TD-LTE網絡 MIMO雙通道室內分布系統的設計研究

王玉磊

【摘要】 現階段，在現有室內分布覆蓋系統上改造實現TD-LTE的MIMO雙通道室內分布覆蓋，面臨改造成本較高、施工周期較長和物業協調難度較大等困難。本文通過建立一路合路、一路新建方式的MIMO雙通道室分系統模型，并基于該模型設計了組合優化的求解算法，為TD-LTE雙通道室分系統的智能化設計提供了一種新思路和解決方案。

【關鍵詞】 MIMO雙通道 TD-LTE 室內分布系統

隨著第四代移動通信技術的不斷發展，全球范圍內已開始大規模部署4G TD-LTE網絡。依據大量現網數據可以發現，高速下載業務的70%都是在室內進行的，因此，研究和規劃TD-LTE網絡的時候，室內分布覆蓋系統的建設和改造就變得十分重要。

為了保護通信運營商的前期投資，TD-LTE網絡的室內分布建設要盡量基于現有室內分布系統進行改造。 TD-LTE系統的一個重要技術是多天線技術，即MIMO技術。而現有的室分系統為單饋線系統，無法實現TD-LTE系統的MIMO特性，對TD-LTE系統的容量和傳輸速率都有很大影響。本文提出了一種基于一路合路/一路新建的MIMO雙通道室內分布系統模型，通過組合優化算法的求解，在保證TD-LTE室內分布系統雙通道功率平衡的前提下，實現了無源器件的組合成本最低、功率損耗最小的最優改造目標。

一、TD-LTE雙通道室內分布系統的數學模型

依據室內分布系統設計的基本規范需求，設計一路新建和一路合路的雙通道MIMO無源室內分布系統。以所合路天線口的實際功率為基礎，作為新建一路相應天線口的輸入功率，并限定兩個通道的每對MIMO天線功率差在一定范圍之內。根據工程應用經驗，兩條通道存在5dB功率差的時候會降低30%容量，兩條通道存在3dB功率差的時候會降低8%容量，因此本系統約束功率差在3dB以內。

1.1新建通道模型描述

新建通道共分四級模式，由主干和平層組成，主干處于一二級，平層處于三四級。以合路一路的天線布放位置和功率作為新建一路的輸入，并限制兩條通道的天線口功率差在3dB范圍內。一級和三級由若干功分器組成虛擬功分器，二級和四級則使用耦合器來對平層或天線分配功率。

1.2新建通道的數學模型

模型的輸入和已知條件為：合路一路信息（天線實際位置，功率）、室內基站信息（位置，輸出功率）、建筑物信息（層數，樓層高度）、耦合器、饋線、損耗、功分器類型。

模型變量：

其中，樓層總數k=1，2....，第i層天線總數i=1，2，...。Hi，k屬于相對比較復雜的公式。平層和主干中所有饋線和器件成本最小和實際上就是最低總成本。平層和主干中所有饋線和器件損耗功率最小，實際上就是最低總功率。MIMO雙通道平衡功率約束實際上就是合路一路和新建一路天線之間具備3dB范圍內的功率差，選擇性約束實際上就是說有且只有一種所有饋線和器件選擇，以此來確保具備良好的系統性能。

二、求解算法

本文主要依據電纜價格和成本以及功分器、耦合器等成本和價格建立符合情況的目標函數，并且上述模型主要就是有效優化組合目標中整數規劃現象，屬于一種線性特殊規劃形似，上述現象存在比較大解空間，很少Pareto最優解，以及復雜的尋優過程，依據模型設計過程中的實際特征，建立基于M2M種群分解策略算法，此算法可以確保具備多樣性的種群，準確發現有效解。M2M算法基本理念實際上就是分解復雜做目標優化問題形成一些相對比較簡單多目標子集來達到求解的目的，另外還可以有效解決上述問題。操作的時候，種群可以被分為很多子種群，每一個子問題都和一個子種群對應，利用相互協作的方式來對子種群求解子問題，以便于達到求解多目標優化問題的目的。M2M算法分解種群的時候主要應用方向向量，在目標向量空間中首先給出K個單位方向向量V1，V2，....VK，對方向向量以及個體夾角進行計算，個體需要適當分配到具備最小方向向量的方向向量夾角代表子區域中。基本計算M2M算法的步驟是：

第一步，初始化。種群初始化以后，適當分配把種群合理到K個子區域中，形成子種群P1，P2，...PK。

第二步，雜交變異。所有子區域中都會形成新個體。

第三步，選擇。在所有子區域中依據選擇策略合理選擇新子種群。

依據整數編碼形式來初始化種群個體，每一種元素實際上都代表一種饋線或者耦合器應用型號，假設需要確定n條饋線m個耦合器的類型，饋線、耦合器分別具備N、M種類型，個體右邊N個元素實際上就是相對應饋線位置類型，右邊M個元素實際上就是相對應耦合器位置類型。如果具備個體V個，V=（v1，v2，vm，...，vn），其中vi是整數，M≥vi≥1，當i大于m的時候，vi是第i-m條饋線類型，當i小于等于m的時候，vi是第i個耦合器類型。M2M算法框架方式分解種群十分有效并且簡單，僅僅只需要方向向量一組就能夠實際分解種群，從上述研究可以發現，更新子種群個體的時候可以依據不同選擇策略。

三、仿真實驗

本文主要應用M2M種群分解策略算法來提出模型計算，仿真實驗在Matlab2007B上實施，在實際設計室內分布系統設計應用上述算法，假設設計對象為八層樓宇，8、6、8、6、8、 6、8、8是第1～8層天線數目。設計中合理應用多目標優化計算方式，所以可以獲得Pareto最優解，即得出1個具有一定代表性的解的室內分布系統。

仿真結果顯示，任一樓層新建一路和合路一路天線之間均具備3dB以內的功率差，符合實際性能需求和成本優化的設計目標。

四、結束語

綜上所述，本文通過建立一路合路、一路新建方式的MIMO雙通道室分系統模型，并基于該模型設計了組合優化的求解算法，該模型和算法經仿真實驗，能夠有效解決TDLTE雙通道改造方案中性能和成本的優選問題，為TD-LTE雙通道室分系統的智能化設計提供了一種新思路和解決方案。

參 考 文 獻

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