基于定向天线的绿色智能分布式MIMO系统的构建方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103684562 A (43)申请公布日 2014.03.26 CN 103684562 A (21)申请号 201310656136.3 (22)申请日 2013.12.06 H04B 7/06(2006.01) H04W 16/18(2009.01) H04W 16/28(2009.01) H04W 52/02(2009.01) (71)申请人 河海大学 地址 210098 江苏省南京市西康路 1 号 (72)发明人 李岳衡 彭文杰 王莉 羌佳琳 付明浩 居美艳 谭国平 黄平 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32204 代理人 李。

2、玉平 (54) 发明名称 基于定向天线的绿色智能分布式 MIMO 系统 的构建方法 (57) 摘要 本发明公开一种基于定向天线的绿色智能分 布式MIMO系统的构建方法， 将发射角为90的扇 形定向天线应用于分布式 MIMO 系统中， 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 主处理单元对系统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 控制了系统功耗， 真正。

3、实现绿色、 智能通信。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书7页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103684562 A CN 103684562 A 1/1 页 2 1. 一种基于定向天线的绿色智能分布式 MIMO 系统的构建方法， 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。

4、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系统的构建方法， 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。

5、利要求1或2所述的基于定向天线的绿色智能分布式MIMO系统的构建方法， 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， 此时可以对系统进行重新规划 ； 当某区域内出现移动台申请服务时， 首先由系统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。

6、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， 系统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系统的构建方法， 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。

7、 ； 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系统性能要求的同时有效地控制系统功耗， 实现绿色 通信。 权 利 要 求 书 CN 103684562 A 2 1/7 页 3 基于定向天线的绿色智能分布式 MIMO 系统的构建方法 技术领域 0001 本发明涉及一种基于定向天线的绿色智能分布式 MIMO 系统的构建方法， 属于无 线通信系统技术领域。 背。

8、景技术 0002 MIMO 技术能够充分利用传统通信系统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系统的信道容量， 并极大地增强系 统信道可靠性。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） 及第 四代 （4G） 的移动通信系统中有着广阔的应用前景。 0003 分布式MIMO系统可以认为是为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， 增强系统可靠性。利用分布式 MIMO 系统灵活的组网方式、 有效的调度以及。

9、合 理的功率分配， 系统可以充分挖掘和利用空间资源， 提供更广的网络覆盖， 提高整个系统的 遍历容量和中断性能。 0004 虽然分布式MIMO系统具有诸多性能优势， 但关于分布式MIMO系统如何组网、 如何 进行系统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 系统 的研究还属于开放性课题。如何充分发挥分布式 MIMO 系统组网灵活的特点， 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 0005 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 系统的构建方法。 0006 技术方案 ： 一种基于定向天线。

10、的绿色智能分布式 MIMO 系统的构建方法， 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， 以保证系统内不 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。 0007 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。

11、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。 0008 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 说 明 书 CN 103684562 A 3 2/7 页 4 天线超负荷工作， 此时可以对系。

12、统进行重新规划。 0009 当某区域内出现移动台 （MS） 申请服务时， 首先由系统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 ： 0010 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， 系统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。 0011 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。

13、， 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。 0012 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系统性能要求的同时有效地控制 系统功耗， 实现绿色通信。。

14、 0013 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 系统的构建方法， 具有如下优点 ： 0014 一是将发射角为 90的扇形定向天线应用于分布式 MIMO 系统中， 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 系统灵活组网的特点， 提高无线通信 系统性能 ； 0015 二是将定向天线应用于分布式 MIMO 系统， 多根定向天线组成天线组， 应用于系统 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， 从而提高系统通信质量。 0016 三是有效的天线调度机制和天线功率分配方案， 使。

15、之能够有效地降低分布式 MIMO 系统基站侧的发送功率， 节约能耗。 附图说明 0017 图 1 为现有技术中一般全向性天线分布式 MIMO 系统的结构示意图 ； 0018 图 2 为本发明基于定向天线技术的绿色智能分布式 MIMO 系统示意图 ； 0019 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， 系统 重新进行规划的示意图 ； 0020 图4为本发明第二实施例中， 分布式MIMO系统为移动台提供语音或短信等简单服 务时， 系统的工作模式示意图 ； 0021 图5为本发明第二实施例中， 分布式MIMO系统为移动台提供类似于视频通话的多 媒体通信服务时， 系。

16、统的工作模式示意图。 具体实施方式 0022 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 说 明 书 CN 103684562 A 4 3/7 页 5 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。 0023 传统分布式 MIMO 系统基本模型如图 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， 极大地提高了整个系统的可靠性。 同时， 分开放置的基站充分利用了空间 复用， 为系统。

17、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， 而整个系统的无线资源调度、 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， 降低系 统复杂度， 同时缩短系统的响应时间， 提高系统服务质量。 0024 本发明设计的基于定向天线技术的绿色智能分布式 MIMO 系统通信架构示意图如 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。

18、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， 以保证系统内不会出现盲点， 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。 0025 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 ： 0026 如图 2 中涉及到的 9 个区域 （A1,A2,.,A9） 中， 在系统最初规划中， 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， 。

19、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。 0027 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。

20、需服务对系统要求不高， 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， 而是根据此时系统运行需要， 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。 0028 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， 增大系统遍历容量， 为移动。

21、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， 目的在于减小系统功耗。 0029 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 说 明 书 CN 103684562 A 5 4/7 页 6 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， 此时可以对系统进行重新规划。 0030 仍然以 A5区域为例， 如图 3 所示， 在。

22、 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， 保证了整个系统 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。

23、理单元会将新增加的基站设置为休眠状态。 0031 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。 0032 上述实施例同样可以应用于除 A5 以外的其他所有区域。 0033 这种根据不同区域内移动。

24、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 系统基站， 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 系统功耗的控制， 实现绿 色智能通信。 0034 本发明的第二实施例用来描述系统工作中， 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。

25、向上的两根定向天线组成一组天线组， 进行协同通信， 则 ： 0035 情形 1、 如图 4 所示， 当 A5区域内出现移动台 （MS） 申请服务时， 首先由系统判断移 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 ： 0036 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， 系统计算出此时四组定向天线组接收到的 信燥比 （SNR。

26、） ， 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。 0037 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 ： 说 明 书 CN 103684562 A 6 5/7 页 7 0038 0039 其中 ri,j(i=6,7,10,11， j=1,2) 表示 BSi中第 j 根定向天线上的接收信号， hi,j为 BSi中第 j 根定向天线与移动台之间的信道增益系数， zi,j表示高斯白噪声， 均值为 0， 方差 为 N0。 0040 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。

27、线组的接收信噪比 ： 0041 0042 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 6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， 系统采用空时分组码 （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。 0043 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。

28、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 ： 0044 表 1 语音或短信服务过程中， 定向天线与全向天线对系统干扰的理论对比 说 明 书 CN 103684562 A 7 6/7 页 8 0045 0046 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。

29、于分布式 MIMO 系统可以显著提高系统性能。 0047 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。 0048 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。 0049 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。

30、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系统性能要求的同时有效地控制系统功耗， 实 现绿色通信。 0050 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， 很好地抑制了对系统中其他区域内移动。

31、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。 0051 表 2 多媒体通信服务过程中， 定向天线与全向天线对系统干扰的理论对比 0052 0053 减小对系统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 。

32、MIMO 系统所需的发送功率更低， 即节约了 系统功耗， 真正实现绿色通信。 说 明 书 CN 103684562 A 8 7/7 页 9 0054 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。 005。

33、5 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 系统通信架构， 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， 系统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系统内的信号干扰， 极大地提高了通信质量。 说 明 书 CN 103684562 A 9 1/4 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103684562 A 10 2/4 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 103684562 A 11 3/4 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 103684562 A 12 4/4 页 13 图 5 说 明 书 附 图 CN 103684562 A 13 。