分布式天线系统MIMO信道容量分析概要.docx

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分布式天线系统MIMO信道容量分析概要

第２６卷第８期通信学报

、，０１．２６Ｎｏ．８

２００５年８月

Ｊｏｕｍａｌ

ｏｎ

Ｃ．０ｍ舢ｎｉｃａｄｏｎｓ

Ａｕｇｌｌｓｔ２００５

分布式天线系统ＭＩＭｏ信道容量分析

李汉强１，郭伟１，郑辉２

（１．电子科技大学抗干扰通信国家重点实验室，四川成都６１００４ｌ：

２．电子科技大学信号盲处理国防科技重点实验室，四川成都６１００４１）

摘要：

结合了分布式天线系统和Ｍ刀Ｍｏ信道特点的分布式Ｍ刀ⅥＯ系统可以改善覆盖特性，提高系统容量。

提出了包含路径损耗、快衰落和阴影衰落的两层分集分布式Ｍｎ垤Ｏ系统。

对ＭⅡ讧Ｏ信道容量的分析表明，分布式Ｍ刀ＭＯ系统具有良好的信道容量均匀覆盖特性。

与传统集中式天线系统相比，分布式ＭⅡ讧Ｏ系统可以获得更好

的小区平均信道容量。

对下行信道容量的数值分析表明，由于“充水”方式功率分配可以充分利用Ｍｎ订０信道信息，此时的分布式ＭＩＭＯ系统可以比等功率分配条件下的分布式天线系统多获得Ｏ．２５ｂｉ以ｓ・Ｈｚ）每发送天线的信道容量增量。

关键词：

移动通信；分布式天线系统；Ｍ】ＭＯ；信道容量

一。

中图分类号：

’ｒＮ－９１３．２４

文献标识码：

Ａ

文章编号：

１０００＿４３６ｘ（２００５）０８－０１３４－０５

Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ

ＭＩＭｏｃｈａｎｎｅｌ傀ｐａｃｉｔｙ

ｆｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｎｔｅｎｎａｓｙｓｔｅｍ

ＵＨ锄一ｑｉａｎ９１，ＧＵｏ

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（１．Ｎａｔｉｏｎａｌｃｏｍｍ．１．ｅｃｈ．ＫｃｙＬＡＢ。

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２．Ｎａ吐ｏｎａｌＤｅｆｂｎｃｅＫｅｙＩ

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ｓｙｓｔｅｍ；ＭＩＭＯ；ｃｌｌ习ｍｎｅｌｃａｐ∞ｉ移

个天线单元划分为Ⅳ个距离较远的天线簇，在天线１

引言

簇之间实现宏分集。

每个天线簇内包含距离较近的随着移动通信用户数量不断增加，’传统中央天

Ｌ个天线单元，可以实现微分集。

由于天线簇之间线（ＣＡ，ｃｅｎ缸试ｉｚｅｄａｌｌｔｅｎｎａ）系统容量问题越来越距离较远，在覆盖范围内，总会有相对靠近移动终突出，分布式天线（ＤＡ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔＩ甜锄ｔｅ衄ａ）系统端的天线子单元，在一定程度上该系统可以削弱以其大覆盖范围、较少的切换等特性被认为是很有“远近效应”的影响。

竞争力的各选方案。

本文提出了如图ｌ所示的分布目前已经有一些文献对分布式天线系统

式天线ＭⅡ订Ｏ系统。

移动终端采用Ｍ个天线，无Ｍ蹦。

信道容量进行了分析【ｌ巧ｌ。

多数文献对信道

线网络侧包含Ⅳ×Ｌ个分布式天线单元。

其中Ⅳ×Ｌ

容量的分析都采用简化的信道模型。

文献【１】尽管考

收稿日期：

２００４．０５．１７；修回日期：

２００５．０６一１７

万　

方数据

第８期李汉强等：

分布式天线系统ＭⅡ订Ｏ信道容量分析

・１３５・

虑了路径损耗，但是只对路径损耗做了功率分布的近似约束。

文献【２—４】将发送天线和接收天线之间的路径损耗统一确定为０ｄＢ。

在本文提出的分布式天线系统内（如图１所示），天线单元之间距离较远，路径损耗的影响不能忽略。

据此本文采用包括路径损耗、快衰落和对数阴影衰落的复合信道模型。

通过仿真，文章分析了接收位置、天线数量、ＳＮＲ以及功率分配方式对分布式天线系统ＭⅡ订Ｏ信道容量的影响。

研究结果表明在考虑路径损耗时，分布式天线系统在覆盖范围内具有信道容量均匀覆盖特性，可以削弱“远近效应”影响。

同时每天线上的平均信道容量比传统集中式天线系统信道容量有所提高。

其中子信道矩阵风㈨是从终端到第，１个天线簇

的Ｌ×Ｍ维子信道矩阵。

日。

（以）＝【Ｗ（以）磁（以）…

％（ｄ。

）】，其中嗽（以）＝［椎（以）‰（以）…皖（ｄ。

）】Ｔ。

其中坛（以）是从第历个终端天线到第，ｚ个天线簇内的第ｚ个子天线单元。

文章考虑路径损耗、快衰落和阴影衰落复合信道模型，并假设信道为准随机信道。

路径损耗采用４次方衰减率计算，快衰落采用Ｒａｙｌｅｉｇｈ模型，阴影衰落采用对数正态模型。

路径复合损耗坛（破）可以表示为

广—■—■

坛（也）＝№彻ａｌ（ｏ，、／譬掣）＋

Ｊ№删。

，厚，

常将阴影衰落描述为对数正态分布，即

④

其中，品表示接收平均功率的阴影衰落慢变化。

通

矗■）（ｓＩ‰，％）＝

图１

（Ｊ｜Ｉｆ，Ⅳ，Ｌ）分布式天线Ｍｍｌｏ系统

—ｊ坚一ｅＸｐ（一竺堕与丝蔓）（４）一

——————芦＝・—一ｅｘｐ卜一———－＝——ｉ二＿＝：

二一Ｊ一ｌｎ（１０）√２丁ｃ吼ＢＪ２Ｄ盎

’

Ｉ斗Ｊ

２

ＭＩＭｏ信道模型

一个典型的（Ｍ，Ⅳ，￡）两级分集分布式天线

其中，％是１０垮ｓ的标准方差。

如果令‰＝１０ｌｇｓ，

则‰服从标准正态分布，即‰一Ⅳ（鸬。

，吒）。

‰

是＆的对数均值，单位为ｄＢ。

它由路径损耗决定，可以表示为

系统如图１所示。

典型（Ｍ，Ⅳ，Ｌ）两级分集系统共有Ｍ个距离靠近的终端天线，Ⅳ×￡个分布式基站天线。

Ⅳ×Ｌ个基站天线分成Ⅳ个距离较远的天线簇，每个天线簇内分布有Ｌ个距离较近的天线子单元。

本文考虑线性、时不变的离散ＭⅡｖＩＯ信道模型，并合理假设信道具有窄带平衰落特性。

下面对信道模型的描述不失一般性认为针对上行信道。

ＭⅡ订Ｏ传输模型可以描述为

二‰＝１０ｋ（只。

ｔａｌ／Ｍ）一４×１０×ｌｇｄ

表示终端到该天线单元的距离，单位为ｋｍ。

（５）

其中，‰。

表示肘个终端天线上发射的总功率，ｄ

如果不考虑路径损耗，或者如已有文献中将路径损耗统一设置为０ｄＢ，分布式天线ＭＩＭＯ系统在分集效果上就变成是简单的传统集中式天线分集系统，此时除了信道容量成天线数目倍数简单增加以外，并不能对“远近效应”带来任何的削弱。

ｒ（ｆ，ｄ）＝日（ｄ）ｓ（ｆ）＋ｚＯ）

（１）

其中，Ｊ（ｒ）和ｚ（ｆ）分别是Ｍ×ｌ维发送信号和加性高斯白噪声矢量。

日（囝是与距离矢量ｄ（ｄ＝【ｄ１如…

３两级分集分布式天线系统Ｍｍｏ信道容量

为了分析分布式天线系统的ＭＩＭＯ信道容量性能，文章首先针对上行情况，对分布式天线系统（ＤＡＳ）和传统的集中式天线系统（ＣＡＳ）的信道容量作对比分析，然后针对下行，分析了发送天线间不同功率分配方式对下行信道容量的影响。

这里需要说明的是，如果不考虑路径损耗的影响，或者如参考文献中将路径损耗统一设置为０ｄＢ一样，本

娴１‘）有关的ＭＩＭＯ信道矩阵。

其中函是终端到第

ｆ个天线簇的距离。

由于天线簇内予单元间距离较近，可以认为移动终端的任意子天线到同一天线簇内的每个天线子单元之间路径损耗特性参数相同。

ＭⅡｖＩＯ信道矩阵可以表示为

ｒ

一

一＿１Ｔ

日ｐ）＝ｆ日ｌ（吐）１，…日Ⅳ（九）１Ｉ

万方数据　

（２）

文提出的空间砸离较远的分布式天线系统将蜕变

通信学报第２６卷

。

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．Ａ７

（ａ）两级分集系统拓扑结构

（ｂ）集中式系统拓扑结构

图２分布式天线系统和集中式天线系统拓扑结构

成传统的集中式多天线系统，本文中对两种天线系统的对比分析也变得没有意义。

（肘，Ⅳ，Ｌ夕天线参数（２，４，２）的两种天线系统如图２所示，对于分布式系统，４个天线簇均匀分布在边长６０００ｍ的矩形小区内，每天线簇内有两个距离较近的子天线单元。

仿真中终端所处的　测试点划分为三组，分别是Ａ点（以及与之相对称的３个测试点Ａ＇点），Ｂ点（以及与之相对称的７个测试点Ｂ’点）和Ｃ点（以及与之对称的３个测试点Ｃ’点）。

对于集中式系统，８个子天线子单元集中分布于小区的中央。

３．１上行信道容量

对于上行情况，位于终端的Ｍ个天线相距较近，可以认为上行时不同终端天线到相同接收天线之间存在的是独立但相同衰落参数的信道，因此在分析功率分配方式对上行容量影响时只考虑Ｍ个发送天线间等功率分配方式。

上行时，终端的Ｍ个天线发送信号，Ⅳ×Ｌ个分布式天线接收信号，假设此时终端对于信道条件完全未知，总量为Ｐｔ的发送功率在Ｍ个发送天线上平均分配，此时信道容量表示为网

（３）、（２）顺序计算出信道矩阵，代入上行信道容量式（６）进行计算。

图３（ａ）给出了在天线参数配置为ｒ肘兰２，Ⅳ－４和上声２时，Ａ、Ｂ和ｃ点的ＭⅡ订Ｏ上行信道容量。

此时Ａ、Ｂ和Ｃ点到每个天线簇的距离不同，路径损耗也不一样，路径损耗的影响按照式（５）来计算。

从图３（ａ）可以看出，集中式天线系统的信道容量会随着移动终端在小区位置的不同而产生较大变化，而分布式天线系统无论是在Ａ点、Ｂ点还是ｃ点，信道容量都几乎相等。

可见分布式天线系统具有良好的小区信道容量均匀覆盖性能。

该特性表明，分布式天线系统可以一定程度上克服“远近效应”。

为了更好比较两种天线拓扑结构的上行Ｍｎ讧Ｏ信道容量，文章对覆盖范围内每个小方块中心位置的信道容量进行平均，比较两种系统的平均信道容量。

定义覆盖范围内平均信道容量为

ｃ０＝（ＣＡ×４＋ｃ备×８＋ｃ：

×４）／１６

（７）

在不同参数条件下，两种天线拓扑结构的上行小区平均信道容量示于图３（ｂ）。

从图３（ｂ）可以看出，分布式系统可以获得比集中天线系统多０．２ｂｉｔ／（ｓ・Ｈｚ）每接收天线的信道容量增值。

在发送天线Ｍ＝１时（（１，４，１）系统和（１，４，２）系统），靠增加接收天线数量（Ｌ）而带来的容量改善较小。

但是当发送天线Ｍ＝２时，无论是（２，４，１）系统还是（２，４，２）系统都带来了显著的容量增加。

可以认为对于上行，采用多天线发送可以大大提高信道容量。

综合考虑实现复杂度和系统性能，终端天线膨＝２是比较理想的选择。

∞ｌｏｇ：

姒ｌｋ＋寿日日．１

ｒ

Ｐ

．］

＠）

其中，ＪＭ表示Ⅳ×Ｌ维的单位矩阵，Ｐｔ表示发送的总功率，矿表示噪声功率。

与文献【ｌ】中给出的信道容量公式相比，由于Ｐｔ表示的是发送总功率，此时的信道矩阵日不需要进行归一化。

仿真计算时，首先由式（５）确定路径损耗的影响，再按照式（４）、

万方数据　

第８期

李汉强等：

分布式天线系统Ｍ蹦Ｏ信道容量分析

每

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罢

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（ａ）不同接收位置、不同天线拓扑结构的信道容量对比

（ｂ）不同天线数目、两种天线拓扑结构的平均信道容量对比

图３上行ＭｍＩｏ信道容量

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（ａ）分布式系统两种功率分配方式的倍道容量对比（”分布式系统在不同天线数目、不同功率分配时的下行信道容量对比

图４下行删Ｏ信道容量

３．２下行信道容量

对于下行，Ⅳ×Ｌ个分布式天线发送相同信号，ｃ＝∑（１０９（以））

（９）

肘个终端天线接收信号。

由于发送天线的大间距分其中，七为矩阵日：

矿的秩，名为目矿的第ｆ个特征

布，针对发送功率在发送天线间的分配方式，文章对下行的信道容量分析考虑两种功率分配情况：

等值。

∥值由式（１０）确定，其中口＋表示ｌｎａｘ｛０，口｝。

功率分配方式和“充水”功率分配方式口】。

对于等功率分配方式，ＭⅡ订Ｏ信道容量为嘲

喜∽ｍ＋＝争

ｃ・∞

～ｇ：

小＋志删．］

仿真计算时，与上行一样，同样首先由式（５）

㈣确定路径损耗的影响，再按照式（４）、（３）、（２）顺序计算出信道矩阵，代入下行信道容量式（８）进行计

对于“充水”功率分配方式，文献【７】给出了“充

算。

水”功率分配时Ｍ蹦。

信道容量公式

图４给出了在不同功率分配情况下下行Ｍ蹦Ｏ

万　

方数据

通信学报第２６卷

信道容量的对比。

仿真计算时，路径损耗的影响同样按照式（５）来计算。

图４（ａ）表示固定天线参数（Ｍ，Ⅳ，Ｌ）＝（２，４，２），终端位于不同位置时，两种功率分配方式条件下的下行ＭⅡ订Ｏ信道容量对比。

分析结果显示，无论对于那种功率分配方式，分布式天线系统仍然具有小区内信道容量均匀覆盖的特性。

同时“充水”分配方式由于可以充分利用信道信息，因此可以获得比平均功率分配多

参考文献：

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２００２，３０（６）：

７８７—７９０．

一

０．２５ｂ耿ｓ・Ｈｚ）每发送天线的信道容量增值。

图４（ｂ）给出了在不同天线参数（尬Ⅳ＇￡）、不同

的功率分配方式条件下的下行平均信道容量。

从（１，４，１）系统和（１，４，２）系统的下行容量对比来看，无论对于那种功率分配方式，增加天线簇内子天线数目Ｌ对系统信道容量改善很小。

但是当下行接收天线数量Ｍ＝２时，（２，４，２）系统和（２，４，１）系统的容量都有较大的改善，并且Ｌ加ｌ带来的容量改善比较显著。

［４】倪志，李道本．一种分布式多入多出（＾删０）信道的容量研究田．

电路与系统学报，２００４，９（２）：

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［５】梁红玉，吴伟陵．Ｍ附Ｉｏ系统的信道容量叨．无线电通信技术，

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ａ

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Ｓｙｄｌｌｅ弘Ａｕｓ仃ａｌｉａ，１９９８．１８９４－１８９９．

４结论

作者简介：

文章提出了一种两层分集分布式天线系统，并　

对该系统的Ｍ刀ⅥＯ信道容量进行了分析。

文章考虑的信道模型包括路径损耗、阴影衰落和Ｒａｙｌｅｉ曲快衰落。

通过对两级分集分布式系统和集中式系统的ＭⅡ订Ｏ信道容量比较分析，文章得到的结论如下：

（１）在考虑路径损耗时，‘分布式天线系统无论是上行还是下行，都具有良好的信道容量均匀覆盖性能。

（２）分布式天线系统可以获得比传统集中天线系统更好的平均信道容量，可以降低终端的发送功

李汉强（１９７６．），男，四川成都人，电子科技大学博士，主要研究方向为第三代移动通信空时二维信号处理。

郭伟（１９６舡），男，四川达川人，电子科技大学教授、博士生导师，中国通信学会青年工作委员会副主任委员和多家学术委员会委员，主要研究方向为通信网络技术、网络仿真技术、信号处理技术、通信对抗技术等。

率。

（３）因为“充水”功率分配充分利用了Ｍ蹦Ｏ

信道信息，在“充水”功率分配条件下的分布式天线系统比等功率分配分布式天线系统可以多获得０．２５ｂｉｔ，（ｓ・Ｈｚ）每发送天线的信道容量增量。

（４）如果终端天线数目Ｍ＝１，增加基站天线数量（Ⅳ或者Ｌ）对信道容量的改善较小，但是当终端天线数目Ｍ＝２时，基站天线数目即使增加ｌ也会带来较大信道改善。

如果综合考虑实现复杂度，则终端天线数量肘设为２是比较理想的分布式天线拓扑参数。

郑辉（１９５７．），男，江苏昆山人，信号盲处理国防科技重点实验室博士生导师，主要研究方向为多媒体通信、盲信

号处理、移动通信技术。

万方数据　

分布式天线系统MIMO信道容量分析作者：

作者单位：

李汉强，郭伟，郑辉，LIHan-qiang，GUOWei，ZHENGHui李汉强,郭伟,LIHan-qiang,GUOWei（电子科技大学,抗干扰通信国家重点实验室,四川,成都,610041，郑辉,ZHENGHui（电子科技大学,信号盲处理国防科技重点实验室,四川,成都,610041通信学报JOURNALONCOMMUNICATIONS2005,26（810次刊名：

英文刊名：

年，卷（期：

被引用次数：

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