIMO系统与传统的单入单出（SISO）蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损耗，能够在小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角，提高通信服务质量。最近在MIMO技术的研究中发现，传统的分布式天线系统与MIMO技术相结合可以提高系统容量，这种新的分布式MIMO系统结构分布式无线通信系统（DWCS）成为MIMO技术的重要研究热点。在采用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接。具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信，与基站建立了MIMO通信链路。这样的系统结构不仅具备了

25、传统的分布式天线系统的优势，减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过MIMO技术显著提高了信道容量7。与集中式MIMO相比，DWCS的基站天线之间距离较远，不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容量更大。总体上说，分布式MIMO系统的信道容量更大，系统功耗更小，系统覆盖性能更好，系统具有更好的扩展性和灵活性。1.4 本文主要内容和架构本课题来源于科技部国际科技合作项目“无线网络中协作通信关键技术研究”（项目编号：0903）。本文的研究工作主要分为两个方面：对绿色通信相关网络技术进行调研和对基于分布式天线系统的Wyner模型通信相关指标进行研究。第二个研究工作重点在于研究基

26、于Wyner模型的上行链路中单元内及其之间的不同通信方式下的各态历经的数据速率指标，从而为多小区MIMO合作网络技术的研究和相关节能技术的探讨打下基础。本文的章节结构安排如下：第一章为绪论，首先介绍了移动通信系统的发展历史和演进，然后对调研的绿色通信网络技术进行介绍，最后回顾了分布式天线系统的有关知识（包括传统的分布式天线系统和分布式MIMO系统）。第二章介绍了绿色通信网络技术的调研成果，对绿色通信网络相关技术进行了归类，并且结合相关文献进行总结。第三章主要研究分析了基于分布式天线系统的Wyner模型上行链路中单单元处理下的单元数据速率指标，推导出没有nakagami衰落的高斯信道和nakag

27、ami衰落信道两种情况下的每个单元数据速率指标的表达式，并进行了相关的仿真分析。第四章则对全文的研究方向和成果进行了归纳，对文章的整体思路进行回顾和总结结论，并对下一步的研究方向做了展望。第二章绿色通信网络技术的调研2.1引言近年来地球面临着越来越严峻的环境问题，节能、降耗、减排成为了大势所趋。通信行业作为一种耗能巨大而且日益发展的行业，实现节能减排、降低能耗刻不容缓。因此，在资源日益紧缺的今天，如何节能减排、降低能耗成为通信业研究的一个热点。所以当环境共生与可持续性发展等绿色理念融入到通信中时就产生了“绿色通信”这个概念，即以人为本，在环保生态的基础上追求高品质，高质量的通信环境。其目的是使

28、整个通信产业对环境的影响最小、资源效率最高。国内外存在很多的大型项目致力于绿色通信网络技术的研究，国外的比如说有“green radio”项目、“celtic”项目、欧盟第七框架下的“TREND”项目等，国内的比如说有华为公司的绿色无线通信网络技术研发项目和各大高校研究院所的项目等。本人对绿色通信网络相关技术进行了调研，在阅读了相关文献基础上，对绿色通信网络相关技术进行了归类和总结。纵观国内外绿色通信的相关研究成果，我们发现绿色通信网络技术研究主要从以下几个方面进行：网络体系结构部署角度、硬件的角度、基站协作的角度和链路自适应资源分配的角度。下面分别对这些方向一一进行阐述。2.2基于网络体系结

29、构部署角度的节能在网络层，减小能耗的潜能就是网络的布局和管理，其中网络体系结构的布局是很重要的一方面。文献8给出了最近比较热门的网络部署方式混杂网络（heterogeneous networks）的介绍。在混杂网络框架如图1所示，包括传统的宏小区，在高流量需求的区域使用微小区，在室内用户使用femto-cells来提供宽带的覆盖。Relay结点是一种高效的方法来拓宽户外的覆盖范围，因为避免了高花费的回程链路。这样的混杂网络在节能方面存在很大的潜能，因为减小了结点之间的距离，从而减小了传输功率。这种网络布局也能适应各种传输场景。图1 混杂网络文献9也提出了和上述类似的网络布局方式来提高能量效率。

30、文中考虑部署小的、低功率的基站来提高蜂窝网的能量效率。本文献通过考虑不同基站部署策略（纯微基站、纯宏基站、微基站和宏基站的混合），对不同策略下的区域功耗（area power consumption）和系统吞吐量的性能进行比较。文献9得出了以下结论：从系统吞吐量的角度看，采用纯微基站的部署策略是最好的；从能效的角度看，部署微基站会导致高的区域功耗。针对上述矛盾的问题，文献9提出了一种度量能效的措施吞吐量/功耗。当采用纯微基站部署策略时，用这种方案度量的能效最大，使用混合基站部署策略的能效是次大的。从上述结论得出，混合基站部署策略比纯基站部署策略要好。文献10也对混杂网络进行了研究和分析。文中开

31、始指出微小区比宏小区更节能，因为其路径损耗低，所以混杂网络能够提高能效。文中提出了基于GSM和UMTS基站标准的宏基站和微基站功耗模型，该模型主要侧重于组件级的功耗，包括功放和制冷设备。提出的功耗模型的一个重要的应用就是发现传统的宏基站的小区内部距离为1500m时能效最高。关于混杂网络类似的讨论也出现在文献11和文献12中。2.3基于硬件设计角度的节能功率放大处理占基站组件能耗很大一部分，因为当终端很远时需要足够的能量克服路径损耗。但功放最多只能达到50%的效率，当负载低时，效率更低。所以需要从硬件角度尤其是功放角度进行节能设计。文献8提到需要设计先进的功放，使其能随负载流量的变化进行自适应调

32、整。文中提到功放的peak-to-average power ratios（PAPR）往往很高，并且经常不是处于满负载状态，所以其功率效率很低。为了提高功率效率，必须采用一定的措施使得功放工作在接近满负载的状态，文中还提到组件钝化这一概念基站的组件必须能够实现关闭不活动的模拟和数字电路。当出现不活动的模拟或数字电路时，尤其是不活动的功放电路时，要能够关闭以节省能量。2.4基于基站协作角度的节能基站协作作为一种重要的技术，可以有效地用于促进节能通信。文献13研究了协同多点传输和接收技术对能效的影响。文中讨论了采用上述技术带来的吞吐量的变化和能耗变化的折中。这里的能耗包括反馈、控制花销等。文中还提

33、出了一种比特每焦耳的模型来分析协同多点传输和接收技术对吞吐量和能效的影响。文献14也研究了基站协作对能效的影响，并且将基站协作技术和网络布局这两种提高能效的方式进行比较。和文献13类似，也提出了一种模型来捕获数据速率和相应策略下的花销，最后综合考虑数据速率和花销，比较两种策略对每比特花销的影响。2.5基于链路自适应资源分配的节能基于链路自适应资源分配的节能这部分研究很多，本人阅读的许多文献都是关于这方面的。资源分配包括多种，比如带宽分配、子信道分配、子载波分配、功率分配等。有些文献可能涉及上述资源分配的一个方面，有些可能涉及多个方面。文献15主要研究多小区OFDMA系统下的无线资源分配算法。该

34、文献重点针对ICI（小区内部干扰）问题提出干扰协调的资源分配算法。该算法的主要特点有两个：按照用户的方式进行带宽分配和相邻小区用户使用的子信道间的碰撞避免。该算法需要基站间交换信息进行协同，也就是说相邻小区的小区边缘的频带必须是正交的，相邻小区的信道占有信息必须是互相知道的。文献15提出的算法达到了高效的频率复用而不需要中心控制。文献16研究了下行多小区完全频率复用OFDMA蜂窝系统的子信道和功率分配问题。该问题被阐述为在没有中心控制的完全频率复用场景下，在功率限制条件下最大化每个小区的速率。文中提出一种算法是分配每个用户最佳SINR的子信道然后用注水方法进行功率分配。仿真表明基于注水的功率分

35、配算法远远胜过统一功率分配算法。文献17研究基于基站协作的OFDMA蜂窝系统的子载波和功率分配问题。该问题被阐述为平均每根天线功率限制下使分配的平均效用达到最大值。本文献提出了一种低复杂度的子载波和功率的联合分配算法，子载波分配算法为贪心搜索算法，功率分配为Lagrange dual based算法。还有许多的文献是关于这方面内容的，在此就不多赘述。2.6本章总结本章主要介绍了本人对绿色通信网络相关技术进行的调研工作。在阅读的相关文献中，本人发现绿色通信网络技术研究主要从以下几个方面进行：网络体系结构部署角度、硬件的角度、基站协作的角度和链路自适应资源分配的角度。有些研究可能只是从一个角度进行

36、，有些研究可能涉及多个方面。然后本章结合相关文献一一对上述方向的研究进行阐述。第三章 基于Wyner模型的上行链路通信性能指标分析3.1引言分布式天线系统（DAS）是未来公共无线接入网络的一种新结构，它可以看做多输入多输出（MIMO）系统的扩展，网络链路的一端有一个天线阵列，而另一端有多个空间分开的天线阵列18。由于MIMO技术能够极大地提高系统性能19,20，所以近年来备受关注。把这种思想扩展到分布式天线系统中，也可以看做一种MIMO系统，包含装设多个天线的无线链路一端和多个地理上分开的接入点（AP），这些接入点是链路的另一端，每个接入点也都装有多天线21,22。由于系统中有在空间上分开的多

37、个天线，分布式天线系统可以得到宏观的分集增益，从而提高信号传输质量，提升系统容量，增强覆盖范围。分布式天线系统的设计可以按照蜂窝结构均匀、分散地放置AP，这种结构可以用某种模型来刻画，例如Wyner模型，它是在多元网络中第一次提出的23,24。在这个模型中，单元间的干扰仅限于相邻单元，并且可以用一个参数0,1来量度。在一定程度上，这个模型简单易于分析，而且能够体现出分布式天线系统中信号传输的主要特点。基于上述的Wyner模型，我们可以对分布式天线系统通信的相关性能指标进行分析。我们可以把多小区MIMO合作网络技术应用于该模型，和没有多小区MIMO合作网络技术作用（SCP）下的系统进行通信性能上

38、的比较从而得出该技术对分布式天线系统的影响。本章的工作主要是研究分析基于Wyner模型单单元处理（SCP）下的系统通信性能指标，从而为研究多单元处理（MCP）下的系统通信性能指标并和SCP下的性能指标进行比较打下基础。3.2Wyner模型每个单元仅受相邻有限个单元所发出的信号影响的物理模型是由Hanly和Whiting23及Wyner24提出的。图2就是一个典型的Wyner小区模型25。该模型包含一个由多个单元组成的天线阵列，每个单元有一个单天线基站和K个单天线用户，这些用户只能接收本单元和左边Ll个相邻单元的信号和右边Lr个相邻单元的干扰。我们把参数L称为小区内干扰扩展。图2 Wyner小区

39、模型不同用户所经历的衰落假设是独立同分布及时间各态历经的。为了进一步简化，到两个相邻单元的路径损耗（即平均衰落功率）可以用单一参数0,1来度量。尽管此模型非常简单，但它包括了蜂窝系统的主要参数及衰落、单元间干扰等现象的影响。在上述假设前提下，模型的信道传输矩阵（经过严格推导）无论矩阵维数是多少，都包含有限个非零对角线元素。这样，就不能应用随机矩阵分析的结果，尽管它能成功地计算其他一些通信系统的速率26。尽管如此，Wyner模型的简化还是使得对分布式天线系统的分析能够深入可行。Wyner模型存在多种类型，在此我们主要考虑两种类型，一种是Wyner线性模型25，如图3所示，所有单元都排在一条直线上

40、，即每个单元仅相邻的单元为两个。一种是Wyner平面模型26，考虑在实际的蜂窝网中，六边形小区旁边存在相邻的六个小区单元，如图4所示。在这种情况下，每个单元都能收到六个相邻的单元发出的信号。图3 Wyner线性模型图4 Wyner平面模型为了简单起见，我们下面考虑小区内干扰扩展Ll=Lr=1，即每个单元仅受最相邻单元的影响。3.3上行链路单单元处理下的通信性能指标在分布式天线系统中，AP发出的或接收到的信号联合处理以增强系统性能。我们将这个过程称为多单元处理（MCP），它与单单元处理（SCP）不同。在SCP中，每个AP单独处理信号（发射或接收），与其干扰、AP或用户无关。这里的MCP可以看做使

41、用多小区MIMO合作网络技术，而SCP没有使用多小区MIMO合作网络技术。在此首先确定我们使用的性能准则。上行链路或下行链路中SCP或MCP方法下的通信性能可以用每单元的各态历经的和速率来衡量。这个性能准则同样适用于变化很快的衰落信道，在这种信道中每个传输符号可能会经历多个衰落状态，但是此准则不适用于延时敏感的应用18。对于上行应用，由于每个用户有独立的功率放大器，功率限制为P，这样整个单元的功率限制为，其中，K是用户数。对于下行应用，由于AP服务于所有用户，而它只有一个功率放大器，设单元的功率限制为。下面我们对上行链路SCP下的通信性能进行分析。3.3.1没有nakagami衰落情况我们考虑

42、高斯信道（无衰落），根据AWGN信道容量公式27： （1）我们这里对噪声进行归一化处理，按照线性模型，信噪比可以写为： （2）这里的噪声不仅包括加性高斯白噪声，还包括来自相邻两个单元的干扰，这里的就是前面Wyner模型里提到的两个相邻单元的路径损耗（即平均衰落功率）。所以在线性模型中，每个单元的最大速率为： （3）对于平面信道，一个单元旁边存在六个单元相邻，则每个单元的最大速率为： （4）式中，是每个单元的平均传输功率（假设噪声功率为1，也是整个单元的SNR）。这种速率可以应用单元内TDMA方法得到（方法不唯一）18，每个用户占用的时间发射信号，功率为；也可以使用多用户检测中的WB方法得到，其

43、中每个用户在所有的时间内一直发射信号，平均功率为。显然当增加时，所能达到的速率会受到相互间干扰的影响。3.3.2存在nakagami衰落情况假设存在衰落的影响，如图3所示，假定本单元的即时信道增益为，相邻左右两个单元的即时信道增益分别为和，则线性模型下，各态历经的速率为： （5）式中的期望值依赖于如下定义的两个随机变量S和T，即： （6） （7）1) 在瑞利衰落情况下，、都服从瑞利分布。根据瑞利分布的性质，表示有个自由度的中心分布。那么随机变量S和T的概率密度函数（PDF）分别为： （8） （9）文献28给出了随机变量的概率密度函数（PDF）为： （10）式中，是第一类超几何分布函数，是Gam

44、ma函数。根据式（9）和式（10）可以推出每个单元可以达到的最大速率为： （11）其中，。2) 在nakagami衰落情况下，、都服从nakagami-m分布， nakagami-m分布的概率密度函数（PDF）29为： （12）记为Z N(m, )，表示平均接收功率，m为衰落因子（）。由nakagami-m分布的性质知、和服从gamma 分布，其PDF为： （13）记为A(m, )。我们假定对应衰落因子的为m1，和为来自相邻单元的干扰，假定衰落因子相同且都为m2，、和的平均接收功率都相同为。那么(m1, )，(m2, )，(m2, )。gamma分布存在两条重要的数学性质30：a) N个具有相

45、同参数m和w的gamma分布序列，他们的和仍然是gamma分布，参数变为Nm和Nw。b) 如果，那么对任意的 0， 。 由上述的gamma分布的数学性质容易推出： （14） （15）和前面的瑞利衰落一样，我们要算出的分布，从而根据前面的式子计算出每个单元可以达到的最大速率。由概率的知识我们知道求两个随机变量的和分布就是对两个随机变量分布的PDF求卷积，但是这样计算起来很复杂。参考文献31给出了另一种方法解决上述问题，给出了下述推论：如果独立的两个随机变量，那么的概率密度函数为： （16）我们假定，对照文献31中的gamma分布的表达式，对应的为、为，对应的为，为。那么的PDF为： （17）前面讨论过，所以的PDF为： （18）因此，根据式（17）和式（18）可以推出每个单元可以达到的最大速率为： （19）其中，对于平面模型，也可以按照上述类似的方法进行分析。3.4仿真结果及分析3.4.1没有nakagami衰落情况我们考虑线性模型，取=10dB，观察每个单元的速率随单元间干扰因子的变化，得到仿真图5。图5 无衰落情况下每个单元速率与单元间干扰因子的关系从上图可以看出随着单元间干扰因子的增大，每个单元速率减小，=0时，即没有其他单元干扰时，单元速率最大，接近3