CN103684562A - 基于定向天线的绿色智能分布式mimo***的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于定向天线的绿色智能分布式MIMO***的构建方法，将发射角为90°的扇形定向天线应用于分布式MIMO***中，打破传统的六角形蜂窝网络模式，提出一种新的网络规划方案，能有效地抑制基站侧的网络信号干扰。配合主处理单元对***内分布式基站及基站内各定向天线的独立的“休眠-激活”调度，本发明能够智能地满足覆盖区域内移动台的不同需求，随着需求的变化而改变激活状态下的定向天线数量，在充分满足所有移动台服务需求的前提下，有效地控制了***功耗，真正实现绿色、智能通信。

Description

基于定向天线的绿色智能分布式MIMO***的构建方法

技术领域

本发明涉及一种基于定向天线的绿色智能分布式MIMO***的构建方法，属于无线通信***技术领域。

背景技术

MIMO技术能够充分利用传统通信***中认为不利于无线传输的多径衰落特性，在不增加带宽和发送功率的前提下，成倍地提高无线通信***的信道容量，并极大地增强***信道可靠性。被认为是可以实现未来高速数据传输的关键技术之一，在第三代（3G）及***（4G）的移动通信***中有着广阔的应用前景。

分布式MIMO***可以认为是为MIMO技术走向应用而提出的一种网络架构及接入方式。各个分布式基站（BS）与主处理单元（MPU）之间通过光纤连接，可以有效地缩短无线链路的长度，增强***可靠性。利用分布式MIMO***灵活的组网方式、有效的调度以及合理的功率分配，***可以充分挖掘和利用空间资源，提供更广的网络覆盖，提高整个***的遍历容量和中断性能。

虽然分布式MIMO***具有诸多性能优势，但关于分布式MIMO***如何组网、如何进行***调度以及具体的天线使用都还没有建立统一的标准，所以关于分布式MIMO***的研究还属于开放性课题。如何充分发挥分布式MIMO***组网灵活的特点，极大限度地挖掘其性能优势，是接下来的主要工作。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于定向天线的绿色智能分布式MIMO***的构建方法。

技术方案：一种基于定向天线的绿色智能分布式MIMO***的构建方法，将覆盖区域划分为多个方形或接近方形的区域，在足够大的覆盖区域内的所有分布式基站都与同一个主处理单元相连；各分布式基站是由多个发射角为90°的扇形定向天线组成的天线组，各天线组至少由4个不同方向的定向天线组成，每根天线指向一个区域，以保证***内不会出现盲点，实现信号的全覆盖。根据各个区域的服务需求不同，可以增加特定方向上的定向天线数量。

在基站建设时，每个分布式基站处都配置足够多的定向天线，布网结束后，在正式运营时，仅部分定向天线会被激活，投入正常工作中，进行信号的接收、处理、发送等工作，另外一部分则处于休眠状态：仅监听移动台的服务请求，而不进行其他运作，以显著地降低功耗。当覆盖区域内的移动台数量增多或服务需求发生变化，导致原先被激活的定向天线工作负荷饱和时，主处理单元则会激活原本处于休眠状态的定向天线投入正常工作中。

当某区域内服务需求持续增长，简单地增加现有基站中定向天线数目仍然不足以满足区域内移动台需求增长时，即在所有基站定向天线都被激活，且满负荷工作情况下，仍然会有移动台的服务申请得到响应；或者区域内出现局部热点，使得某一个基站上的定向天线超负荷工作，此时可以对***进行重新规划。

当某区域内出现移动台（MS）申请服务时，首先由***判断移动台申请的服务类型，如果申请的是简单的语音或短信服务，则主处理单元为该移动台分配某一基站上的一组定向天线组为其提供服务。具体判别规则如下：

负责所述区域的分布式基站天线包括方形区域四个角上的四组定向天线组。根据移动台与四组定向天线组之间的导频信号，***计算出此时四组定向天线组接收到的信燥比（SNR），并进行判断，选择接收信噪比最大的那组定向天线组为移动台提供服务。

移动台申请的服务类型数据传输量较大，且对传输速度要求较高，例如视频通话等多媒体通信。此时，一组定向天线组并不能很好的满足移动台需求，需要两组甚至更多定向天线组协同通信。利用最大比合并技术计算出各自的接收信噪比并进行比较，选取两组接收信噪比最大的定向天线组与移动台建立通信链路，并进行协同通信。

在多组定向天线组协同通信时，采用功率受限注水定理（Water-Filling）进行功率分配，实现容量最大化。即为信道增益系数更大的信道分配更多的功率，而性能较差的信道则适当减少分配的功率，由于每根定向天线的功耗是受限的，因此所有信道上能够分配到的功率也是有上限的。这样的功率分配方案可以在满足***性能要求的同时有效地控制***功耗，实现绿色通信。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于定向天线的绿色智能分布式MIMO***的构建方法，具有如下优点：

一是将发射角为90°的扇形定向天线应用于分布式MIMO***中，打破传统蜂窝通信网络的小区规划方案，使之能够配合分布式MIMO***灵活组网的特点，提高无线通信***性能；

二是将定向天线应用于分布式MIMO***，多根定向天线组成天线组，应用于***各分布式基站中。配合适当的天线调度机制及功率分配方案，使之能够有效地减少基站间的相互干扰，从而提高***通信质量。

三是有效的天线调度机制和天线功率分配方案，使之能够有效地降低分布式MIMO***基站侧的发送功率，节约能耗。

附图说明

图1为现有技术中一般全向性天线分布式MIMO***的结构示意图；

图2为本发明基于定向天线技术的绿色智能分布式MIMO***示意图；

图3为本发明第一实施例中，在布网结束后，根据区域内移动台情况的变化，***重新进行规划的示意图；

图4为本发明第二实施例中，分布式MIMO***为移动台提供语音或短信等简单服务时，***的工作模式示意图；

图5为本发明第二实施例中，分布式MIMO***为移动台提供类似于视频通话的多媒体通信服务时，***的工作模式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

传统分布式MIMO***基本模型如图1所示，分布式基站放置在不同的地理位置，与主处理单元之间通过光纤连接，即用光纤信道代替部分无线信道，缩短了移动台与基站之间的接入距离，极大地提高了整个***的可靠性。同时，分开放置的基站充分利用了空间复用，为***提供了宏分集增益。分布式基站本身带有一定的数据处理能力，可以独立地完成数据信号的接收与发送等工作，而整个***的无线资源调度、功率分配、天线选择等工作由所属的主处理单元负责。这样的设计可以有效地减少主处理单元的数据处理量，降低***复杂度，同时缩短***的响应时间，提高***服务质量。

本发明设计的基于定向天线技术的绿色智能分布式MIMO***通信架构示意图如图2所示，与传统六角形蜂窝网络不同，本发明将覆盖区域划分为多个方形或接近方形的区域，在足够大的覆盖区域内的所有分布式基站都与同一个主处理单元相连。方形区域的大小可以根据所在区域内移动台数量及移动台所需服务类型的不同进行灵活的调整与分割。图中各分布式基站是由多个发射角为90°的扇形定向天线组成的天线组，基于本发明中所做的区域划分，各天线组至少由4个不同方向的定向天线组成，每根天线指向一个区域，以保证***内不会出现盲点，实现信号的全覆盖。根据各个区域的服务需求不同，可以增加特定方向上的定向天线数量。

本发明提供的第一实施例用来体现本发明的灵活组网特点：

如图2中涉及到的9个区域（A₁,A₂,...,A₉）中，在***最初规划中，每个区域边长设定为400米，在基站建设时，每个分布式基站处都配置足够多的定向天线，布网结束后，在正式运营时，仅部分定向天线会被激活，投入正常工作中，进行信号的接收、处理、发送等工作，另外一部分则处于休眠状态：仅监听移动台的服务请求，而不进行其他运作，以显著地降低功耗。当覆盖区域内的移动台数量增多或服务需求发生变化，导致原先被激活的定向天线工作负荷饱和时，主处理单元则会激活原本处于休眠状态的定向天线投入正常工作中。

以A₅区域为例，在网络建设时，每个分布式基站处，四个方向上的定向天线数目都为多根，即BS₆、BS₇、BS₁₀、BS₁₁处指向A₅区域的定向天线数目都为多根，但在最初运营时，A₅区域内的移动台数目不多，且所需服务对***要求不高，则主处理单元并不会将全部指向该区域的定向天线全都激活，而是根据此时***运行需要，每个基站仅激活一根对应的定向天线，其他都保持休眠状态。

当某一段时期里，A₅区域内移动台数量持续保持在一个较高水平，或者该区域内移动台所需服务变更为数据量传输较大的多媒体通信服务，导致原本处于激活状态的定向天线持续保持在满负荷工作状态，甚至超负荷工作，则主处理单元将依据服务需求，激活BS₆、BS₇、BS₁₀、BS₁₁处指向A₅区域方向的原本处于休眠状态的部分或全部定向天线，利用传统集中式MIMO技术的相关技术，增大***遍历容量，为移动台提供高质量的通信服务。当A₅区域内移动台数目或服务需求再次恢复到之前的水平时，主处理单元会再次将原先因需求变化而被激活的定向天线恢复到休眠状态，目的在于减小***功耗。

当该区域内服务需求持续增长，简单地增加现有基站中定向天线数目仍然不足以满足区域内移动台需求增长时，即在所有基站定向天线都被激活，且满负荷工作情况下，仍然会有移动台的服务申请得到响应；或者区域内出现局部热点，使得某一个基站上的定向天线超负荷工作，此时可以对***进行重新规划。

仍然以A₅区域为例，如图3所示，在P₀、P₁、P₂、P₃、P₄处设置新的基站，在P₀处放置的定向天线分别指向BS₆、BS₇、BS₁₀、BS₁₁所在方向；在P₁处放置的定向天线分别指向P₂和P₄；在P₂处放置的定向天线分别指向P₁和P₃；在P₃处放置的定向天线分别指向P₂和P₄；在P₄处放置的定向天线分别指向P₁和P₃，同时所有新增加的天线仍然都与主处理单元相连，从而将A₅区域重新划分为四块小区域，达到分散移动台服务需求的效果，保证了整个***的有效工作，提供高质量的通信服务。新增加的定向天线仍会采取休眠-激活机制，即当服务需求降低到较低水平时，主处理单元会将新增加的基站设置为休眠状态。

每个新设置的基站都是可以独立工作的，并不是同时激活或同时休眠，原本规划的基站同样如此。例如在A5区域内，如图3所示，如果用户仅出现在右下角的四分之一区域内，则主处理单元可以只激活P0位置上指向BS11的定向天线、P4位置上指向P3方向的定向天线、BS11位置上指向P0方向的定向天线以及P3位置上指向P4方向的定向天线中的全部或部分定向，为移动台提供通信服务，区域内的其他定向天线则可以设置为休眠状态。

上述实施例同样可以应用于除A5以外的其他所有区域。

这种根据不同区域内移动台差异化的分布情况及服务需求，灵活地变化定向天线数量和方向图指向，合理地配置分布式MIMO***基站，可以有效地满足实际应用过程中不断变化的通信需求。而休眠-激活机制的应用使得主处理单元能够依据小区移动台状况对分布式基站实现智能、自主的配置，从而实现对整个分布式MIMO***功耗的控制，实现绿色智能通信。

本发明的第二实施例用来描述***工作中，主处理单元调度各分布式基站定向天线为移动台提供服务的过程，并介绍这种设计在节约功耗及降低噪声方面的优势。每个分布式基站上配置多根方向各异的定向天线，假设每个方向上处于激活状态的定向天线数量为两根，相同方向上的两根定向天线组成一组天线组，进行协同通信，则：

情形1、如图4所示，当A₅区域内出现移动台（MS）申请服务时，首先由***判断移动台申请的服务类型，如果申请的是简单的语音或短信服务，则主处理单元为该移动台分配某一基站上的一组定向天线组为其提供服务。具体判别规则如下：

负责A₅区域的分布式基站天线包括BS₆中指向右下角的定向天线组，BS₇中指向左下角的定向天线组，BS₁₀中指向右上角的定向天线组和BS₁₁中指向左上角的定向天线组。根据移动台与四组定向天线组之间的导频信号，***计算出此时四组定向天线组接收到的信燥比（SNR），并进行判断，选择接收信噪比最大的那组定向天线组为移动台提供服务。

假设导频信号x，信号功率为P，则八根定向天线接收到的信号分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{6,1}}=h_{\mathrm{6,1}}x+z_{\mathrm{6,1}}\\ r_{\mathrm{6,2}}=h_{\mathrm{6,2}}x+z_{\mathrm{6,2}}\\ r_{\mathrm{7,1}}=h_{\mathrm{7,1}}x+z_{7,1}\\ r_{\mathrm{7,2}}=h_{\mathrm{7,2}}x+z_{\mathrm{7,2}}\\ r_{\mathrm{10,1}}=h_{\mathrm{10,1}}x+z_{\mathrm{10,1}}\\ r_{\mathrm{10,2}}=h_{\mathrm{10,1}}x+z_{\mathrm{10,2}}\\ r_{\mathrm{11,1}}=h_{\mathrm{11,1}}x+z_{\mathrm{11,1}}\\ r_{\mathrm{11,2}}=h_{\mathrm{11,2}}x+z_{\mathrm{11,2}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中r_i,j(i=6,7,10,11，j=1,2)表示BS_i中第j根定向天线上的接收信号，h_i,j为BS_i中第j根定向天线与移动台之间的信道增益系数，z_i,j表示高斯白噪声，均值为0，方差为N₀。

在各定向天线接收信号之后，各组定向天线组之间采用最大比合并（MRC）技术对信号进行处理，计算得到每组定向天线组的接收信噪比：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_6=\frac{({\left|h_{\mathrm{6,1}}\right|}^2+{\left|h_{6,2}\right|}^2)P}{N_0}\\ {\mathrm{\γ}}_7=\frac{({\left|h_{\mathrm{7,1}}\right|}^{\text{2}}+{\left|h_{\mathrm{7,2}}\right|}^2)P}{N_0}\\ {\mathrm{\γ}}_{10}=\frac{({\left|h_{\mathrm{10,1}}\right|}^2+{\left|h_{\mathrm{10,2}}\right|}^2)P}{N_0}\\ {\mathrm{\γ}}_{11}=\frac{({\left|h_{\mathrm{11,1}}\right|}^2+{\left|h_{\mathrm{11,2}}\right|}^2)P}{N_0}\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据计算得到的定向天线接收信噪比，选择能够获得最大接收信噪比的定向天线组与移动台建立通信链路，并提供高速流畅的通信服务。例如γ₆最大，则BS₆上的定向天线组与移动台进行通信。由于此时的服务类型对容量要求并不高，且一组定向天线组所能提供的信噪比足够保证中断性能，所以，***采用空时分组码（STBC）技术，以保证通信过程中的误码率保持在足够低的水平，例如经典的Alamouti码。

当BS₆上被选中的定向天线组与移动台进行通信时，从理论上讲，发送的下行信号只会传播到A₅、A₆、A₈、A₉区域，从而对这四个区域内的移动台和8个分布式基站中的8组处于激活状态的定向天线组造成干扰，导致相应的接收信干燥比（SINR）降低。如果将图中所有定向天线换成传统的全向天线，则图中所有区域内的移动台和基站天线都将受到干扰。具体对比数据如表1所示：

表1语音或短信服务过程中，定向天线与全向天线对***干扰的理论对比

在实际应用中，一般来讲，方向性天线的发送功率都较低，影响A₆、A₈、A₉的情况是很少的，可以认为此时的下行信号只局限在A5区域。由此可见，将定向天线应用于分布式MIMO***可以显著提高***性能。

情形2、移动台申请的服务类型数据传输量较大，且对传输速度要求较高，例如视频通话等多媒体通信。此时，一组定向天线组并不能很好的满足移动台需求，需要两组甚至更多定向天线组协同通信。

如图5所示，与情形1一样，BS₆、BS₇、BS₁₀、BS₁₁上四组激活的定向天线组接收导频信号，利用最大比合并技术计算出各自的接收信噪比并进行比较，选取两组接收信噪比最大的定向天线组与移动台建立通信链路，并进行协同通信。

由于此时移动台申请的服务类型对信道容量要求较高，信道容量与接收信噪比密切相关，而空时分组码技术被证明在提高接收信噪比方面并无优势，所以本发明提出在多组定向天线组协同通信时，采用功率受限注水定理（Water-Filling）进行功率分配，实现容量最大化。即为信道增益系数更大的信道分配更多的功率，而性能较差的信道则适当减少分配的功率，由于每根定向天线的功耗是受限的，因此所有信道上能够分配到的功率也是有上限的。这样的功率分配方案可以在满足***性能要求的同时有效地控制***功耗，实现绿色通信。

当BS₁₀和BS₁₁上的两组激活的定向天线组被选中与移动台进行通信时，在满足移动台通信需求的同时，很好地抑制了对***中其他区域内移动台和分布式基站的信号干扰。表2给出了相同情况下，采用定向天线与全向天线之，在信号干扰方面的理论对比数据，与情形1中的分析相同，考虑到定向天线的实际功率，实际干扰会远远小于理论值。

表2多媒体通信服务过程中，定向天线与全向天线对***干扰的理论对比

减小对***中其他区域内基站或移动台的信号干扰具有重要意义：在相同的发送功率配置下，由于信号干扰减少，在这些区域内的基站或移动台能够获得更大的信干燥比，进而获得更大的信道容量、更优的中断性能，甚至更低的误码率。或者说，在达到相同的性能指标时，本发明设计的基于定向天线的分布式MIMO***所需的发送功率更低，即节约了***功耗，真正实现绿色通信。

结合本发明中的第一实施例与第二实施例，本发明的调度原则体现为：首先充分调用处于激活状态的定向天线为移动台提供服务；当所有激活的定向天线仍然满足不了移动台需求时，主处理单元会依次激活处于休眠状态的定向天线，直至所有处于休眠状态的定向天线都被激活；如果移动台服务需求仍持续增长，再按照需要新增分布式基站。在本发明中，被调用的定向天线数量不同，则相应的收发机制、编解码技术都会有相应的变化，真正实现智能通信。

由以上对本发明及其实施例的描述不难看出：本发明提出的基于定向天线技术的绿色智能分布式MIMO***通信架构，网络布局简单，可以根据实际的通信需求变化，灵活地组网。运营过程中，***能够根据移动台的服务类型进行天线数目及功率的自适应调度与分配，在充分满足移动台服务需求前提下，严格控制了基站侧定向天线的发送功率。同时，定向天线的使用有效降低了***内的信号干扰，极大地提高了通信质量。

Claims (4)

1.一种基于定向天线的绿色智能分布式MIMO***的构建方法，其特征在于：

将覆盖区域划分为多个方形或接近方形的区域，在覆盖区域内的所有分布式基站都与同一个主处理单元相连；各分布式基站是由多个发射角为90°的扇形定向天线组成的天线组，各天线组至少由4个不同方向的定向天线组成，每根天线指向一个区域；根据各个区域的服务需求不同，可以增加特定方向上的定向天线数量。

2.如权利要求1所述的基于定向天线的绿色智能分布式MIMO***的构建方法，其特征在于：在基站建设时，每个分布式基站处都配置足够多的定向天线，布网结束后，在正式运营时，仅部分定向天线会被激活，投入正常工作中，进行信号的接收、处理、发送工作；另外一部分则处于休眠状态：仅监听移动台的服务请求，而不进行其他运作；当覆盖区域内的移动台数量增多或服务需求发生变化，导致原先被激活的定向天线工作负荷饱和时，主处理单元则激活原本处于休眠状态的定向天线投入正常工作中。

3.如权利要求1或2所述的基于定向天线的绿色智能分布式MIMO***的构建方法，其特征在于：当某区域内服务需求持续增长，简单地增加现有基站中定向天线数目仍然不足以满足区域内移动台需求增长时，即在所有基站定向天线都被激活，且满负荷工作情况下，仍然会有移动台的服务申请得到响应；或者区域内出现局部热点，使得某一个基站上的定向天线超负荷工作，此时可以对***进行重新规划；

当某区域内出现移动台申请服务时，首先由***判断移动台申请的服务类型，如果申请的是简单的语音或短信服务，则主处理单元为该移动台分配某一基站上的一组定向天线组为其提供服务；具体判别规则如下：

负责所述区域的分布式基站天线包括方形区域四个角上的四组定向天线组；根据移动台与四组定向天线组之间的导频信号，***计算出此时四组定向天线组接收到的信燥比，并进行判断，选择接收信噪比最大的那组定向天线组为移动台提供服务。

4.如权利要求3所述的基于定向天线的绿色智能分布式MIMO***的构建方法，其特征在于：移动台申请的服务类型数据传输量较大，且对传输速度要求较高，此时，一组定向天线组并不能很好的满足移动台需求，需要两组甚至更多定向天线组协同通信；利用最大比合并技术计算出各自的接收信噪比并进行比较，选取两组接收信噪比最大的定向天线组与移动台建立通信链路，并进行协同通信；

在多组定向天线组协同通信时，采用功率受限注水定理进行功率分配，实现容量最大化；即为信道增益系数更大的信道分配更多的功率，而性能较差的信道则适当减少分配的功率，由于每根定向天线的功耗是受限的，因此所有信道上能够分配到的功率也是有上限的；这样的功率分配方案可以在满足***性能要求的同时有效地控制***功耗，实现绿色通信。

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