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(yè)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(yōu)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(fā)展，全球范圍內已開始大規(guī)模部署4G TD-LTE網絡。依據大量現網數據可以發(fā)現，高速下載業(yè)務的70%都是在室內進行的，因此，研究和規(guī)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(yōu)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(yōu)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(guī)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(yōu)化組合目標中整數規(guī)劃現象，屬于一種線性特殊規(guī)劃形似，上述現象存在比較大解空間，很少Pareto最優(yōu)解，以及復雜的尋優(yōu)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(fā)現有效解。M2M算法基本理念實際上就是分解復雜做目標優(yōu)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(yōu)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(qū)域中?；居嬎鉓2M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(qū)域中，形成子種群P1，P2，...PK。

第二步，雜交變異。所有子區(qū)域中都會形成新個體。

第三步，選擇。在所有子區(qū)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(fā)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(yōu)化計算方式，所以可以獲得Pareto最優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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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