分類號 學號U200718522學校代碼10487 密級本科學位論文綠色通信在未來移動通信中的應用——基于Wyner模型單單元處理下的上行鏈路單元數據速率指標研究學位申請人：黎子鵬學科專業：通信工程0709班指導教師：葛曉虎教授答辯日期：2011年摘要本文的研究工作包括兩個方面：第一個是對綠色通信相關網絡技術進行調研，第二個是對基于分布式天線系統的Wyner模型通信相關指標進行研究。第二個研究工作重點在于研究分析基于Wyner模型的上行鏈路中單元內及其之間的不同通信方式下的各態歷經的數據速率指標。本文分析了基于分布式天線系統的Wyner模型單單元處理（SCP）即沒有信號的聯合處理情況下的上行鏈路的單元速率指標。本文分別對高斯信道和衰落信道這兩種情況進行研究，其中衰落信道的研究包括了瑞利衰落信道和更為一般的nakagami衰落信道。推導出高斯信道、瑞利衰落信道和nakagami衰落信道下單元速率的表達式。最后仿真分析不同信道條件下用戶數、單元間干擾因子、衰落因子等參數對單元速率的影響。關鍵詞：綠色通信分布式天線系統Wyner模型單單元處理單元數據速率AbstractOurresearchworkincludestwoaspects.Thefirstoneistheinvestigationofgreencommunicationtechnology.Thesecondistheresearchofcommunication-relatedindicatorsbasedonWynermodelofdistributedantennasystems.ThefocusofthesecondaspectistoanalyzeuplinkcellcapacitybasedonWynermodelunderdifferentcommunicationmeans.ThisarticleanalyzesuplinkcellcapacitybasedonWynermodelofdistributedantennasystemsundersinglecellprocesswhichmeansthereisnojointprocessingofsignals.OurstudyrunsundertwocaseswhichareAWGNchannelsandfadingchannels.FadingchannelsincludeRayleighfadingchannelsandnakagamifadingchannelswhichismoregeneral.ExpressionsofcellcapacityinAWGNchannels,Rayleighfadingchannelsandnakagamifadingchannelshavebeenderived.Atlastsimulationofthenumberofusers,interferencefactorbetweenthecells,fadingfactorandotherparametersinfluenceoncellcapacityunderdifferentchannelconditionshasbeendone.Keywords：greencommunication,distributedantennasystems,Wynermodel,singlecellprocess(SCP),unitdatarate目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 IAbstract II目錄 III第一章緒論 11.1 移動通信系統的發展歷史和演進 11.2 綠色通信網絡技術的發展 51.3 分布式天線系統 61.4 本文主要內容和架構 8第二章 綠色通信網絡技術的調研 92.1 引言 92.2 基于網絡體系結構部署角度的節能 92.3 基于硬件設計角度的節能 102.4 基于基站協作角度的節能 112.5 基于鏈路自適應資源分配的節能 112.6 本章總結 12第三章基于Wyner模型的上行鏈路通信性能指標分析 133.1 引言 133.2 Wyner模型 133.3 上行鏈路單單元處理下的通信性能指標 153.4 仿真結果及分析 203.5 本章總結 24第四章總結與展望 254.1 全文總結 254.2 下一步工作展望 25致謝 27參考文獻 28第一章緒論移動通信系統的發展歷史和演進移動通信可以說從無線電通信發明之日就產生了。1897年，M.G.馬可尼所完成的無線通信試驗就是在固定站與一艘拖船之間進行的，距離為18海里。現代移動通信技術的發展始于上世紀20年代，經歷了早期階段、lG、2G等發展階段，今天3G系統的商用正在全球范圍內成為現實，并且以3GLTE為代表的演進計劃也正在實施中，可以說現代移動通信技術的發展日新月異，我們首先回顧一下這一具有巨大社會效益和經濟效益的技術所經歷的發展階段。早期發展階段是在20世紀20年代至40年代，只是在短波的幾個頻段上開發出了專用的移動通信系統，具有代表性的系統就是美國底特律市警察使用的車載無線電系統，但是其工作頻率較低，只有2MHz。40年代到60年代是公用移動通信業務開始問世的時期，1946年，根據美國聯邦通信委員會（FCC）的計劃，貝爾系統公司在圣路易斯城建立了世界上第一個公用汽車電話網，稱為“城市系統”。移動通信系統從專用移動網逐步向公用移動網轉變。60年代到70年代，公用移動網進一步發展，實現了移動網絡到公用電話網的自動接續。1978年底，美國貝爾實驗室研制成功了先進移動電話系統（AMPS），建成了蜂窩狀模擬移動通信網，大大提高了系統容量。與此同時，其他發達國家也相繼開發出了蜂窩式公共移動通信網。這一階段的特點是蜂窩移動通信網成為實用系統，并在世界各地迅速發展起來。移動通信得到迅猛發展的原因，除了用戶需求迅速增加這一主要推動力之外，還有幾個方面技術發展所提供的條件。首先是微電子技術在這一時期得到了迅速的發展，使得通信設備能夠實現小型化、微型化。其次，貝爾實驗室在20世紀70年代提出的蜂窩網的概念形成了移動通信新體制。蜂窩網，即所謂的小區制，由于實現了頻率再用，大大提高了系統容量。第三方面進展是隨著大規模集成電路的發展而出現的微處理器技術日趨成熟以及計算機技術的迅猛發展，為大型通信網的管理與控制提供了技術手段。這一階段所誕生的移動通信系統一般被稱為第一代（1G）第二代（2G）移動通信系統主要采用的是數字的時分多址（TDMA）技術和碼分多址（CDMA）技術[1]。主要業務是語音，其主要特性是提供數字化的話音業務及低速數據業務。目前世界范圍內存在有多種2G數字移動通信系統，主要包括GSM系統、IS-136TDMA系統、IS-95CDMA系統[2]。其中GSM系統占據全球移動通信市場份額的58%，可以提供2.4Kbits/s-9.6Kbits/s以及14.4Kbits/s的電路交換語音業務，還可以通過GPRS和EDGE分別提供l44Kbit/s和384Kbits/s的分組交換數據業務，IS-136系統占有全球市場的9%份額，它可以提供9.6Kbits/s電路交換語音和傳真業務，其最高數據傳輸速率可達40Kbits/s~60Kbits/s。IS-95系統占有的市場份額是14%，它能夠提供可變速率接入，其峰值速率分別可以達到9.6Kbits/s和14.4Kbits/s，還可以通過使用蜂窩數字分組數據（CDPD，CellularDigitalpacketData）網絡來提供19.2Kbits/s的數據業務。顯然，基于支持話音業務電路交換模式的第二代移動通信系統不能滿足多媒體業務的需要。第三代（3G）移動通信系統的目標是高效地提供不同環境下的多媒體業務并實現水陸空的全球覆蓋，因而它要求實現多種網絡的綜合：不同的無線網的綜合，移動網和固定網的綜合等。與此同時，第三代移動通信又要適應多種業務環境，并且與第二代移動通信系統兼容，以實現平滑的升級。第三代移動通信系統相對于現在的移動通信系統具有以下特點：更大的通信容量和覆蓋范圍；具有可變的高數據速率；同時提供高速電路交換和分組交換業務；更高的頻譜利用率。人類社會正進入信息時代，移動化、寬帶化是這一時代的主流。而第三代移動通信技術（3G）的應用將揭開這一時代的序幕。中國已是信息大國，今后還要建設成信息強國。3G產業在中國必將得到良好的發展，中國的3G市場將是規模巨大，且價值豐厚的。與2G相比，3G的最大優勢在于它能夠提供至少384Kb/s的高速數據接入，這使其除可承載原有的話音業務和短信業務外，還能夠開設許多新的業務。簡單話音和消息類業務簡單話音是對一般通信需求的滿足，在3G時代，溝通仍是電信消費者的首要需求，話音業務仍將占重要位置。簡單消息與目前的短信業務類似，主要是文字的傳送。在第二代網絡中，短信業務增長勢頭強勁，特別是在年輕人中，使用量很大。預計在3G時代初期，簡單消息仍將是一個重要的業務模式。當然，它與2G還是有所不同，定制信息服務將占相當大的比重，因為初期的3G業務用戶多為高端商務用戶，他們對定制信息的需求會大于一般短消息。多媒體信息類業務多媒體信息（MMS）業務現己開設，如通常所說的彩信業務。但目前受資費和終端價格的限制，用戶群體小，不能形成規模效應，發展情況并不理想。在3G時代，隨著終端和業務資費下降，憑借圖文并茂的特點，MMS將對短信業務的主要群體一一年輕人更具吸引力。因此，MMS業務將是短信息的替代業務，它在3G時代會有較大規模的發展。定位業務3G網絡有更強的終端定位功能，這有助于終端持有者方便地了解到本人所在的周邊環境，確定想要前往的場所。類似功能目前己在2.5代網絡中初步開通，但發展并不理想，且多為集團用戶。況且，出于保護隱私的考慮，個人對此并不熱心。在3G時代，如何將移動定位功能轉化成一項為大眾所接受的業務?這還需要相關部門全面考慮目標客戶群和合理的運營模式。移動接入互聯網業務這是3G強于2G的優勢所在，也是3G最具吸引力的一項業務。隨著網絡日臻完善，3G用戶使用3G終端可以像目前在人口聚居區和交通道路沿線能夠通話一樣，隨時隨地接入互聯網，瀏覽信息或者處理公務。這一業務是移動業務和互聯網業務的統一，它在3G市場中的地位將越來越重要。高級話音業務高級話音業務可以運作于移動視頻電話和多媒體電話，這也是3G網絡所能夠提供的一項特殊業務。但其發展前景并未被廣泛看好，其業務界定和發展模式還有待進一步地研究。3GLTE的研究，包含了一些普遍認為很重要的部分，如等待時間的減少、更高的用戶數據速率、系統容量和覆蓋的改善以及運營成本的降低。為了達到這些目標，無線接口和無線網絡架構的演進同樣重要。考慮到需要提供比3G更高的數據速率，和未來可能分配的頻譜，LTE需要支持高于5MHz的傳輸帶寬。E-UTRA和E-UTRAN要求UTRA和UTRAN演進的目標，是建立一個能獲得高傳輸速率、低等待時間、基于包優化的可演進的無線接入架構。3GPPLTE正在制定的無線接口和無線接入網架構演進技術主要包括如下內容：明顯增加峰值數據速率。如在20MHz帶寬上達到100Mbit/s的下行傳輸速率（5bit/s/Hz）、50Mbit/s的上行傳輸速率（2.5bit/s/Hz）。在保持目前基站位置不變的情況下增加小區邊界比特速率。如MBMS（多媒體廣播和組播業務）在小區邊界可提供lbit/s/Hz的數據速率。明顯提高頻譜效率。如2~4倍的R6頻譜效率。無線接入網（UE到E-NodeB用戶面）延遲時間低于10ms。明顯降低控制面等待時間，低于100ms。帶寬等級為：a) 5、10、20MHz和可能取的15MHz；b) 1.25、1.6和2.5MHz，以適應窄帶頻譜的分配。支持與己有的3G系統和非3GPP規范系統的協同運作。支持進一步增強的MBMS。上述演進目標涉及到系統的能力和系統的性能，是LTE研究中最重要的部分，也是E-UTRA和E-UTRAN保持最強競爭力的根本。與其它現代技術的發展一樣，移動通信技術的發展也呈現加快趨勢，關于未來移動通信的討論己如火如荼地展開。各種方案紛紛出臺，關于未來移動通信系統的概念和結構，各家解釋并未一致。但有一點是肯定的，即未來移動通信系統將提供全球性優質服務，真正實現在任何時間、任何地點、向任何人提供通信服務這一移動通信的最高目標。綠色通信網絡技術的發展因特網需要為全球CO2排放量的2%負責，并且移動通信網絡是增長最快的一部分[3]。預計到2020年移動通信網絡產生的CO2排放量將達到178兆噸，這占總的ICT行業排放量的22%[4]，并且在接下來的一段時間中還會保持繼續增長。全球移動用戶現已有40億，這對帶寬和能量提出了很大的要求。在這一嚴峻背景下，再加上能源支出日漸提高，在作為ICT產業中的主要能耗產生者之一的電信行業（包括有線和無線通信網，以及互聯網）當中掀起了一股節能減排的熱潮。在強烈的節能減排的要求的驅動下，近幾年，綠色通信這一概念正愈發引起業界和研究人員的強烈關注，其致力于減少通信信息技術的能耗和CO2的排放量。隨著移動通信的廣泛普及和深入應用，節約能源、節約資源、保護環境將會是繼新一代無線通信之后又一重要發展方向，已成為亟需研究的重大前沿課題，需要從理論、方法、技術和應用多方面進行系統研究[5]。國內外存在很多的大型項目致力于綠色通信網絡技術的研究，國外的比如說有“greenradio”項目、“celtic”項目、歐盟第七框架下的“TREND”項目等，國內的比如說有華為公司的綠色無線通信網絡技術研發項目和各大高校研究院所的項目等。縱觀國內外綠色通信的相關研究成果，我們發現綠色通信網絡技術研究主要從以下幾個方面進行：網絡體系結構部署角度、硬件的角度、基站協作的角度和鏈路自適應資源分配的角度。更為細化的研究方向有的是側重于優化資源分配方式，有些研究側重于減少基站功耗，有些研究側重于協同多小區技術細節的優化，有些研究側重于無線廣域網相關技術的優化等等。分布式天線系統1.3.1 早期的分布式天線概念引入是為了解決室內環境下的覆蓋問題。使用傳統的單天線小區結構：將大樓分成多個小區，每小區的中心定位一根天線。可能存在如下一些問題：多徑時延擴散終端和基站間路徑損耗大各小區間使用不同的頻率，使得管理難度增大如果采用分布式天線結構：將大樓分成一個或幾個范圍較大的小區，每個小區使用分布式多天線來代替單天線。那么可以獲得如下好處：單天線下覆蓋區范圍與墻的數量和建筑材料有關。然而在分布式天線系統下，采用更多的天線，每根天線僅覆蓋一個辦公室范圍的空間，所以分布式天線下的覆蓋范圍更大將依賴天線的位置而不是建筑材料。在相同覆蓋區的前提下，分布式天線能減小發射功率，從而降低同信道干擾。減少了大樓的小區數，從而降低了頻率資源管理難度，也減少了用戶的切換次數。采用選擇式宏分集技術，可以獲得額外的分集增益。但是該分布式天線系統中，移動臺在某時刻只能與一根天線通信，系統必須緊密跟蹤用戶的移動軌跡，造成天線之間切換頻繁，另外系統是根據上行信號的強度來選擇天線，由于上下行信道未必對稱，所以選擇的天線在下行方向未必是最佳的[6]。1.3.2 分布式MIMO通過近幾年的持續發展，MIMO技術正在越來越多地應用于各種無線通信系統。在無線寬帶移動通信系統方面，第3代移動通信合作計劃（3GPP）已經在標準中加入了MIMO技術相關的內容，B3G和4G的系統中也將應用MIMO技術。在無線寬帶接入系統中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標準也采用了MIMO技術。在其他無線通信系統研究中，如超寬帶（UWB）系統、感知無線電系統（CR），都在考慮應用MIMO技術。MIMO技術己經成為無線通信領域的關鍵技術之一，為了提高系統容量，下一代的無線寬帶移動通信系統將會采用MIMO技術，即在基站端放置多個天線，在移動臺也放置多個天線，基站和移動臺之間形成MIMO通信鏈路。應用MIMO技術的無線寬帶移動通信系統從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類：一類是多個基站天線集中排列形成天線陣列，放置于覆蓋小區，這一類可以稱為集中式MIMO；另一類是基站的多個天線分散放置在覆蓋小區，可以稱為分布式MIMO。MIMO技術可以比較簡單地直接應用于傳統蜂窩移動通信系統，將基站的單天線換為多個天線構成的天線陣列。基站通過天線陣列與小區內的具有多個天線的移動臺進行MIMO通信。從系統結構的角度看，這樣的MIMO系統與傳統的單入單出（SISO）蜂窩通信系統相比并沒有根本的區別。傳統的分布式天線系統可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗，能夠在小區內形成良好的系統覆蓋，解決小區內的通信死角，提高通信服務質量。最近在MIMO技術的研究中發現，傳統的分布式天線系統與MIMO技術相結合可以提高系統容量，這種新的分布式MIMO系統結構——分布式無線通信系統（DWCS）成為MIMO技術的重要研究熱點。在采用分布式MIMO的DWCS系統中，分散在小區內的多個天線通過光纖和基站處理器相連接。具有多天線的移動臺和分散在附近的基站天線進行通信，與基站建立了MIMO通信鏈路。這樣的系統結構不僅具備了傳統的分布式天線系統的優勢，減少了路徑損耗，克服了陰影效應，同時還通過MIMO技術顯著提高了信道容量[7]。與集中式MIMO相比，DWCS的基站天線之間距離較遠，不同天線與移動臺之間形成的信道衰落可以看作完全不相關，信道容量更大。總體上說，分布式MIMO系統的信道容量更大，系統功耗更小，系統覆蓋性能更好，系統具有更好的擴展性和靈活性。本文主要內容和架構本課題來源于科技部國際科技合作項目——“無線網絡中協作通信關鍵技術研究”（項目編號：0903）。本文的研究工作主要分為兩個方面：對綠色通信相關網絡技術進行調研和對基于分布式天線系統的Wyner模型通信相關指標進行研究。第二個研究工作重點在于研究基于Wyner模型的上行鏈路中單元內及其之間的不同通信方式下的各態歷經的數據速率指標，從而為多小區MIMO合作網絡技術的研究和相關節能技術的探討打下基礎。本文的章節結構安排如下：第一章為緒論，首先介紹了移動通信系統的發展歷史和演進，然后對調研的綠色通信網絡技術進行介紹，最后回顧了分布式天線系統的有關知識（包括傳統的分布式天線系統和分布式MIMO系統）。第二章介紹了綠色通信網絡技術的調研成果，對綠色通信網絡相關技術進行了歸類，并且結合相關文獻進行總結。第三章主要研究分析了基于分布式天線系統的Wyner模型上行鏈路中單單元處理下的單元數據速率指標，推導出沒有nakagami衰落的高斯信道和nakagami衰落信道兩種情況下的每個單元數據速率指標的表達式，并進行了相關的仿真分析。第四章則對全文的研究方向和成果進行了歸納，對文章的整體思路進行回顧和總結結論，并對下一步的研究方向做了展望。第二章 綠色通信網絡技術的調研2.1 引言近年來地球面臨著越來越嚴峻的環境問題，節能、降耗、減排成為了大勢所趨。通信行業作為一種耗能巨大而且日益發展的行業，實現節能減排、降低能耗刻不容緩。因此，在資源日益緊缺的今天，如何節能減排、降低能耗成為通信業研究的一個熱點。所以當環境共生與可持續性發展等綠色理念融入到通信中時．就產生了“綠色通信”這個概念，即以人為本，在環保生態的基礎上追求高品質，高質量的通信環境。其目的是使整個通信產業對環境的影響最小、資源效率最高。國內外存在很多的大型項目致力于綠色通信網絡技術的研究，國外的比如說有“greenradio”項目、“celtic”項目、歐盟第七框架下的“TREND”項目等，國內的比如說有華為公司的綠色無線通信網絡技術研發項目和各大高校研究院所的項目等。本人對綠色通信網絡相關技術進行了調研，在閱讀了相關文獻基礎上，對綠色通信網絡相關技術進行了歸類和總結。縱觀國內外綠色通信的相關研究成果，我們發現綠色通信網絡技術研究主要從以下幾個方面進行：網絡體系結構部署角度、硬件的角度、基站協作的角度和鏈路自適應資源分配的角度。下面分別對這些方向一一進行闡述。2.2 基于網絡體系結構部署角度的節能在網絡層，減小能耗的潛能就是網絡的布局和管理，其中網絡體系結構的布局是很重要的一方面。文獻[8]給出了最近比較熱門的網絡部署方式——混雜網絡（heterogeneousnetworks）的介紹。在混雜網絡框架如圖1所示，包括傳統的宏小區，在高流量需求的區域使用微小區，在室內用戶使用femto-cells來提供寬帶的覆蓋。Relay結點是一種高效的方法來拓寬戶外的覆蓋范圍，因為避免了高花費的回程鏈路。這樣的混雜網絡在節能方面存在很大的潛能，因為減小了結點之間的距離，從而減小了傳輸功率。這種網絡布局也能適應各種傳輸場景。圖1混雜網絡文獻[9]也提出了和上述類似的網絡布局方式來提高能量效率。文中考慮部署小的、低功率的基站來提高蜂窩網的能量效率。本文獻通過考慮不同基站部署策略（純微基站、純宏基站、微基站和宏基站的混合），對不同策略下的區域功耗（areapowerconsumption）和系統吞吐量的性能進行比較。文獻[9]得出了以下結論：從系統吞吐量的角度看，采用純微基站的部署策略是最好的；從能效的角度看，部署微基站會導致高的區域功耗。針對上述矛盾的問題，文獻[9]提出了一種度量能效的措施——吞吐量/功耗。當采用純微基站部署策略時，用這種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。從上述結論得出，混合基站部署策略比純基站部署策略要好。文獻[10]也對混雜網絡進行了研究和分析。文中開始指出微小區比宏小區更節能，因為其路徑損耗低，所以混雜網絡能夠提高能效。文中提出了基于GSM和UMTS基站標準的宏基站和微基站功耗模型，該模型主要側重于組件級的功耗，包括功放和制冷設備。提出的功耗模型的一個重要的應用就是發現傳統的宏基站的小區內部距離為1500m時能效最高。關于混雜網絡類似的討論也出現在文獻[11]和文獻[12]中。2.3 基于硬件設計角度的節能 功率放大處理占基站組件能耗很大一部分，因為當終端很遠時需要足夠的能量克服路徑損耗。但功放最多只能達到50%的效率，當負載低時，效率更低。所以需要從硬件角度尤其是功放角度進行節能設計。文獻[8]提到需要設計先進的功放，使其能隨負載流量的變化進行自適應調整。文中提到功放的peak-to-averagepowerratios（PAPR）往往很高，并且經常不是處于滿負載狀態，所以其功率效率很低。為了提高功率效率，必須采用一定的措施使得功放工作在接近滿負載的狀態，文中還提到組件鈍化這一概念——基站的組件必須能夠實現關閉不活動的模擬和數字電路。當出現不活動的模擬或數字電路時，尤其是不活動的功放電路時，要能夠關閉以節省能量。2.4 基于基站協作角度的節能 基站協作作為一種重要的技術，可以有效地用于促進節能通信。文獻[13]研究了協同多點傳輸和接收技術對能效的影響。文中討論了采用上述技術帶來的吞吐量的變化和能耗變化的折中。這里的能耗包括反饋、控制花銷等。文中還提出了一種比特每焦耳的模型來分析協同多點傳輸和接收技術對吞吐量和能效的影響。文獻[14]也研究了基站協作對能效的影響，并且將基站協作技術和網絡布局這兩種提高能效的方式進行比較。和文獻[13]類似，也提出了一種模型來捕獲數據速率和相應策略下的花銷，最后綜合考慮數據速率和花銷，比較兩種策略對每比特花銷的影響。2.5 基于鏈路自適應資源分配的節能基于鏈路自適應資源分配的節能這部分研究很多，本人閱讀的許多文獻都是關于這方面的。資源分配包括多種，比如帶寬分配、子信道分配、子載波分配、功率分配等。有些文獻可能涉及上述資源分配的一個方面，有些可能涉及多個方面。文獻[15]主要研究多小區OFDMA系統下的無線資源分配算法。該文獻重點針對ICI（小區內部干擾）問題提出干擾協調的資源分配算法。該算法的主要特點有兩個：按照用戶的方式進行帶寬分配和相鄰小區用戶使用的子信道間的碰撞避免。該算法需要基站間交換信息進行協同，也就是說相鄰小區的小區邊緣的頻帶必須是正交的，相鄰小區的信道占有信息必須是互相知道的。文獻[15]提出的算法達到了高效的頻率復用而不需要中心控制。文獻[16]研究了下行多小區完全頻率復用OFDMA蜂窩系統的子信道和功率分配問題。該問題被闡述為在沒有中心控制的完全頻率復用場景下，在功率限制條件下最大化每個小區的速率。文中提出一種算法是分配每個用戶最佳SINR的子信道然后用注水方法進行功率分配。仿真表明基于注水的功率分配算法遠遠勝過統一功率分配算法。文獻[17]研究基于基站協作的OFDMA蜂窩系統的子載波和功率分配問題。該問題被闡述為平均每根天線功率限制下使分配的平均效用達到最大值。本文獻提出了一種低復雜度的子載波和功率的聯合分配算法，子載波分配算法為貪心搜索算法，功率分配為Lagrangedualbased算法。還有許多的文獻是關于這方面內容的，在此就不多贅述。2.6 本章總結本章主要介紹了本人對綠色通信網絡相關技術進行的調研工作。在閱讀的相關文獻中，本人發現綠色通信網絡技術研究主要從以下幾個方面進行：網絡體系結構部署角度、硬件的角度、基站協作的角度和鏈路自適應資源分配的角度。有些研究可能只是從一個角度進行，有些研究可能涉及多個方面。然后本章結合相關文獻一一對上述方向的研究進行闡述。第三章基于Wyner模型的上行鏈路通信性能指標分析3.1 引言分布式天線系統（DAS）是未來公共無線接入網絡的一種新結構，它可以看做多輸入多輸出（MIMO）系統的擴展，網絡鏈路的一端有一個天線陣列，而另一端有多個空間分開的天線陣列[18]。由于MIMO技術能夠極大地提高系統性能[19,20]，所以近年來備受關注。把這種思想擴展到分布式天線系統中，也可以看做一種MIMO系統，包含裝設多個天線的無線鏈路一端和多個地理上分開的接入點（AP），這些接入點是鏈路的另一端，每個接入點也都裝有多天線[21,22]。由于系統中有在空間上分開的多個天線，分布式天線系統可以得到宏觀的分集增益，從而提高信號傳輸質量，提升系統容量，增強覆蓋范圍。分布式天線系統的設計可以按照蜂窩結構均勻、分散地放置AP，這種結構可以用某種模型來刻畫，例如Wyner模型，它是在多元網絡中第一次提出的[23,24]。在這個模型中，單元間的干擾僅限于相鄰單元，并且可以用一個參數α∈[0,1]來量度。在一定程度上，這個模型簡單易于分析，而且能夠體現出分布式天線系統中信號傳輸的主要特點。基于上述的Wyner模型，我們可以對分布式天線系統通信的相關性能指標進行分析。我們可以把多小區MIMO合作網絡技術應用于該模型，和沒有多小區MIMO合作網絡技術作用（SCP）下的系統進行通信性能上的比較從而得出該技術對分布式天線系統的影響。本章的工作主要是研究分析基于Wyner模型單單元處理（SCP）下的系統通信性能指標，從而為研究多單元處理（MCP）下的系統通信性能指標并和SCP下的性能指標進行比較打下基礎。3.2 Wyner模型每個單元僅受相鄰有限個單元所發出的信號影響的物理模型是由Hanly和Whiting[23]及Wyner[24]提出的。圖2就是一個典型的Wyner小區模型[25]。該模型包含一個由多個單元組成的天線陣列，每個單元有一個單天線基站和K個單天線用戶，這些用戶只能接收本單元和左邊Ll個相鄰單元的信號和右邊Lr個相鄰單元的干擾。我們把參數L稱為小區內干擾擴展。圖2Wyner小區模型不同用戶所經歷的衰落假設是獨立同分布及時間各態歷經的。為了進一步簡化，到兩個相鄰單元的路徑損耗（即平均衰落功率）可以用單一參數α∈[0,1]來度量。盡管此模型非常簡單，但它包括了蜂窩系統的主要參數及衰落、單元間干擾等現象的影響。在上述假設前提下，模型的信道傳輸矩陣（經過嚴格推導）無論矩陣維數是多少，都包含有限個非零對角線元素。這樣，就不能應用隨機矩陣分析的結果，盡管它能成功地計算其他一些通信系統的速率[26]。盡管如此，Wyner模型的簡化還是使得對分布式天線系統的分析能夠深入可行。Wyner模型存在多種類型，在此我們主要考慮兩種類型，一種是Wyner線性模型[25]，如圖3所示，所有單元都排在一條直線上，即每個單元僅相鄰的單元為兩個。一種是Wyner平面模型[26]，考慮在實際的蜂窩網中，六邊形小區旁邊存在相鄰的六個小區單元，如圖4所示。在這種情況下，每個單元都能收到六個相鄰的單元發出的信號。圖3Wyner線性模型圖4Wyner平面模型為了簡單起見，我們下面考慮小區內干擾擴展Ll=Lr=1，即每個單元僅受最相鄰單元的影響。3.3 上行鏈路單單元處理下的通信性能指標在分布式天線系統中，AP發出的或接收到的信號聯合處理以增強系統性能。我們將這個過程稱為多單元處理（MCP），它與單單元處理（SCP）不同。在SCP中，每個AP單獨處理信號（發射或接收），與其干擾、AP或用戶無關。這里的MCP可以看做使用多小區MIMO合作網絡技術，而SCP沒有使用多小區MIMO合作網絡技術。在此首先確定我們使用的性能準則。上行鏈路或下行鏈路中SCP或MCP方法下的通信性能可以用每單元的各態歷經的和速率來衡量。這個性能準則同樣適用于變化很快的衰落信道，在這種信道中每個傳輸符號可能會經歷多個衰落狀態，但是此準則不適用于延時敏感的應用[18]。對于上行應用，由于每個用戶有獨立的功率放大器，功率限制為P，這樣整個單元的功率限制為，其中，K是用戶數。對于下行應用，由于AP服務于所有用戶，而它只有一個功率放大器，設單元的功率限制為。下面我們對上行鏈路SCP下的通信性能進行分析。3.3.1 沒有nakagami 我們考慮高斯信道（無衰落），根據AWGN信道容量公式[27]：（1）我們這里對噪聲進行歸一化處理，按照線性模型，信噪比可以寫為：（2）這里的噪聲不僅包括加性高斯白噪聲，還包括來自相鄰兩個單元的干擾，這里的就是前面Wyner模型里提到的兩個相鄰單元的路徑損耗（即平均衰落功率）。所以在線性模型中，每個單元的最大速率為：（3）對于平面信道，一個單元旁邊存在六個單元相鄰，則每個單元的最大速率為：（4）式中，是每個單元的平均傳輸功率（假設噪聲功率為1，也是整個單元的SNR）。這種速率可以應用單元內TDMA方法得到（方法不唯一）[18]，每個用戶占用的時間發射信號，功率為；也可以使用多用戶檢測中的WB方法得到，其中每個用戶在所有的時間內一直發射信號，平均功率為。顯然當增加時，所能達到的速率會受到相互間干擾的影響。3.3.2 存在假設存在衰落的影響，如圖3所示，假定本單元的即時信道增益為，相鄰左右兩個單元的即時信道增益分別為和，則線性模型下，各態歷經的速率為： （5）式中的期望值依賴于如下定義的兩個隨機變量S和T，即：（6）（7）在瑞利衰落情況下，、、都服從瑞利分布。根據瑞利分布的性質，，，表示有個自由度的中心分布。那么隨機變量S和T的概率密度函數（PDF）分別為：（8）（9）文獻[28]給出了隨機變量的概率密度函數（PDF）為：（10）式中，是第一類超幾何分布函數，是Gamma函數。根據式（9）和式（10）可以推出每個單元可以達到的最大速率為：（11）其中，。在nakagami衰落情況下，、、都服從nakagami-m分布，nakagami-m分布的概率密度函數（PDF）[29]為：（12）記為Z～N(m,Ω)，Ω表示平均接收功率，m為衰落因子（）。由nakagami-m分布的性質知、和服從gamma分布，其PDF為：（13）記為A~Γ(m,Ω)。我們假定對應衰落因子的為m1，和為來自相鄰單元的干擾，假定衰落因子相同且都為m2，、和的平均接收功率都相同為Ω。那么~Γ(m1,Ω)，~Γ(m2,Ω)，~Γ(m2,Ω)。gamma分布存在兩條重要的數學性質[30]：N個具有相同參數m和w的gamma分布序列，他們的和仍然是gamma分布，參數變為Nm和Nw。如果，那么對任意的α>0，。由上述的gamma分布的數學性質容易推出：（14）（15）和前面的瑞利衰落一樣，我們要算出的分布，從而根據前面的式子計算出每個單元可以達到的最大速率。由概率的知識我們知道求兩個隨機變量的和分布就是對兩個隨機變量分布的PDF求卷積，但是這樣計算起來很復雜。參考文獻[31]給出了另一種方法解決上述問題，給出了下述推論：如果獨立的兩個隨機變量，，那么的概率密度函數為：（16）我們假定，對照文獻[31]中的gamma分布的表達式，對應的為、為，對應的為，為。那么的PDF為： （17）前面討論過，所以的PDF為：（18）因此，根據式（17）和式（18）可以推出每個單元可以達到的最大速率為：（19）其中，對于平面模型，也可以按照上述類似的方法進行分析。3.4 仿真結果及分析3.4.1 沒有nakagami我們考慮線性模型，取=10dB，觀察每個單元的速率隨單元間干擾因子的變化，得到仿真圖5。圖5無衰落情況下每個單元速率與單元間干擾因子α的關系從上圖可以看出隨著單元間干擾因子α的增大，每個單元速率減小，α=0時，即沒有其他單元干擾時，單元速率最大，接近3.5b/s/Hz，當干擾因子α=1時，干擾最強，單元速率最低，接近0.5b/s/Hz。3.4.2 存在nakagami 我們同樣考慮線性模型，我們觀察單元間干擾因子、用戶數K、nakagami分布中的參數衰減因子m對每個單元速率的影響。同樣我們取=10dB。首先我們取nakagami衰減因子、平均接收功率=1，分別取用戶數K=1、K=5，觀察每個單元的速率隨單元間干擾因子的變化，并和圖5進行比較，得到仿真圖6。圖6三種情況下每個單元速率與單元間干擾因子α的關系從上圖中可以看出：無論何種情況，隨著單元間干擾因子α的增大，每個單元速率都是減小的；隨著K的增大，曲線更接近無衰落情況。這在后面的仿真分析中，也能發現這個結論。現在我們取用戶數K=1，nakagami衰減因子、平均接收功率=1，分別取nakagami衰減因子、，觀察每個單元的速率隨單元間干擾因子的變化，并和圖5進行比較，得到仿真圖7。圖7三種情況下每個單元速率與單元間干擾因子α的關系 從圖中可以看出：無論何種情況，隨著單元間干擾因子α的增大，每個單元速率都是減小的；在存在nakagami衰落情況下，對于同等的單元間干擾因子α，越大，單元速率越大，這在后面的仿真分析中，也能發現這個結論。現在我們取nakagami衰減因子、平均接收功率=1，單元間干擾因子=0.4，得到每個單元的速率隨用戶數K的變化，如圖8所示。圖8兩種情況下每個單元的速率隨用戶數K的變化圖中，實線代表存在衰落情況下的曲線，虛線代表無衰落情況下的曲線。從圖中可以看出，隨著用戶數的增加，單元速率也是增加的，在用戶數K<10時，單元速率增加得比較快，而在K>10時，單元速率增加得越來越慢，直至趨近于某個常數，即無衰落情況下的值。也就是對于用戶數比較大的情況，衰落信道沒有惡化，這就是多用戶分集信道的著名現象“Hardening”[20]。我們取用戶數K=4，nakagami衰減因子、平均接收功率=1，單元間干擾因子=0.4，觀察每個單元的速率隨的變化，如圖9所示。圖9nakagami衰落信道下單元速率隨衰落因子的變化從圖中可以看出隨著的增大，單元速率也增大，當很大時，單元速率逐漸趨于某個值。類似，我們取用戶數K=4、nakagami衰減因子、平均接收功率=1，單元間干擾因子=0.4，觀察每個單元的速率隨的變化，如圖10所示。圖10nakagami衰落信道下單元速率隨衰落因子的變化從圖中可以看出單元速率隨衰落因子的增大而減小。當很小時，單元速率減小得很慢，當很大時，單元速率減小得很快。3.5 本章總結本章主要研究分析了基于分布式天線系統的Wyner模型上行鏈路中單單元處理下的單元數據速率指標。本章針對沒有nakagami衰落的高斯信道和nakagami衰落信道兩種情況進行了分析和討論，推導出這兩種情況下單元數據速率的表達式。最后仿真分析了單元間干擾因子、用戶數K和nakagami分布中的參數衰落因子m對每個單元數據速率的影響。仿真結果表明單元數據速率隨單元間干擾因子和相鄰單元nakagami衰落因子的增大而減小，隨用戶數和本單元nakagami衰落因子的增大而增大。第四章總結與展望4.1 全文總結本文的內容包括兩個方面：第一個是對綠色通信相關網絡技術進行調研，第二個是對基于分布式天線系統的Wyner模型通信相關指標進行研究。第二部分內容在于研究基于Wyner模型的上行鏈路中單元內及其之間的不同通信方式下的各態歷經的速率指標，從而為多小區MIMO合作網絡技術的研究和相關節能技術的探討打下基礎。對綠色通信網絡技術的調研過程中，我們發現綠色通信網絡技術研究主要從以下幾個方面進行：網絡體系結構部署角度、硬件的角度、基站協作的角度和鏈路自適應資源分配的角度。有些研究可能只是從一個角度進行，有些研究可能涉及多個方面。第二章結合相關文獻一一對上述方向的研究進行闡述。我們重點研究和分析了基于Wyner模型的上行鏈路單單元處理（SCP）下的單元數據速率指標。第三章對高斯信道和nakagami衰落信道情況都進行了分析，推導出高斯信道、瑞利衰落信道和nakagami衰落信道下單元速率的表達式。我們對這三種情況下的結果進行了仿真：在高斯信道下單元速率隨單元間干擾因子的增大而減小；在衰落信道下同樣發現單元速率隨單元間干擾因子的增大而減小，還發現隨著用戶數的增多單元速率越接近無衰落情況下的單元速率。對nakagami衰落信道下的結果仿真分析發現單元速率隨衰落因子的增加而增大，當很大時，單元速率逐漸趨于某個值；單元速率隨著衰落因子的增大而減小。4.2 下一步工作展望本文研究和分析了基于Wyner模型的上行鏈路單單元處理（SCP）下的單元數據速率指標，取得了一定的成果，但是仍有不少值得進一步探索的問題，下一步我們的研究方向有：把推導出的衰落情況下單元數據速率表達式（11）和（19）寫成閉式解的形式，嘗試采用MeijerG-function進行求解。本文對上行鏈路SCP情況進行了研究，我們還可以進行下行鏈路的研究。我們可以把SCP擴展到MCP，從而探索采用不同的多小區協作技術對通信性能的影響。我們可以把速率和功率關聯起來，根據得出的單元速率和單元間干擾因子之間的關系與單元間干擾因子和用戶到基站距離的關系，設計一種能效優化的用戶調度算法。致謝大學生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，當我寫完這篇畢業論文的時候，有一種如釋重負的感覺，感慨良多。本研究及學位論文是在我的導師葛老師的親切關懷和悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態度，嚴謹的治學精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。葛老師不僅在學業上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，在此謹向葛本論文的順利完成，離不開各位老師、同學和朋友的關心和幫助。在此感謝張靖老師，與張老師的交流給我帶來諸多啟迪；感謝向林、胡金鐘、杜曲、吳澤世師兄，楊曦師姐和同窗好友黃曦對我幫助和鼓勵；感謝通信0709班全體同學，有緣與他們一起學習、一起進步，一起繼續邁入人生嶄新的旅程，這將是人生中最美好的回憶！同時，我要深深地感謝我的父母，他們二十幾年如一日，為了支撐這個并不富裕的家庭，默默承受了很多不為人知的辛酸和苦楚，對兒女的成長付出了極大的心血。他們的關心和支持永遠是我的動力。我會銘記他們的養育之恩，鍥而不舍的不斷奮斗，報答他們。多少年之后，時光荏苒，閑暇之余翻閱舊箱底內破碎的文字，如果仍能有幸無意翻見今日殘存之致謝頁，終愿吾可會心一笑，一了今日默許的誓言。在此謹愿父母健康平安！最后，我要再一次真誠地感謝所有關心、支持和幫助過我的師長、親人和朋友們！感謝各位論文評審的專家學者們，對他們能在百忙之中審閱我的論文致以我最誠摯的謝意，并希望得到批評和指正！參考文獻[1] 黃載祿,殷蔚華,黃本雄.通信原理.北京:科學出版社，2007[2] 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