分布式天线系统MIMO信道容量分析_李汉强

2005年8月Journal on Communications August 2005 第26卷第8期通信学报V ol.26No.8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 610041；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MIMO信道特点的分布式MIMO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MIMO系统。对MIMO信道容量的分析表明，分布式MIMO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MIMO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MIMO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0.25bit/(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；MIMO；信道容量

中图分类号：TN913.24 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2005)08-0134-05 Analysis of MIMO channel capacity for distributed antenna system

LI Han-qiang1, GUO Wei1, ZHENG Hui2

(1. National Comm. Tech. Key LAB, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610041, China;

2. National Defence Key Laboratory of Blind Processing of Signals, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610041, China)

Abstract: A distributed MIMO system combining the characteristics of MIMO channel and distributed antenna system was proposed. Channel model considered the influences of path loss, fast fading and lognormal shadowing. First, MIMO channel capacity between distributed antenna (DA) systems and conventional centralized antenna (CA) systems were compared. Through the comparison, it was found that the DA systems could acquire equal coverage property in the cell, and achieve a better channel capacity than CA systems. Following that, two different power allocation strategies were analyzed for downlink. The numerical results show that, because of the knowledge of the MIMO channel, water-filling power allocation strategy can achieve a channel capacity increment of about 0.25bit/(s·Hz) per transmission antenna.

Key words: mobile communication; distributed antenna system; MIMO; channel capacity

1引言

随着移动通信用户数量不断增加，传统中央天线（CA, centralized antenna）系统容量问题越来越突出，分布式天线（DA, distributed antenna）系统以其大覆盖范围、较少的切换等特性被认为是很有竞争力的备选方案。本文提出了如图1所示的分布式天线MIMO系统。移动终端采用M个天线，无线网络侧包含N×L个分布式天线单元。其中N×L 个天线单元划分为N个距离较远的天线簇，在天线簇之间实现宏分集。每个天线簇内包含距离较近的L个天线单元，可以实现微分集。由于天线簇之间距离较远，在覆盖范围内，总会有相对靠近移动终端的天线子单元，在一定程度上该系统可以削弱“远近效应”的影响。

目前已经有一些文献对分布式天线系统MIMO信道容量进行了分析[1~5]。多数文献对信道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：2005-06-17

第8期 李汉强等：分布式天线系统MIMO 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MIMO 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。

图1 （M ，N ，L ）分布式天线MIMO 系统

2 MIMO 信道模型

一个典型的（M ，N ，L ）两级分集分布式天线系统如图1所示。典型（M ，N ，L ）两级分集系统共有M 个距离靠近的终端天线，N ×L 个分布式基站天线。N ×L 个基站天线分成N 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MIMO 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。MIMO 传输模型可以描述为

()(),()()t t t =+r d H d s z (1)

其中，s (t )和z (t )分别是M ×1维发送信号和加性高斯白噪声矢量。H (d )是与距离矢量d （d ＝[d 1 d 2…d N ]T ）有关的MIMO 信道矩阵。其中d i 是终端到第i 个天线簇的距离。由于天线簇内子单元间距离较近，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。MIMO 信道矩阵可以表示为

()()()T T T

11,N N d d ⎡⎤=⎣⎦H d H H L (2)

其中子信道矩阵H n (d n )是从终端到第n 个天线簇

的L ×M 维子信道矩阵。12()[()()n n

n n n n d d d =H h h L

()]n M n d h ，其中()T 12[()()()]n n n n m n m n m n lm n d h d h d h d =h L 。其中()n

lm

n h d 是从第m 个终端天线到第n 个天线簇内的第l 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()n

lm n h d 可以表示为

()n

lm

n h d =+

(3)

其中，S n 表示接收平均功率的阴影衰落慢变化。通

常将阴影衰落描述为对数正态分布，即

()dB dB (|,)n n S d f s µσ=

2

dB 2

dB (10lg ))2s µσ−− (4) 其中，dB σ是10lg s 的标准方差。如果令dB s =10lg s ，

则dB s 服从标准正态分布，即dB s ~2

dB dB (,)Νµσ。dB µ是S n 的对数均值，单位为dB 。它由路径损耗决定，可以表示为

()dB total 10lg /410lg P M d µ=−×× (5)

其中，total P 表示M 个终端天线上发射的总功率，d 表示终端到该天线单元的距离，单位为km 。

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。

3 两级分集分布式天线系统MIMO 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，本文提出的空间距离较远的分布式天线系统将蜕变