微波技术论文

课程名称：微波与天线
题目：分布式移动通信系统及其关键技术专业：
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摘要及关键词 (3)
一、引言 (3)
二、分布式移动通信系统的体系结构 (3)
三、分布式移动通信系统中的关键技术 (4)
1.发分集与收分集技术 (4)
2.智能天线与空时二维信号处理技术 (4)
3.空时编码技术 (5)
4.“虚拟小区”技术 (5)
四、越区切换分析模型 (5)
1 、分布式无线网络 (5)
2 模型分析 (6)
五、结束语 (8)
参考文献: (8)
分布式移动通信系统及其关键技术
摘要: 首先对分布式移动通信系统做简单的介绍，接着介绍分布式移动通信系统中的几种关键技术，最后介绍一种远端天线单元选择模型,被选择的天线单元构成激活集为移动台服务,在此基础上提出了一
种分布式移动通信系统中广义小区之间的越区切换模型,切换阈值由激活集平均功率自适应控制,
文章对模型作了详细的理论分析及仿真验证.
关键词: 分布式无线移动通信系统; 越区切换; 远端天线单元选择; 激活集
一、引言
近十几年来，移动通信发展迅速，可用的无线频谱资源不断上移，无线信号的衰减愈发严重，小区半径不断缩小。

随着移动通信的进一步发展，传统的蜂窝通信体制受到限制。

这主要表现在：小区半径的不断缩小意味着基站密度增大，网络建设的成本增高。

同时，频繁的越区切换造成空中资源浪费，频谱效率也因此降低。

所以，研究新一代的移动通信系统，突破传统蜂窝体制的限制，以获取更高的频谱效率和更大的系统容量是很有必要的。

随着小区半径的不断缩小，一种直观的想法是简化基站的结构和功能，使之成为无线信号的收发装置和进行信号预处理的“无线信号处理单元”。

现有的研究表明，分布式天线（Distributed Antennas）是移动无线通信中可以采用的天线子系统形式之一。

在采用分布式天线的移动通信系统中，每个小区范围内有多个相距远大于载波波长、仅具有功放、LNA和变频、信号预处理等简化功能的无线信号处理单元。

这些无线信号处理单元只需完成信号的收、发功能和进行简单的信号预处理，并通过光纤、同轴电缆或微波无线信道与核心处理单元（如基站）连接，在核心处理单元完成信号处理功能。

最简单的实现方案是每个小区在所有的无线信号处理单元上同时发射相同的下行链路信号，上行链路信号被小区内所有的无线信号处理单元接收并传送到中心处理单元。

传统的蜂窝移动通信系统采用的单一天线可看作是分布式天线的一种极限情况。

这种实现方案虽然简单，但是造成系统中的干扰增加，不利于系统容量的提高。

另一种方案是突破蜂窝小区的概念，在整个业务区域内用大量的无线信号处理单元来完成无线覆盖的分布式天线结构。

仅与移动台相近的信号处理单元负责与移动台进行通信，这称为受控天线子系统。

这种方案较为理想，但实现复杂度较高。

在采用RAKE接收机和空时域信号处理技术的CDMA无线接入通信系统中，分布式天线系统是很理想的天线子系统方案。

当前的分布式天线系统应用研究主要是针对码分多址移动通信系统的。

分布式天线既可以实现室内无线覆盖，又可以在室外移动无线通信系统中采用。

与传统的单一天线相比，分布式天线具有如下优点：（1）小区间干扰低，因而SIR高，系统容量大；（2）内在的分集能力可以抗阴影效应，抗衰落，提高系统容量；（3）切换性能全面提高，接收信号功率更高，切换次数降低；（4）对其他通信系统的干扰小；（5）在相同发射功率下覆盖的区域更大；（6）在相同覆盖区域情况下，发射功率更低；（7）实现任意形状的无线业务服务区更方便；（8）信号在核心处理单元集中处理有利于无线资源的利用等。

二、分布式移动通信系统的体系结构
分布式移动通信系统由以下几个部分组成：（1）无线信号处理单元用于处理空中信号的接收和发射，并进行信号的预处理。

（2）“虚拟小区”中央控制器作为“虚拟小区”的核心处理器，用于处理“虚拟小区”中的空中资源管理等。

（3）移动交换中心和其它核心网络设备用于管理和控制虚拟小区的中央控制器，负责网络管理和用户管理等。

在分布式移动通信系统的各组成部分中，无线信号处理单元仅用于进行分布式接入和接收信号的预处理。

这是因为在分布式移动通信系统中，无线信号处理单元之间的距离远大于载波波长，并且移动台距离无线信号处理单元的远近各不相同，移动台可能需要同时与数个无线信号处理单元通信。

这种情况与3G中的发分集技术，以及智能天线技术所面临的通信环境均不相同，系统的多址方式和系统同步等成为需要解决的首要问题。

考虑到移动台到无线信号处理单元的距离比较近，信号传播的时延差别比较小，由信号传播时延不同引起的同步问题可以通过信号设计、新的传输技术，以及空时分集接收等技术加以解决。

因此，对于分布式移动通信系统，从单个移动台的角度观察，类似于收发分集系统的信号。

同时，可以采用2D RAKE接收机来处理空间分集信号，提高接收机的输出信噪比。

从反向链路看，为了抑制干扰，提高系统容量，无线信号处理单元需要包括多用户检测和处理功能，以保证具有同时与多个用户通信的能力。

即从网络看，各个无线信号处理单元具有相对独立的信号处理能力，从而构成分布式处理网络。

这可以看成“分布式移动通信系统”中“分布式”更深一层的含义。

三、分布式移动通信系统中的关键技术
分布式接入和分布式信号处理是提高新一代移动通信系统容量和频谱效率的途径之一，但也是难点。

分布式移动通信系统中的关键技术包括以下几种。

1.发分集与收分集技术
分布式移动通信系统与收、发分集技术密切相关。

但是需要注意的是，分布式移动通信系统中发分集和收分集技术与传统意义上的收、发分集技术有明显的区别。

对前向链路，发分集可以获得空间分集增益，改善接收信号的质量。

在传统的蜂窝移动通信系统中，假设各个发天线到移动台的距离近似相等，只需要调整不同发天线的信号相位就可以实现接收信号的同步。

而对于分布式移动通信系统而言，不同的无线信号处理单元与移动台之间距离近似相等的条件不再满足。

但是，由于分布式移动通信系统中无线信号处理单元距离移动台的距离比传统蜂窝通信系统中基站到移动台的距离小得多，发射信号到达移动台的时间差并不大。

因此，可以用路径分集的思路收集不同天线发射的信号。

更进一步，还可以用多载波技术延长符号时间，来减小到达时间差对正确检测接收信号的影响。

对于反向链路，无线信号处理单元则需要具有空时多用户检测能力，来抑制干扰，提高接收信号的信噪比，降低检测门限。

因此，在分布式移动通信系统中，要综合采用各种分集接收方法。

这样虽然增加了系统的复杂度，但可以获得分集增益，明显提高系统的容量和性能。

2.智能天线与空时二维信号处理技术
采用智能天线技术可极大地提高系统性能。

在分布式移动通信系统中，研究智能天线和空时二维信号处理技术可减少和抑制干扰，对保证系统的正常工作具有重要意义。

这也是分布式移动通信系统的主要特色之一，即充分利用空域资源来获得系统容量和频谱效率的提高。

目前用于上行接收的智能天线技术已经日趋成熟。

在分布式移动通信系统中，可以考虑将智能天线技术应用于上、下行链路的接收端。

这主要基于下面三个原因：（1）随着可用频率资源的上移，载波波长越来越小。

对于3G系统，半个载波波长在7.5cm左右。

对新一代分布式移动通信系统，其载波波长会更小。

因此，有条件在移动终端实现2到4个阵元的天线阵列。

（2）随着大规模集成电路技术的发展，集成芯片的处理能力不断增强，功耗不断下降，为实现智能天线算法提供了硬件基础。

（3）智能天线技术逐渐成熟。

如线性自适应空域滤波算法已经具有较高的收敛速度和稳态性能，且线性自适应算法可以采用迭代方法实现，这为智能天线技术的实用化奠定了基础。

传统的智能天线技术是单空域处理技术，而RAKE接收机、多用户检测等技术则属于时域信号处理技术，二者之间存在一定的互补性。

综合二者优点来设计空时二维接收机，可以明显提高系统性能。

3.空时编码技术
理论分析表明，在WCDMA中，发分集与空时编码技术的结合可以有效地提高前向链路容量。

而且在分布式移动通信系统中，前向信号的发射方式和3G系统中的发分集很相似，可以考虑与空时编码技术结合。

近年来的空时编码研究主要集中在分组空时编码和格状空时编码。

其中格状空时编码具有较高的分集增益和编码增益，但其译码复杂性随着状态数和编码速率的增加呈指数增长。

而分组空时编码采用正交设计，在接收端通过简单的线性处理即可实现最大似然译码，在3G中的WCDMA系统中，空时码仅在开环发分集的情况下使用，是Alamouti提出的简单发送分集方案，属于分组空时码中最简单的一种。

空时码技术还在不断的发展变化中，值得跟踪研究，并根据条件适当应用在分布式移动系统中。

4.“虚拟小区”技术
为了继承原有蜂窝移动通信系统的优点，需要研究分布式移动通信系统中的“虚拟小区”技术。

“虚拟小区”由多个无线信号处理单元构成。

由于无线信号处理单元的放置很灵活，可以根据地形、环境等条件灵活配置，因此，可以有效解决无线覆盖的问题。

“虚拟小区”的核心是中央控制器，用于分配“虚拟小区”中的无线资源，协调无线信号处理单元的工作状态，并负责与邻近的“虚拟小区”中央控制器，以及移动交换中心通信。

当“虚拟小区”技术比较成熟时，要考虑小区边界的动态划分问题，以平衡网络负载。

但是，这是一个较为复杂的问题，需要进一步深入研究。

四、越区切换分析模型
1 、分布式无线网络
分布式无线网络结构如图1 所示,MSC 为移动交换中心. 本文将以图1 所示的两个GN2cell 的系统结构来分析,假设每个GN2cell 中有N 个RAU ,记GN2cell1 中的第i 个为 RAU(1)i , i = 1 ,2 , ⋯, N. 为了分析方便,文中采用离散时间模型,抽样时间间隔为ts ,抽样时刻统一使用k 表示,MS 以速度v 匀速运动,所以vts 对应为在MS 运动路径上的距离抽样尺度. 图中d(1)i ( k) 表示k 时刻MS 与RAU(1)i 之间的距离.
图1 分布式无线移动通信系统结构
和经典的切换模型相同,假设信道快衰落可以通过时间平均消除其影响,故RSS 仅考虑路径衰耗和阴影
的作用,记k 时刻MS 接收到来自RAU( j)i的RSS 为s ( j)i ( k) , j = 1 ,2. 则
式中,L ( j)i ( k) 是导频信号平均强度, C1 是参考点在1 m 处的接收功率, C2 是路径衰减系数, u( j)i ( k) 为阴影大小,其自相关函数为
式中, d corr 为阴影自相关衰落距离,σ 2 是阴影方差,v 是MS 的移动速度. 文献中提出了一种依赖于距离的阴影模型,该模型在切换算法中得到了广泛应用. 本文采用与文献相同的一阶自回归模型产生u i ( k)
式中,α= exp ( - ts v/dcorr ) 为产生
阴影的自相关系数, zi ( k) 为均值是0、方差是σ2 的统计独立的高斯随机变量,从而ui ( k) 服从与zi ( k) 相同的分布. 为了便于分析,假设不同RAU 到MS 的路径上的阴影彼此相互不相关.
2 模型分析
本节首先介绍一种基于软切换中激活集(AS)思想的RAU 选择模型,并在其基础上对分布式移动通信系统中的越区切换作详细分析.
2. 1 RAU选择模型
RAU 选择模型选用了3 个参数 : 加入阈值(adding threshold) 、退出滞后量(drop hysteresis) 和退出计时器(drop2timer) 来确定RAU 进出MS 的AS ,分别记作Tadd , hdrop 和tdrop ,记Tdrop = Tadd - hdrop . Tadd是决定激活集大小的主要因素, hdrop 和tdrop 是为了克服阴影的影响,保证AS 的相对稳定性,AS 不能频繁更新,因为这将占用更多的系统资源.这里以MS 在GN2cell1 中移动为例来介绍模型,记k 时刻MS 的AS 为SAS ( k) , 若RAU(1)i ∈P SAS ( k -1) ,且s (1)i ( k) > Tadd ,则RAU(1)i ∈SAS ( k) ;若RAU(1)i∈SAS ( k - 1) ,而s (1)i ( k) < Tdrop ,则启动退出计时器,但是RAU(1)i 仍然保持在AS 中,当s (1)i ( k + tdrop ) <Tdrop时RAU(1)i 才退出AS ,如果s (1)i ( k + m) > Tadd ,m < tdrop时,则RAU(1)i 仍然保留在AS 中,同时计数器复位.对于一个特定MS 的AS 而言, 在k 时刻,RAU(1)i ∈SAS
( k) 或者RAU(1)i ∈P SAS ( k) . 又因为RAU之间彼此独立,故仅需分析其中一个RAU 即可,考虑到退出计数器的作用,设tdrop = Mts ,RAU(1)i 的状态转移过程可以由Markov 链建模 ,如图2 所示.
图2 k 时刻RAU i 的状态转移模型
图2 中各状态转移概率定义如式(4) 中所示,并可以通过数值积分对其求解
由式(4) 给出的转移概率的定义,结合图2 ,可以确定记P i ,A ( k) = ( p i ,A0( k) , p i ,A1( k) , ⋯, p i ,A M( k) )为MS 在图2 中各状态的概率,给定初始值P i ,A (0) ,通过迭代即可得到P i ,A ( k) ,从而
可得到RAU(1)i 时刻k 在MS 激活集中的概率,记作所以MS 在
GN2cell1 中移动, k 时刻其激活集的平均大小为ΣNi = 1p(1)i ( k) .
2. 2 切换模型
在CDMA 分布式移动通信系统中,MS 使用RAKE 接收机(假设有足够多的分支) 接收下行链路来自AS 的各RAU 的信号 ;同理,上行链路信号由AS 中的RAU 接收,并在BTS 中进行最优合并.
从而AS 越大,系统的分集效果越明显,越有利于提高通信质量;但同时下行信道占用量增大会
降低系统容量(用户数) .AS 的更新由BS 控制,而越区切换需要通过MSC 实现BS 之间的网络
控制以及数据转发,所以后者会耗用更多的网络资源. 为了减少切换时对系统资源的占用,在
本文提出的越区切换模型中,不作BS 间的宏分集,MS 在GN2cell 边缘处的通信质量由AS 提供的分集功能保证.在如图1 所示的系统中,假设MS 由GN2cell1 向GN2cell2 运动,即GN2cell1 是MS 的当前服务小区,定义越区切换为:有一个位于GN2cell2 的RAU 进入了MS 的AS 时,触发切换机制,首先在GN2cell2 中为MS建立新的AS ,然后释放位于GN2cell1 的RAU 与MS 之间的
链接. 一方面,在当前GN2cell 能够保证通信质量要求时,应避免越区切换,此时要求越区切换阈值应大于Tadd ,以阻止其他小区的RAU 进入激活集;另一方面,当前链路质量下降时,越区切换操作应立即执行. 因此,模型中越区切换阈值由AS 的平均接收功率( Tavg ) 适时控制, k 时刻AS 的平均接收功率如式(7) 所示. 当MS 远离小区边界时, Tavg 较
大,这样可以避免不必要的切换;当MS 接近小区边界时, Tavg较小,从而保证切换的即时执行.
式中, j 为MS 的当前服务小区的编号, ^L ( j)i ( k ) =10L( j)i( k)P10 ;且Σip( j)i ( k) ≠0 ,此时, SAS ( k) = ª,即AS 为空,出现了通信中断,为了避免其影响,定义越区切换阈值Tho ( k) 如式(8) 所示
除Tho之外,切换模型中的另外一个参数是切换滞后量(hysteresis) ,本文将其记作hadd ,该参数可以避免切换时的“乒乓效应”, 但会引入切换延时[4 ,5] . 在该模型中,当式(9) 成
立时,MS 由GN2cell1切换到GN2cell2 ,当式(10) 成立时,MS 由GN2cell2 切换回GN2cell1
根据上面的描述,在时刻k ,只有一个GN2cell是MS 服务小区,所以越区切换可以通过图3
所示的两状态Markov 过程描述. 图中状态“1”和“2”分别表示MS 的当前服务小区是GN2cell1 或者GN2cell2 ;p2P1 ( k) 和p1P2 ( k) 分别表示MS 由GN2cell1 切换到GN2cell2 和由
GN2cell2 切换到GN2cell1 的概率.图3 MS 状态转移图记V ( j) ( k) = max{ s ( j)i ( k) ;
i = 1 ,2 , ⋯, NRAU } ;j = 1 ,2 ,记Th ( k) = Tho ( k) + hadd ,且s ( j)i ( k) 彼此统
计独立,则
式(11) 和(12) 中, F( j)V ( k) ( v) 和F( j)V ( k) V ( k - 1) ( v1 , v2 ) 分别是V( j) ( k) 的一维和二维概率分布函数(CDF) .式中, f u ( k) ( x) 和f u ( k) u ( k - 1) ( x1 , x2 ) 分别是u ( k) 的一维和二维概率密度函数(PDF) .将MS 在k 时刻由GN2cell1 或GN2cell2
服务的概率分别记作p(1)in ( k) 和p(2)in ( k) ,则且p(1)in ( k) + p(2)in ( k) = 1. 进而可以得到k 时刻有一次越区切换发生的概率为
所以整个路程
上发生越区切换的平均次数为(18),式中, K 是总的抽样次数. 已假设MS 由GN2cell1 向
GN2cell2 运动,即p(1)in (0) = 1 , p(2)in (0) = 0 , 所以式(15) ～ (18) 可以通过迭代求解得出. 此外亦可得到k 时刻AS 的平均大小
五、结束语
分布式无线移动通信系统具有功率效率高,覆盖范围大等优点,从而被认为是未来移动通信系统中的一种关键的多天线接入方式,并已成为移动通信领域的研究热点. 本文在远端天线单元选择的基础上,提出了一种分布式移动通信系统的越区切换模型,切换阈值T ho 由激活集平均功率自适应控制,T add的选择决定了激活集的大小,同时也会影响到切换概率的变化. 和传统的单天线蜂窝系统相同,h add可以减少不必要的切换,但会增加切换延时,但是只要合理地选择参数,该切换模型就能够表现出良好的性能.
参考文献:
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