（通信与信息系统专业论文）分布式mimo发射天线位置优化技术研究.pdf

摘要 摘要 分布式m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 技术充分利用了分布式天线系统 和m i m o 技术的优点，以其在提高系统容量和降低发射功率方面的优势引起了学 术界和产业界的极大兴趣，已经成为新的研究热点。 在分布式m i m o 系统中，不同的发射天线位置将影响分布式m i m o 系统的性 能。但是，从天线位置优化技术的研究现状来看，已有的研究主要针对传统蜂窝 移动通信网中天线的位置优化问题，同时包括一些特殊场景中天线位置优化问题， 对于分布式m i m o 发射天线位置优化问题，目前的研究还比较少，本文正是针对 这一问题展开研究。 针对分布发射天线v - b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 系 统，在考虑了传播时延、路径损耗、阴影衰落、小尺度衰落和高斯白噪声的基础 上研究了两根分布发射天线v - b l a s t 在线型小区的平均误码率( a a b e r ) 。然后通 过理论分析证明了存在一个关于小区中心对称的位置使得a a b e r 性能最优。数值 计算和仿真表明：针对一个长度为3 0 0 m 的线型小区，最优的发射天线是位于1 0 5 m 和1 9 5 m 处。 针对分布发射天线o s t b c ( o r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d e d ) 系统，在考虑 了路径损耗、相关阴影衰落、小尺度衰落和高斯白噪声的基础上推导了分布发射 天线o s t b c 系统的误符号率，结果表明阴影衰落的互相关系数和标准差将会影响 误符号率性能。在误符号率分析的基础上，分别针对线型小区和圆形小区研究了 整个小区的平均误符号率a a s e r ，然后通过使a a s e r 最小化得到了发射天线位 置的优化设计方案： 对于线型小区，当发射天线数为奇数时，最优的方案是一根天线放置于线 型小区的中心，剩下的天线关于小区的中心两两对称；当发射天线数为偶 数时，最优的方案是天线关于小区的中心两两对称。 对于圆形小区，我们得到了如下的天线位置优化设计方案：( 1 ) 天线位置应 该是关于小区中心对称的；( 2 ) 天线位置是与阴影衰落标准差有关的，阴影 衰落标准差的增大，天线至u 1 , 区中心的距离也越大；( 3 ) 天线位置是与发射 摘要 天线数有关的，随着发射天线数目的增加，分布式发射天线与中心的距离 也会增大。 论文在分布式m i m o 发射天线位置优化方面做出的上述研究成果，从系统误 码率角度为下一代基于分布式天线的移动通信网、无线电视广播网的天线选址提 供了一个可行的参考设计方案，具有一定的理论及经济价值。 关键词：m i m o ，o s t b c ，v - b l a s t ，分布式天线系统，最优天线位置 n a b s t r a c t a b s t r a c t b yc o m b i n i n g t h e a d v a n t a g e s o f m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g ya n dd i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ，d i s t r i b u t e dm i m oh a sa t t r a c t e dg r e a t i n t e r e s t sb o t hi na c a d e m i aa n di n d u s t r yd u et oi t sl a r g es y s t e mc a p a c i t ya n dl o wt r a n s m i t p o w e r d i s t r i b u t e dm i m oh a sb e c o m er e s e a r c hh o t s p o t i nd i s t r i b u t e dm i m os y s t e m s ，t h el o c a t i o no ft r a n s m i ta n t e n n a sw i l li m p a c tt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h ee x i s t i n gs t u d yo fa n t e n n al o c a t i o no p t i m i z a t i o n t e c h n o l o g ym a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h et r a d i t i o n a lc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s n e t w o r ka n ds o m es p e c i a ls c e n a r i o s t h e r ea r ef e ws t u d i e so nt h ed i s t r i b u t e dm i m o t r a n s m i ta n t e n n al o c a t i o no p t i m i z a t i o np r o b l e m t h e r e f o r e ，w eb e g i no u rs t u d yi no r d e r t os o l v et h i sp r o b l e m f o rd i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n av e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ( v - b l a s t ) s y s t e m ，t h ea r e aa v e r a g e db i te r r o rr a t i o ( a a b e r ) o fv - b l a s t w i t ht w o d i s t i l b u t e dt r a n s m i ta n t e n n a si nal i n e a rc e l l i ss t u d i e d c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so f c h a n n e lp r o p a g a t i o nd e l a y , p a t hl o s s ，s h a d o wf a d i n g ，m u l t i p a t h f a d i n ga n dw h i t e g a u s s i a nn o i s e t h e o r e t i c a la n a l y s e ss h o wt h a tt h ea n t e n n a ss h o u l db el o c a t e d s y m m e t r i c a l l ya b o u tt h ec e l lc e n t e ri no r d e rt oa c h i e v et h eb e s ta a b e r n u m e r i c a l c a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a la n t e n n al o c a t i o ni s10 5 ma n d 19 5 mw h e nt h ec e l ll e n g t hi s3 0 0 m f o rd i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n ao r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d e d ( o s t b c ) s y s t e m ，t h es y m b o le r r o rr a t i o ( s e r ) o fo s t b c w i t hd i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n a si s s t u d i e d ，c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so fp a t hl o s s ，c o r r e l a t e ds h a d o wf a d i n g , m u l t i p a t hf a d i n g a n dw h i t eg a u s s i a nn o i s e t h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es e r d e p e n d s o nt h ec r o s s c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o no fs h a d o wf a d i n g t h e n ， w ed e r i v et h ea r e aa v e r a g e ds y m b o le r r o rr a t e ( a a s e r ) i nal i n e a ra n dac i r c u l a rc e l l b a s e do ns e r , r e s p e c t i v e l y t h eo p t i m a lt r a n s m i ta n t e n n al o c a t i o ni so b t a i n e db y m i n i m i z i n ga a s e r i i i a b s t r a c t f o ral i n e a rc e l l ，w h e nt h en u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a si so d d ，t h eo p t i m a l t r a n s m i ta n t e n n al o c a t i o ni st h a to n es h o u l db ep l a c e di nt h e c e n t e ro ft h e l i n e a rc e l la n dt h er e m a i n i n gs h o u l db es y m m e t r i c a lw i t hr e s p e c tt ot h el i n e a r e e l lc e n t e r ；w h e nt h en u m b e ro ft r a n s m i ta n t e n n a si se v e n 。t h eo p t i m a lt r a n s m i t a n t e n n al o c a t i o ns h o u l db es y m m e t r i c a lw i t hr e s p e c tt ot h el i n e a re e l lc e n t e r f o rac i r c u l a rc e l l ，w eg e tt h e t h ef o l l o w i n go p t i m a ld e s i g no fa n t e n n al o c a t i o n ： ( 1 ) t h eo p t i m a la n t e n n al o c a t i o ns h o u l db es y m m e t r i c a lw i t hr e s p e c tt ot h e c i r c u l a rc e l lc e n t e r ；( 2 ) t h eo p t i m a la n t e n n al o c a t i o nd e p e n d so nt h es t a n d a r d d e v i a t i o no fs h a d o wf a d i n g ( t h ed i s t a n c ef r o mt h et r a n s m i ta n t e n n at ot h ec e l l c e n t e ri n c r e a s e sa st h es h a d o wf a d i n gs t a n d a r dd e v i a t i o ni n c r e a s e s ) ；( 3 ) t h e o p t i m a la n t e n n al o c a t i o ni sr e l a t e dt ot h en u m b e ro ft h et r a n s m i ta n t e n n a s ( t h e d i s t a n c ef r o mt h et r a n s m i ta n t e n n at ot h ee e l lc e n t e ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e o ft h en u m b e ro ft h et r a n s m i ta n t e n n a s ) t h er e s e a r c hr e s u l t so fd i s t r i b u t e dm i m ot r a n s m i ta n t e n n al o c a t i o no p t i m i z a t i o ni n t h i sp a p e rp r o v i d eav i a b l ed e s i g ns c h e m ef o rt h en e x tg e n e r a t i o nd i s t r i b u t e da n t e n n a s y s t e m s b a s e dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，d i g i nt v r a d i ow i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h es y s t e mb e r ( b i te r r o rr a t e ) ， w h i c ha r eo f g r e a tt h e o r e t i c a la n de c o n o m i cv a l u e k e y w o r d s ：m i m o ，o s t b c ，v - b l a s t , d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m s ，o p t i m a l a n t e n n al o c a t i o n i v 图目录 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 11 图4 1 2 图目录 i m t - 2 0 0 0 及i m t - a d v a n c e d 系统的能力说明【l l 】 1 4 】【1 5 】2 成都市某办公楼顶的各类天线3 集中式m i m o 系统模型4 分布式m i m o 系统模型6 天线位置优化技术研究现状1 0 线型小区两根分布发射天线v - b l a s t 布局1 7 分布式v - b l a s t 接收机结构18 天线之间距离固定为9 0 m 时不同天线位置对应m a x a a b e r 2 6 k = 1 2 一 天线对称放置时不同的分开距离对应的m a x a a b e r 一2 7 k = l ，2 线型小区分布发射天线o s t b c 布局3 5 圆形小区分布发射天线o s t b c 布局3 8 s e r 与发射功率p f 的关系3 9 s e r 与相关系数a ，的关系4 0 s e r 与阴影衰落标准差盯。的关系4 l 仃= 4 时的最优天线位置4 2 仃= 6 时的最优天线位置4 3 n ，= 3 时的最优天线位置4 3 n ，= 4 时的最优天线位置4 4 仃= 8 时的最优天线位置4 4 r = 3 0 0 m 时发射天线到中心的距离与阴影衰落标准差盯。的关系4 5 r = 1 5 0 0 m 时发射天线到中心的距离与阴影衰落标准差盯，的关系4 6 v i i 表目录 表目录 表3 1线型小区中两根分布发射天线v - b l a s t 仿真参数2 5 表4 1 不同发射天线数和阴影衰落标准差吒得到最优发射天线位置表一4 2 v i i i 缩略词表 英文缩写 3 g 3 g p p a a b e r a a s e r a w g n b e r b p s k c d 队 d a s g s m i m t i e e e i s i i t u l t e m i m o m l 从p s k o f d m o s t b c p d f s e r s i s 0 s n r 缩略词表 英文全称 3 r dg e n e r a t i o n t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a r e aa v e r a g e db i te r r o rp r o b a b i l i t y a r e aa v e r a g e ds y m b o le r r o rr a t e a d d i t i v e 州t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b i n a r yp h a s es l l i rk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m 中文释义 第三代移动通信系统 第三代移动通信工作组 小区平均误码率 小区平均误符号率 加性高斯自噪声 误比特率 二进制相移键控 码分多址 分布式天线系统 g 1 0 b a l 簧y s 锄 f o r m o b i l e 全球移动通信系统 c o m m u n l c a t l o l l s i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n c s e n g i n e e r s i n t e r - s y m b 0 1i n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n l o n gt e r me v o l u t i o n m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m - p h a s es h i f tk e y i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g o r t h o g o n a ls p a c et i m eb l o c kc o d e s p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n s y m b o le r r o rr a t e s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o i x 国际电信联盟 电气电子工程师学会 符号间干扰 国际电信联合会 长期演进 多输入多输出 最大似然 肘进制相移键控 正交频分复用 正交空时分组码 概率密度函数 误符号率 单输入单输出 信噪比 缩略词表 s t b c v b l a s t s p a c et i m eb l o c k c o d e s v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e d s p a c e t i m e z e r of o r c i n g x 空时分组码 垂直贝尔实验室空时分层结 构 迫零 主要数学符号表 符号类别 变量 矢量 矩阵 矢量转置，矩阵转置 单位矩阵 复数共轭 共轭转置 方阵的行列式值 矩阵的秩 数学期望 f r o b e n i u s 范数 矩阵的元素 主要数学符号表 x i 字体和说明 小写斜体 小写粗正体 大写粗正体 ( ) r m x n 阶单位阵 ( ) ( ) 耳) 尸= 压乏甭 矩阵a 的第i 行，第列元素 a 似 例 ， ， 怆呔 k 神口a ak。口似酬e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： j 善j谚 ，-v 一 日期：力7 。年f 月，汨 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规 签名： 、 彪万b i 易 、7 一。，、 导师签名 e l 期：沙f 口年厂月，- e t 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简述了新一代移动通信系统i m t a d v a n c e d 及其面临的问题，然后对 集中式m i m o 和分布式m i m o 技术进行了概述，提出了本论文研究的基本问题， 最后阐述了论文的贡献、结构和内容安排。 1 1 课题背景 1 1 1 新一代移动通信系统i m t - a d v a n c e d 贝尔实验室提出的蜂窝概念推动了第一代模拟移动通信系统的实现【1 】，数字信 号处理技术的迅猛发展促进了以g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 和窄带c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 为代表的第二代移动通信系统的蓬勃 发展【2 】，宽带c d m a 的成熟使第三代移动通信系统开始逐步商用【3 1 。虽然第三代 移动通信系统在一定程度上满足了人们对无线多媒体业务的需求，但是随着更多 对速率要求很高的无线多媒体业务的出现，以及全球范围内手机用户数的迅猛增 长，如何在有限的频谱资源上满足人们更高的需求，对未来的移动通信技术提出 了更大的挑战【4 1 。 第三代移动通信系统最早于1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u ：i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 提出，19 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) 5 - f 7 】。1 9 9 9 年，i t u 最终确定了五种无线接口作为 i m t - 2 0 0 0 的标准，其中包括我们熟知的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 技 术。虽然i m t - 2 0 0 0 已经开始逐步商用，但是其核心技术并没有革命性的突破，仍 然是采用c d m a 技术，因此很难在有限的频谱范围内支持高达数百m b i t s 的宽带 无线多媒体业务【4 】f 8 1 。为了获得更高的信息传输速率，世界各国已经把主要的研究 精力投入到新一代移动通信系统b e y o n di m t - 2 0 0 0 上【9 】【10 1 。 1 9 9 9 年1 1 月，研究b e y o n di m t - 2 0 0 0 的需求被列入议事日程。2 0 0 1 年1 0 月， i t u rw p 8 f 的第六次会议上初步确定了b e y o n di m t - 2 0 0 0 的基本框梨引。2 0 0 3 年 6 月，i t u rw p 8 f 发布了文件 f u t u r ed e v e l o p m e n to fl m t - 2 0 0 0a n ds y s t e mb e y o n d i m t - 2 0 0 0 ，对b e y o n di m t - 2 0 0 0 的愿景进行了描述【l l 】。2 0 0 4 年1o 月，i t u rw p 8 f 电子科技人学硕士学住论文 完成了一份频谱资源调研函。2 0 0 5 年1 0 , e l ，i t u rw p s f 将b e y o n di m t - 2 0 0 0 正式命名为“i m t - a d v a n c e d ”。 相比于i m t - 2 0 0 0 系统，l m t - a d v a n c e d 系统的最显著特征是其远远高于 i m t - 2 0 0 0 系统的数据传输速率。i m t - a d v a n c e d 系统希望达到的数据传输速率：在 低速移动( 固定接入或者游牧) 环境下达到i g b i t s ，在高速移动( 6 0 2 5 0 k m h 的高 速公路或快速列车) 环境下达到1 0 0 m b i l s 1 1 】 1 4 j ” ，如图1 - 1 所示。 一 懂进一# f m b i vs ) 一m t ：一m 嬲t 变化操作( m u t a t i o no p e r a t o r ) ：将已部署的基站发射机覆盖能力、频率分配 等进行改变，然后再采用修复操作确定最优的天线布局； 结合操作( r e c o m b i n a t i o no p e r a t o r ) ：先将目标区域进行分割，进行了上述 操作后再进行合并，然后再采用修复操作确定最优基站天线部署位置。 仿真结果表明：该方法( s t e a p t 法) 与其他多目标最优化算法- n s g a i i 法 和s p e a 2 法相比较，在性能上无明显差异，但s t e a p t 法具有更短的计算时间。 在c d m a 蜂窝系统中，文献 3 1 提出了一种基于信干比最低原则设计部署小 区天线的方法。通过综合设计基站位最、导引信号功率、发射信号功率补偿因子 以最大化系统容量。仿真表明该方法比传统方法具有更高的系统容量；并且表明 在用户均匀分布的目标区域里，部署均匀分布并且等大小的小区，具有最大系统 容量，而在用户非均匀分布的情况下，应该在热点区域里部署更多的小区。 在微蜂窝小区需要大量基站天线覆盖的场景下，文献 3 2 】给出了一种全局最优 部署天线位置的算法。其核心思想是利用组合的方式，在所有满足覆盖条件的天 线集合中寻找最小的子集。仿真表明，利用该方法可以克服复杂的地理环境和不 均匀的用户分布对天线布局的限制。 文献 3 3 提出了一可以种减小c c i ( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 的小区基站部署方 法。与传统的只考虑水平方向辐射的方法不同，文献 3 3 提出的方法考虑了向下的 辐射。采用文献【3 3 提出的方法可以显著的降低s i r ( s i g n a l t o i n t e r f e r e n c er a t i o ) 。 文献 3 4 针对确定基站最优位置过程中计算复杂度高的问题提出了 c w n p a m ( c l u s t e r i n gw i t hw e i g h t e dn o d e p a r t i t i o n i n ga r o u n dm e d o i d s ) 算法，并且 与m p a m ( m o d i f i e d p a r t i t i o n i n ga r o u n dm e d o i d s ) 进行了比较。将提出的算法运用到 实际场景中的时候显示出了提出算法的有效性。 文献 35 1 针对u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( u m t s ) 网络中 a n t e n n ap l a c e m e n tp r o b l e m ( a e p ) 耗时大、容易出现错误和效率低的问题提出了一 种遗传算法。这种算法得到的最优的天线位置可以实现最大化小区覆盖和最佳的 电子科技大学硕士学位论文 服务质量。同时，提出的算法通过使基站数目尽量少来实现最小化布网的花费。 在文献 3 5 1 假设的场景下，提出的算法在保证良好的信号的基础上可以实现9 8 的 用户覆盖。 上述这些方法对传统蜂窝小区的基站天线布局进行了研究，并在实际工程中 取得了良好的效果，但它们具有下述局限性： 这些方法仅在覆盖范围( 以能量衰减界定) 、邻信道干扰方面考虑了基站天 线的布局对蜂窝小区性能的影响，都只考虑到能量层面，没有考虑到具体 的信号层面。 这些方法考虑的蜂窝小区都只由一根天线进行覆盖，这不符合下一代移动 通信的显著特点。因为下一代移动通信将采用分布式m i m o 天线技术的 基站。 2 3 室内无线通信系统天线位置优化技术 文献 3 6 禾s j 用q o s 准则建立了室内无线通信系统性能的目标函数，同时考虑 了天线覆盖和干扰，并借此来分析室内基站天线的最优位置。仿真结果表明：应 用了最优化方法的基站天线布局方案与将基站天线均匀分布在目标区域的天线布 局方案相比，可以使系统q o s 提高3 0 。同时该文献研究发现建筑物内部的走廊 对天线覆盖产生了一种导向效应，影响了室内无线通信系统的性能。 文献 3 7 以最小路径损耗为判别标准，建立了一种联合的代价函数，求出单天 线室内无线通信基站天线的最优位置，在一个具体的9 0 m x 8 0 m 的室内模型内，最 优天线位置为( 5 3 4 8 m ，4 9 3 3 m ) 。文献e 3 8 1 在文献【3 7 的基础上，研究了单发射天线 和多发射天线室内无线通信系统的基站天线最优化位置。在一个具体的8 0 m x 8 0 m 的室内模型，应用单天线的最优算法计算得出在( 4 6 1 2 m ，4 7 2 0 m ) 位置部署天线， 室内覆盖最佳。应用三根天线的最优化算法得出在( 6 1 6 m ，1 2 7 m ) ，( 1 3 4 m ，4 5 3 m ) ， ( 5 8 9 m ，7 3 8 m ) 三个点部署，室内覆盖最佳。 文献 3 9 】同样以路径损耗为判别标准，建立代价函数，比较了七种天线位置最 优化算法：s t e e p e s td e s c e n t 法、b f g s 法、s i m p l e x 法、h o o k ea n dj e e v e s 法、 r o s e n b r o c k 法、s i m u l a t e d a n n e a l i n g 法和g e n e t i c 法。在1 8 m 2 4 m 的矩形区域内， 分别应用这七种天线布局最优化算法设计单天线最优位置，仿真结果表明，除了 1 2 第二章天线位置优化技术研究现状 s t e e p e s td e s c e n t 法计算出的最优位置为( 6 0 5 m ，9 1 2 m ) p b ，其余算法计算出的最优 化位置为( 9 m ，1 2 m ) 。并在一个不规则的区域内，文献【3 9 分别应用上述七种算法设 计三天线最优位置，仿真结果表明只有h o o k ea n dj e e v e s 法、s i m u l a t e da n n e a l i n g 法、g e n e t i c 法三种算法求出较合理的天线分布位置，其中s i m u l a t e da n n e a l i n g 法 的代价函数最小。 文献 4 0 研究了室内集中式m i m o 通信系统天线最优位置，并以信道容量为 判别标准得出：将天线布局在墙的中间位置可以使室内环境有最大的信道容量， 而将天线布局在墙角时，信道容量最小。 以文献 3 7 3 8 【3 9 4 0 为代表对室内无线通信系统天线最优布置进行的研究， 与上述蜂窝小区天线位置最优化技术类似，只考虑到了能量层面，而没有对具体 的信号进行分析，也没有研究室内无线通信信道对传输信号的影响。室内无线通 信系统是一个复杂的电磁空间模型，电磁波在室内来回反射进行振荡，产生大量 的小延时多径信号，影响了信号的高速可靠传输，单从能量层面研究最优天线部 署位置是不够的，而应该结合信号和信道的特点进行研究。 针对空时发射分集的w c d m a 室内通信系统，文献【4 1 给出了发射天线位置 的一种优选方法。该方法使用了几何光学的光线传输模型，将电磁波建模为在墙 面发生反射和可以穿透墙面的光线，分析电磁波在室内环境的传播，并结合信号 覆盖范围和接收误码率选择最优的天线布局位置。仿真表明：当误码率门限设置 为1 0 3 时，使用空时发射分集的三天线系统比单天线系统具有更低的发射功率， 约1 d b ，但是这种方法具有下述的局限性： 这种天线最优化技术虽然利用了具体的发射信号特性，并分析了天线布局 位置对接收误码率的影响，但是采用该最优发射天线布局位置的系统，其 有效覆盖区域仅占目标区域的9 0 ( 接收信号误码率低于1 0 3 区域为有效 覆盖区域) 。 与前述研究方法一样，这种方法仅考虑了集中式天线的最优位置，而并没 有考虑将发射天线分布式布置的最优天线位置。 2 4 特殊场景天线位置优化技术 在给定具体接收机位置的条件下，文献 4 2 】提出了一种发射天线最优化的技 电子科技大学硕士学位论文 术。该方法将研究场景划分为数个区域，并假定目标区域内有多个呈相同概率分 布的接收机，然后选取不同目标函数求取最优的小区天线位置。仿真表明使用了 g r i d s i z e v a r i a t i o n 机制的算法更具有优势，即使在赋予了一个很差的初始值的条件 下，使用了该机制的算法也能快速计算出较优的发射天线布局位置。 文献 4 3 建立了理想的隧道模型，并在此基础上研究了发射天线的最优位置与 隧道自身参数之间的关系。仿真表明：天线位置、天线的极化方式和隧道的形状 都影响了信号在隧道中的传播。基站发射天线的最优位置应该紧邻隧道墙壁；而 极化的方式应具体根据隧道的形状而定，截面为矩形的隧道应采用垂直极化，而 截面为拱形的隧道应采用水平极化。 在金属房间内，文献 4 4 给出了一种寻找最佳发射天线位置的方法。该文献并 没有给出具体的天线最优位置，但是研究表明天线位置应尽可能远离金属边界， 并应尽可能靠近缺口或开放的区域。当天线不能布局在紧邻缺口的位置时，应让 天线对准缺口。 文献 4 5 针对u w b 系统研究了发射天线位置的优化问题。不同的发射接收位 置的冲击响应通过r a y t r a c i n g 和i f f t 进行计算可以得到b e r 性能，根据b e r 可 以得到任意位置的接收机的中断概率，然后再利用n o n u n i f o r i l ls t e a d y - s t a t eg e n e t i c a l g o r i t h m 叫u s s g a ) 算法得到中断概率最小的发射天线位置。这种算法具有良好 的搜素精确度和较低的计算复杂度。 文献 4 6 针对车载a dh o c 网络通信研究了其中的天线分集和位置摆放问题并 且得到了一些经验结果。 文献 4 7 1 针对4 4 m i m o 系统研究了在移动终端上如何设计天线的位置，分析 集中于一个矩形区域内的所有可能的位置，仿真结果显示当四根天线位于四个角 时能够达到最好的容量性能。 2 5 分布式通信网天线位置优化技术 已有的文献资料主要研究了传统蜂窝移动通信网中天线的位置最优布置问 题，同时包括一些特殊场景中天线位置最优化问题的研究。对于分布式m i m o 天 线位置最优化问题，目前的研究还比较少。 文献 4 8 针对s t b c o f d m 系统研究了使一个线型小区的平均误码率a a b e r 1 4 第二章天线位置优化技术研究现状 最小的分布式发射天线的最优位置，结果显示最优的发射天线位置是关于小区的 中心对称的。 文献 4 9 5 0 在假设所有的天线布置在一个圆上的基础上研究了多用户分布式 天线系统上行链路的性能。利用随机矩阵理论中的结果，证明了在用户数和天线 数比值恒定并且都趋于无穷的前提下，每一个用户的和速率和总发射功率收敛， 并且确定了渐进和速率和渐进总发射功率之间的关系。最后根据速率一功率关系 就可以得到最佳的圆半径，从而得到天线的布置方案。 文献 su 针对g e n e r a l i z e dd i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m s ( g d a s ) 提出了天线位置设 计的一种平方距离准则。这种设计方法适用于任意的用户分布，并且可以使得小 区的平均遍历容量最大化。 2 6 小结 本章从蜂窝小区天线位置优化技术、室内无线通信的天线位置最优化技术、 特殊场景的天线位置最优化技术和分布式通信网天线位置优化技术四个方面对已 有的天线位置优化技术进行了综述。通过本章的论述，发现分布式m i m o 天线位 置优化技术的研究还很少。因此，研究分布式m i m o 天线位置优化技术的重要性 是不言而喻的。 电子科技大学硕士学位论文 第三章线型小区中两根分布发射天线v b l a s t 的位置优化 3 1 引言 在前两章中我们已经说明了研究分布式m i m o 天线位置优化技术的重要性， 并且对分布式m i m o 天线位置优化技术的研究现状进行了综述。从目前已有的研 究来看，针对分布式m i m o 天线位置优化技术的研究还比较少。 文献1 5 2 1 在天线随机放置的条件下分析了分布式天线系统的频谱效率，结果表 明天线的位置会对系统的性能造成很大的影响。文献 4 8 针对s t b c o f d m 系统研 究了使一个线型小区的平均误码率a a b e r 最小的分布式发射天线的最优位置，结 果显示最优的发射天线位置是关于小区的中心对称的。文献 4 9 5 0 1 在假设所有的 天线布置在一个圆上的基础上研究了多用户分布式天线系统上行链路的性能，确 定了渐进和速率和渐进总发射功率之间的关系。最后根据速率一功率关系就可以 得到最佳的圆半径，从而得到天线的布置方案。文献 5 1 针对g d a s ( g e n e r a l i z e d d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m s ) 提出了天线位置设计的一种平方距离准则。这种设计 方法适用于任意的用户分布，并且可以使得小区的平均遍历容量最大化。 综合已有的研究成果我们可以发现，对于分布式发射天线结构的v - b l a s t 系 统，目前还没有针对其发射天线最优位置的研究。这正是本章的研究内容。 3 2 系统模型 3 2 1 发