本发明涉及一种基于复合衰落信道的多小区环境下提高多小区分布式天线系统性能的网络侧通信方法，属于现代无线通信
技术领域：
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背景技术：
：随着全球通信技术的迅猛发展，通信环境也越来越复杂，现有的频谱资源变得尤为珍贵，如何在有限的频谱资源下提高频谱利用率，支持更快传输速率、更高可靠性以及更好服务质量的通信网络就成为无线通信一个重要的研究课题，其中在复杂的通信环境中采用何种有效的通信机制，将在提高通信系统性能方面起着至关重要的作用。4G时代的到来使得无线通信技术达到了一个历史性的高峰，从1G的模拟通信时代到如今的数字化4G通信，信息的无线下载和上传已经成为人们生活的必需，而对于通信模型的研究也从最初的单用户、单小区形式扩展到多用户、单小区形式，再到现如今的多小区蜂窝系统结构。也即在复杂的现代通信环境下，多小区蜂窝结构已发展成为现代无线通信领域中一种基础、通用的组网架构模式。当此模式应用在分布式多发送天线环境下时，与传统的独立单小区结构有所不同，由于需要考虑相邻小区间的同频干扰，所以需要对传统的通信收发机制进行分析与改进，也即需采用合理的通信机制才能有效地抑制小区间干扰，改善整个系统的性能。技术实现要素：针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种提高多小区分布式天线系统性能的网络侧通信方法，充分考虑相邻小区间干扰和高斯背景噪声，能够有效地抑制相邻小区间的同频干扰。为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：本发明的一种提高多小区分布式天线系统性能的网络侧通信方法，包括以下几个步骤：(1)在多小区场景下，假设多小区系统中存在N个小区，每个小区内存在M个网络侧天线端口，记作APi,j，表示小区i中第j个天线端口，其中i＝0,1，……N-1，j＝0,1，……M-1；以AP0,0为原点建立极坐标系，设极坐标为(ρ,θ)的移动台MS位于中心小区，即小区0，所有小区半径都为R，小区内的天线端口除了中心天线端口之外，其余的天线端口都均匀分布在半径为D的圆上；记天线端口APi,j的坐标为(ρi,j,θi,j)，AP0,0为原点，坐标(0,0)；(2)假设每个小区相同位置上的分布式天线端口采用同一组通信频率，即所有小区的网络侧天线端口APi,j使用同一频率fj；设天线端口APi,j与移动台第l根天线之间的信道复增益系数为hi,jl=gi,jlSi,j---(2)]]>其中，l＝0,1,...,L，其中L表示移动台配置的天线个数,表示天线端口APi,j与移动台第l根天线之间的小尺度衰落，服从衰落系数为mi,j的Nakagami分布，Si,j表示天线端口APi,j与移动台所有天线之间的大尺度衰落，服从对数正态分布，取对数后其均值为μi,j，标准差为σi,j，μi,j可表示为：μi,j＝10lg(d0/di,j)βdi,j>d0(3)上式中d0为参考距离，β为路径损耗指数，di,j表示移动台与天线端口APi,j之间的距离，在极坐标下，该距离表示为：di,j=ρ2+ρi,j2-2ρρi,jcos(θ-θi,j)---(4)]]>其中，ρ、θ分别表示移动台位置的极径和极角；当移动台处于通信状态时，其第l根天线接收到来自本小区的天线端口AP0,j的能量归一化信号x，以及相邻小区的干扰信号和噪声，则接收信号可以表示为：y0,jl=Eh0,jlx+EΣi=1N-1hi,jlxi+zl=Eg0,jlS0,jx+EΣi=1N-1gi,jlSi,jxi+zl---(9)]]>其中，E为所有天线端口的通信功率，第一项为有用信号，第二项为邻小区同频干扰信号，xi表示来自干扰小区i的能量归一化信号，zl表示均值为零、方差为N0的复高斯噪声；移动台第l根天线接收到来自天线端口AP0,j信号后，得到的信干噪比可以表示为：γjl=ES0,j|g0,jl|2EΣi=1N-1Si,j|gi,jl|2+N0---(10)]]>移动台采用最大比合并，合并后得到的来自预期天线端口AP0,j的接收信干噪比γj等于移动台各根天线上的接收信干噪比之和：γj=Σl=1Lγjl=Σl=1LES0,j|g0,jl|2EΣi=1N-1Si,j|gi,jl|2+N0---(11)]]>(3)在网络侧，选择使系统输出信干噪比最大的天线端口与移动台建立通信链路，因此将最终输出信干噪比γ表示为：γ＝max{γ0,γ1,...,γM-1}(12)其中，E/N0表示系统发送信噪比，依据上述表达式对公式(12)进行重写，系统输出信干噪比γS可以表示为：γS=maxj=0M-1{γj}=maxj=0M-1{Σl=1LS0,j|g0,jl|2Σi=1N-1Si,j|gi,jl|2+1E/N0}---(13)]]>本发明是在多小区环境中，采用复合衰落信道的同时，充分考虑小区间干扰和高斯背景噪声，通过选择通信机制以使得系统性能达到最优。选择通信模型即网络侧根据输出信干噪比选择某一个性能优异的天线端口与移动台建立通信，则可以大大提高天线端口利用率，且能有效抑制相邻小区间的同频干扰，符合绿色通信的发展趋势。附图说明图1为多小区分布式天线系统结构示意图；图2为多小区分布式天线系统全通信机制示意图；图3为多小区系统下两种通信机制对输出信干噪比的影响曲线图；图4为多小区系统输出信干噪比随移动台归一化距离变化曲线图；图5为多小区系统输出信干噪比随天线端口归一化距离变化曲线图；图6为本发明提出的提高多小区分布式天线系统性能的网络侧通信方法实现流程图。具体实施方式为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。本发明的实施例是在多小区场景下，假设多小区系统中存在7个小区，从0到6进行编号，每个小区内存在7个网络侧天线端口，记作APi,j，表示小区i中第j个天线端口，i＝0,1,...,6，j＝0,1,...,6。以AP0,0为原点建立极坐标系，如图1所示。设极坐标为(ρ,θ)的移动台MS位于中心小区，即小区0，所有小区半径都为R。小区内的天线端口除了中心天线端口之外，其余的天线端口都均匀分布在半径为D的圆上。记天线端口APi,j的坐标为(ρi,j,θi,j)，AP0,0为原点，坐标(0,0)，下面将基于此模型对两种不同的网络侧通信机制进行说明。第一种传统的通信机制是移动台所在小区内的所有天线端口都与移动台建立通信链接，也称为全通信机制，如图2和图6所示。在该通信机制下，小区i内所有天线端口与移动台之间的信道矩阵可以表示为：其中，表示天线端口APi，j与移动台第l根天线之间的信道复增益系数，i＝0,1,...,6，j＝0,1,...,6，l＝0,1,...,L。综合考虑Nakagami衰落、路径损耗和阴影衰落，可表示为：hi,jl=gi,jlSi,j---(2)]]>其中，表示天线端口APi,j与移动台第l根天线之间的小尺度衰落，服从衰落系数为mi,j的Nakagami分布，Si,j表示天线端口APi,j与移动台所有天线之间的大尺度衰落，服从对数正态分布，取对数后其均值为μi,j，标准差为σi,j，二者都以dB为单位，μi，j可表示为：μi,j＝10lg(d0/di,j)βdi,j>d0(3)上式中d0为参考距离，β为路径损耗指数，di,j表示移动台与天线端口APi,j之间的距离，在极坐标下，该距离表示为：di,j=ρ2+ρi,j2-2ρρi,jcos(θ-θi,j)---(4)]]>以下行链路为例，假设小区i内传输的信号向量为xi，可以记作：xi＝[xi,0,xi,1,...,xi,6]T(5)其中，[·]T表示对向量求转置，向量元素xi,j表示小区i内的天线端口APi,j向移动台传输的能量归一化信号。此时移动台上第l根天线接收到的信号为：yl=Eh0lx0+EΣi=16hilxi+zl=EΣj=06h0,jlx0,j+EΣi=16Σj=06hi,jlxi,j+zl---(6)]]>上述表达式中第一项表示移动台所在第0号小区内天线端口向其传输的信号，为有用信号；第二项为6个相邻小区内所有天线端口传输的信号，为干扰信号；zl表示移动台第l根天线上接收到的加性复高斯噪声，均值为零，方差为N0。所有天线端口的通信功率为E。在此全通信模型下，移动台上第l根天线接收到的信干噪比γl可以表示为：γl=EΣj=06S0,j|g0,jl|2EΣi=16Σj=06Si,j|gi,jl|2+N0---(7)]]>移动台在接收信号后采用最大比合并，最终得到的信干噪比γ等于每根天线上的接收信干噪比之和：γ=Σl=1Lγl=Σl=1LEΣj=06S0,j|g0,jl|2EΣi=16Σj=06Si,j|gi,jl|2+N0---(8)]]>第二种改进通信机制则是在网络侧根据输出信干噪比选择一个天线端口与移动台建立通信，这可称为选择通信机制。假设在本发明中所分析的多小区分布式天线系统中，每个小区相同位置上的分布式天线端口采用同一组通信频率，即所有小区的APi,j(i＝0,1,...,6)使用同一频率fj，则当所有天线端口处于工作状态时，6个邻小区中都会存在一个天线端口对移动台所在小区造成同频干扰。例如，当小区0中天线端口AP0,1以频率f1与移动台进行信息交互时，邻小区中AP1,1、AP2,1、AP3,1、AP4,1、AP5,1、AP6,1以同样的频率进行通信，就会对天线端口AP0,1及移动台造成同频干扰。这样的选通性设计相比于上述全通信机制能够有效地提高频谱利用率，降低相邻小区间的干扰。以下行信道为例，信道建模与全通信机制相同，天线端口APi,j与移动台第l根天线之间的信道复增益系数为其包含了Nakagami衰落、阴影衰落和路径损耗。当移动台处于通信状态时，其第l根天线接收到来自本小区的天线端口AP0,j的能量归一化信号x，以及相邻小区的干扰信号和噪声，接收信号可以表示为：y0,jl=Eh0,jlx+EΣi=16hi,jlxi+zl=Eg0,jlS0,jx+EΣi=16gi,jlSi,jxi+zl---(9)]]>其中，第一项为有用信号，第二项为邻小区同频干扰信号，xi表示来自干扰小区i的能量归一化信号，zl表示均值为零、方差为N0的复高斯噪声。移动台第l根天线接收到来自天线端口AP0,j信号后，得到的信干噪比可以表示为：γjl=ES0,j|g0,jl|2EΣi=16Si,j|gi,jl|2+N0---(10)]]>移动台采用最大比合并，合并后得到的来自预期天线端口AP0,j的接收信干噪比γj等于移动台各根天线上的接收信干噪比之和：γj=Σl=1Lγjl=Σl=1LES0,j|g0,jl|2EΣi=16Si,j|gi,jl|2+N0---(11)]]>在网络侧，主处理单元根据本小区内每个天线端口与移动台建立通信链接后对应的输出信干噪比进行判别，选择使系统输出信干噪比最大的天线端口与移动台建立通信链路，因此将最终输出信干噪比γ表示为：γ＝max{γ0,γ1,...,γ6}(12)其中，E/N0表示系统发送信噪比，依据上述表达式对公式(12)进行重写，则选择通信机制下，系统输出信干噪比γS可以表示为：γS=maxj=06{γj}=maxj=06{Σl=1LS0,j|g0,jl|2Σi=16Si,j|gi,jl|2+1E/N0}---(13)]]>为令两种通信机制有一个公平的比较，下面将在对全通信机制下进行功率调整后再与选择通信机制作对比。在传统的全通信机制下，每个天线端口的发送功率都为E，移动台所在的小区0中总共存在7个天线端口，即输出信干噪比消耗的功率为7E。而在改进的选择通信机制下，在小区中仅选择一个能够使系统输出信干噪比最大的天线端口与移动台建立通信链路并进行信号传输，即输出信干噪比所消耗的功率为E。显然，对两种通信进行进行对比，应保证系统总发送功率相同才有意义，因此需要对公式(8)做调整，将系统总功率设为E，每个天线端口等功率发送信号，即单个天线端口的发送功率降为E/7，此时全通信体制下，系统输出信干噪比记作γB，依据公式(8)得到：γB=Σl=1LE7Σj=06S0,j|g0,jl|2E7Σi=16Σj=06Si,j|gi,jl|2+N0=Σl=1LΣj=06S0,j|g0,jl|2Σi=16Σj=06Si,j|gi,jl|2+7(E/N0)---(14)]]>针对以上分析，可得如图3所示的系统输出信干噪比随发送信噪比E/N0变化的曲线。根据公式(13)和公式(14)分别得到选择通信机制曲线和功率调整后的全通信机制曲线。从图3结果可以看出：选择通信机制所得到的系统输出信干噪比，在相同“发送信噪比”值下全面优于传统全通信机制，故本发明提出的选择通信机制能够有效地抑制相邻小区间的同频干扰。在图4和图5中，横坐标变化值所表示的分别是移动台与天线端口的相对位置。我们将移动台距离极坐标原点的距离与小区半径的比值，即ρ/R定义为移动台归一化距离；而将小区0内天线端口所在同心圆半径与小区半径之比，即D/R定义为天线端口归一化距离。从图中仿真结果可以看出：不管移动台与天线端口的相对位置如何变化，选择通信机制总是能获得更高的输出信干噪比。这也进一步证明了选择通信机制要优于传统的全通信机制。综上所述，在多小区系统下由于相邻小区干扰的存在，选择合理有效的网络侧通信机制是必要的。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。当前第1页1 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