基于分布式天线系统的绿色通信技术研究

The unprecedented expansion of wireline and wireless networks has resulted in increase in energy consumption and left a significant environmental footprint. Green communication technique introduces a novel solution that can bring about significant reductions in energy consumption for future mobile communication systems. In distributed antenna systems (DAS), the remote access units (RAUs) are distributed spatially over a large area and connected to the base station by fiber, fiber/coax cable, or microwave link. Since the distance between the user and the antenna is reduced, the DAS is expected to provide an efficient architecture easy to implement green communications. In this project, we will study the green communication theory and techniques for distributed antenna systems: firstly, using information theory, we will give the theoretical analysis of the energy efficiency of DAS, and show the trade off between energy efficiency and the spectral efficiency; secondly, we will propose some downlink transmission schemes for DAS to maximize the energy efficiency; we will also develop the enhanced DAS which has the capability of turning on/off the RAU; and then the complete green communication theory and technique systems of the DAS will be established. The results of this project will provide the theoretic foundation and technique support for future mobile communication systems and keep our first place in the research of DAS.

有线和无线网络规模的不断扩大带来了能源消耗的快速增长，并对环境产生了可观的影响。未来的移动通信系统需要采用绿色通信技术，降低能耗。在分布式天线系统中，多个远端接入单元被分散放置在不同的地理位置，它们之间通过使用光纤，混合光纤同轴电缆或无线与基站处理单元连接起来，从而构成一个广义小区。由于拉近了用户和基站天线之间的距离，分布式天线系统对创建绿色通信来说是一个很有应用前景的蜂窝架构。本项目将开展基于分布式天线系统的绿色通信理论与技术研究。首先运用信息论，对分布式天线系统的能量效率进行理论分析，揭示能量效率与频谱效率之间的折衷关系，其次提出了能量有效的下行传输方案，并推动分布式天线系统的演进，使其具有开关远端接入单元的功能，最终形成较为完整的基于分布式天线系统的绿色通信理论及技术体系。本项目的成果可为未来移动通信系统提供理论基础和技术支撑，并保持我国在分布式天线系统研究方面的领先地位。

绿色通信的核心问题之一是如何提高能量的利用效率。本项目运用信息论，推导了分布式天线系统能量效率的闭合表达式或其简洁而紧致的界，揭示了能量效率与频谱效率之间的折衷关系，并在最大化和速率、最小化总发射功率和最大化能量效率三种准则下提出了功率分配的最优方法。建立了涵盖分布式天线和集中式天线的统一系统模型，比较了它们在小区内和小区边缘的性能，并探索了如何根据能效优化分布式天线系统中RAU的位置。针对以能量效率作为目标函数时得到的是一个非凸非线性的组合优化问题，本项目提出了一套行之有效的优化策略，利用分式规划理论，将其转化为与之等价的减法形式，得到一个拉格朗日函数，然后利用次梯度等方法得到最优的结果。统一处理导频污染和相位噪声等问题，建立了非理想环境下的联合有效信道模型，推导出分布式天线系统的频谱效率表达式，揭示出非理想信道环境对系统容量的影响，并在此基础上设计了最优的导频序列，解决了信息获取的瓶颈问题。探索了分布式天线系统的演进架构，提出双向分布式通信网络以及RAU关断等方法，解决了未来通信中业务不对称等问题，提高了系统的能量效率。