大规模分布式天线系统下行资源调度及MAC协议研究

Large-scale distributed antenna system (LDAS) is a new multiple antenna communication architecture that satisfies the ever-increasing high frequency efficiency, high energy efficiency and high transmission reliability demand of the future mobile communication in the background of fifth generation cellular network researches. We will study the LDAS from the perspective of radio resource management and medium access control protocol, and reveal the relations between the system capacity, protocol design and the distributed multi-antenna topology, transmission power, multi-user and frequency resources. Firstly, we will study the reliable downlink broadcast transmission of LDAS when the low-rank space time coding is used. Because of the distributed antenna topology of LDAS, the receive signal strength of different orthogonal space-time data stream is uneven in the coverage area, which increases the bit-error-rate. To solve this problem, we will study a stream-balanced grouping scheme, which balance the signal strength of different space-time data stream, to increase the reliability of downlink broadcasting. Secondly, we will study the downlink multi-user multiple-input multiple-output transmission of LDAS from the perspective of low complexity user selection algorithm design, in order to maximize the system capacity. Finally, to highlight the LDAS’s topology and physical transmission priority when running as a network, we will study the link layer of LDAS from the perspective of medium access control protocol design when used in indoor environment. The research will explore the performance potential of LDAS for the radio resource management and network protocol perspective. It will provide the theoretical and technologies support for the application of LDAS in the future generation mobile communication networks in China.

大规模分布式天线系统（LDAS）是5G研究背景下满足未来移动通信高频谱效率、高能量效率和高可靠性传输需求的一种新型多天线架构。本课题拟从LDAS的无线资源调度和媒体接入控制协议两个角度深入研究，揭示LDAS分布式的天线拓扑、传输功率、多用户和频谱等资源与系统容量及协议设计的内在联系。首先针对使用低阶空时编码的LDAS下行广播传输，研究基于平衡空时编码数据流分配的可靠下行广播传输，解决分布式天线拓扑下空时编码数据流接收功率不均匀带来的误码率升高问题。然后针对LDAS的下行多用户MIMO传输，研究以最大化系统容量为优化目标的服务用户集合的低复杂度选择算法。进一步，为了在组网运行中充分利用LDAS的拓扑特点及物理层传输优势，研究室内运用中LDAS数据链路层的媒体接入控制协议。本项目将分别从资源调度和网络协议两个角度挖掘LDAS的性能潜力，为我国未来移动通信中LDAS的应用提供理论依据和技术支撑。

大规模分布式天线系统（LDAS）通过光载无线等宽带低损耗链路将分散在不同地理位置上的几十甚至几百个远端天线单元连接到中心处理单元进行集中信号处理，它是5G研究背景下满足未来移动通信高频谱效率、高能量效率和高可靠性传输需求的一种新型多天线架构。本项目针对LDAS的媒体接入控制协议和无线资源管理展开了深入研究，重点研究了LDAS如何兼容现有无线局域网标准IEEE 802.11协议的问题、如何提升媒体介入控制效率的问题、如何提升能量效率的问题以及如何提升多用户选择效率的问题。具体而言，本项目的主要研究内容和成果有：（1）分析了IEEE 802.11协议的信标帧间隔等参数对LDAS网络性能影响，OPNET仿真表明信标帧间隔选择过大或者过小都会导致进入加入竞争阶段的节点数目增多，使得网络重传增加。（2）针对LDAS中直接使用IEEE802.11协议时边缘节点干扰严重的问题，设计了能够显著提高边缘节点性能的改进式点协调功能MAC协议（CRP-MAC）。OPNET仿真表明所提协议可以有效提升重叠区域节点的吞吐量并降低整体网络重传量。（3）针对LDAS架构下由于中心处理单元与远端天线单元之间距离远带来的协议效率降低的问题，设计了基于令牌的点协调功能MAC协议（TP-MAC）。TP-MAC基于一个高效的节点ID分配算法和载波侦听机制，使得LDAS可以大幅度降低用户冲突或媒体空闲的概率，仿真表明TP-MAC比IEEE802.11和预约分配时分多址协议都拥有更高的吞吐量性能。（4）针对LDAS中将使用的三种典型的混合自动重传请求协议，提出了使平均总功率最小化和中断概率最小化的最优功率分配问题的最优功率序列闭式解。根据最优功率序列闭合表达式，发现三种协议最优分配功率序列在目标中断概率小于某一与天线数目、重传次数和传输速率有关的门限时是单调递增的，且最优功率分配算法相对于等功率分配算法获得的增益随着目标中断概率的减小先减小然后增大。数值仿真结果表明最优功率分配序列可以有效提高LDAS HARQ协议的性能。（5）针对使用迫零波束成型预编码的LDAS下行多用户调度问题，基于有效信道增益提出了一种低复杂度的高性能多用户调度算法。数值仿真表明该算法以低复杂度获得了接近ZFS算法的总容量性能。在项目资助下发表论文6篇，其中SCI收录3篇，EI收录2篇；申请国家发明专利1项；培养博士生1名，硕士生2名。