CN101267249A - 分布式无线通信系统中天线选择方法、终端及网络侧设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，公开了一种分布式无线通信系统中天线选择方法、终端及网络侧设备，使得在网络侧接收机总复杂度合理且虚拟小区信号质量较好的情况下，减少终端的发射功率。本发明中，网络侧在其接收机总复杂度和虚拟小区信号质量满足预设条件的前提下，为移动终端虚拟小区选择最大的天线数目，通过尽可能多的天线接收该移动终端的信号，从而在不影响该移动终端的通信质量的情况下，降低该移动终端的发射功率。可以将该虚拟小区中天线数目加1后的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，比上该虚拟小区中只有一根天线时总信干比与网络侧接收机总复杂度的比值，在得到的结果大于预设比例门限的情况下，选择最大的天线数目。

Description

分布式无线通信系统中天线选择方法、终端及网络侧设备

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及分布式无线通信系统中的天线选择技术。

背景技术

传统的无线通信系统主要采用集中式处理结构，即小区中的所有移动终端信号均发送到中心基站集中处理，然后由核心网络统一交换。因此，基站的数据处理容量大，容易发生故障。

为了更好地适应未来无线通信技术和业务的发展，电气电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，简称“IEEE”)发布的相关文献上提出了分布式无线通信系统(Distributed Wireless CommunicationSystem，简称“DWCS”)。DWCS是一种新型的通信网络结构，它主要分为4个层次。第1层是分布式天线网络，其天线分布在地面的不同位置，用于发送和接收来自移动终端的信号。在DWCS中，分布式天线对无线信号只完成功率放大和光电转换等最简单的功能。第2层是分布式光纤网络，用于完成分布式天线和分布式处理系统之间的信号传输。第3层是分布式处理网络，每个处理节点分布在不同的位置，完成对无线信号的一项或多项处理功能。处理节点之间相互通信，协调工作任务，共同完成物理层和链路层的功能。第4层是分布式核心网络，网络节点分布在不同的地理位置上，甚至可以是Internet的节点。网络节点主要完成数据交换、路由、安全认证以及相关数据访问等功能。可以认为，分布式网络相当于传统无线通信系统中的核心网络。

在此网络构架基础上，之后又有文献提出了一种未来公共无线接入体系结构，该结构将DWCS中的无线接入部分划为三个层次：分布式天线、分布式信号处理和分布式高层控制，如图1所示。其中，分布式天线装有收发信机，完成射频(Radio Frequency，简称“RF”)与中频(Intermediate Frequency，简称“IF”)的转换，不进行基带信号处理；分布式信号处理层进行所有关于无线接入的信号处理功能，其中的分布式处理中心是由许多并行的工作站组成，相互间有高速数据交换，如图2所示，每个处理中心负责一定数目的天线；分布式高层控制属于一个逻辑层，可与信号处理在同一平台上进行，该层进行所有高层协议控制，包括所有信令、切换、移动性管理等。

基于DWCS，IEEE还提出了虚拟小区(Virtual Cell简称“VC”)和虚拟基站(Virtual Base Station，简称“VBS”)的概念。VC是某个移动终端信号所能到达的范围内的一组分布式天线。它是以移动终端为中心的，每个移动终端都有自己的VC，VC中包含的天线随移动终端的移动或环境的变化而改变。由于某个区域内对移动终端信号的处理功能不再属于某一个处理器，因而引入了VBS的概念，一个VBS的功能可能是由几个处理器共同完成的。

DWCS具有以下特点：一是分布性。各个功能节点按照需要分布在不同的地理位置，简化工程实现难度。二是开放性。在DWCS基本结构上可以实现现有的和可预见未来的协议和技术，并可充分利用有线网络技术。三是无缝覆盖。在DWCS中可以灵活地设置天线和控制不同天线上的收发信号，实现空间的无缝覆盖。四是灵活性。可采用软件无线电技术实现分布式处理系统，从而灵活地实现不同地无线传输体制。五是无需快速切换。由于虚拟小区随着移动终端动态改变，所以不需要快速切换。六是发射功率极小。由于分布式天线与移动终端间的距离很近，因此所需的发射功率非常小。七是规模可控性。DWCS的规模，包括分布式天线数目和处理器数目，能够灵活配置以最小化成本。

与移动蜂窝系统中的切换相对应，在DWCS中，移动终端在移动时需要重新选择天线形成VC。现有技术一采用了天线静态选择(Antenna Static Selection，简称“ASS”)方法，即每个移动终端任何时候均选择固定数目的天线构成自己的VC。

将移动终端到天线k的路径损耗表示为PL_k，单位dB，即

PL_k＝n10log₁₀(d_k)+y_k(1)

公式(1)中，d_k表示移动终端到天线的距离，n为路径衰减指数，y_k表示阴影衰落，单位dB。移动终端的发射信号通过m根天线接收并进行最大比合并(Maximal Ratio Combining简称“MRC”)后的平均路径损耗为

$\stackrel{\‾}{\mathrm{PL}}=10{\log }_{10}(1/\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{10}^{{\mathrm{PL}}_k/10}})---\left(2\right)$

分别选择通信天线数2、4、9、16进行仿真，发现随着天线数的增加，带来的路径损耗增益逐渐不明显。4根天线比2根带来最大4dB的增益，9根天线比4根天线带来最大1dB的增益，而16根天线比9根天线带来的最大增益不到1dB。从而现有技术一中认为：4根天线已经能够提供很好的性能，所以建议采用的最大通信天线数为4。

然而在现有技术一中，系统天线的使用效率并不高。因为在干扰受限的环境中，不同移动终端所需要的天线数是不同的，即使对同一移动终端而言，在系统负载不同的情况下，所需的天线数也是不同的。简单地选用相同数目的天线，必然使系统天线的使用效率下降。并且不能在系统性能与成本之间进行优化。

为了提高系统天线的使用效率，现有技术二在DWCS网络结构下，提出了一种基于E_b/I₀的天线动态选择(Antenna Dynamic Selection，简称“ADS”)方法。通过该方法，采用码分多址(Code Division Multiple Access，简称“CDMA”)技术的DWCS中虚拟小区的天线数目可动态确定。

其系统模型如下：设DWCS中有M根分布式天线和K个移动终端，每个移动终端均为单天线。对于DWCS上行链路，移动终端的发射信号被该移动终端的虚拟小区中所有天线接收，然后经过传统的匹配滤波后进行MRC处理。

该系统模型中采用平坦复合衰落信道，设h_i，j表示第j个移动终端与第i个虚拟小区中所有天线间的信道增益矢量，即

$h_{i,j}={[h_{i,j}^1,\·\·\·,h_{i,j}^l,\·\·\·,h_{i,j}^L]}^T---\left(3\right)$

公式(3)中，d_i，j ^l表示第j个移动终端与第i个虚拟小区中的第l根天线之间的信道增益，即

$h_{i,j}^l=\sqrt{{\left(d_{i,j}^l\right)}^{-\mathrm{\α}}}{\mathrm{\β}}_{i,j}^l,l=1,\·\·\·,L---\left(4\right)$

公式(4)中，d_i，j ^l表示第j个移动终端与第i个虚拟小区中的第l根天线之间的距离；α表示路径损耗指数；β_i，j ^l是一个复随机变量，表示相应路径的幅度衰落，其模值|β_i，j ^l|服从瑞利分布。该瑞利分布的均方值又服从均值为0、方差为σ_s ²的对数正态分布。

主要采用了一个基于功率平衡准则的简单功率控制方案。

设 ${\mathrm{\α}}_i=\max \{{\left|h_{i,i}^1\right|}^2,\·\·\·,{\left|h_{i,i}^l\right|}^2,\·\·\·,{\left|h_{i,i}^L\right|}^2\}---\left(5\right)$

则第i个移动终端的发射功率为

p_i＝p₀/α_i，i＝1，…，K    (6)

其中，p₀是系统设定的一个常量值。

设(E_b/I₀)_T表示中断门限E_b/I₀。该ADS方法的主要思想描述如下：

首先在步骤1中，将第i个虚拟小区所包含的天线数L设为1，即对第i个移动终端而言，首先选择信道增益最好的那根天线加入到该移动终端的虚拟小区中。

然后在步骤2中，计算该虚拟小区总的(E_b/I₀)_i，其公式为

${(E_b/I_0)}_i=\frac{{\mathrm{Np}}_i{\left|\right|h_{i,i}^{*}{h}_{i,i}\left|\right|}^2}{\underset{j=1,j\≠i}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j{\left|\right|h_{i,i}^{*}{h}_{i,j}\left|\right|}^2}=\frac{N{\left|\right|h_{i,i}^{*}{h}_{i,i}\left|\right|}^2/{\mathrm{\α}}_i}{\underset{j=1,j\≠i}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|h_{i,i}^{*}{h}_{i,j}\left|\right|}^2/{\mathrm{\α}}_j}---\left(7\right)$

公式(7)中，N为处理增益，P_i为第i个移动终端的发射功率。

接着进入步骤3，对(E_b/I₀)_i进行判断，如果(E_b/I₀)_i≥(E_b/I₀)_T，则进入步骤4，设置该虚拟小区的天线数目为L，退出；否则，转入步骤5。

在步骤5中，L增加1，即再选择第L根信道增益最好的天线加入到该虚拟小区中，然后返回步骤2，进行循环。

将该算法记为ADS I，通过该算法最终选定的天线数记为(L_i)_ADSI。DWCS中基于Eb/I0的ADS运算方法(A Class of Antenna Dynamic Selection AlgorithmBased on Eb/I0 in DWCS)还对此算法的改进，在该算法的基础上设定了系统允许的天线数目上限，称为ADSII算法，即：

(L_i)_ADS∏＝min{(L_i)_ADSI，L_m}(8)

其中，L_m由系统设定，即为系统设定的天线数上限。

上述方法是在移动终端发射功率给定时，尽量选择最少的天线数目，以使系统成本最小化。然而尽可能减少天线数目会使得对移动终端的发射功率一直持续在较高的程度上。而在未来的移动通信中，用户则更加看重移动终端的辐射对人体的伤害，同时也要求移动终端的待机时间尽可能长。显然，移动终端的高发射功率使得其不能满则用户的这些要求。

发明内容

本发明各实施方式要解决的主要技术问题是提供一种分布式无线通信系统中天线选择方法、终端及网络侧设备，使得在虚拟小区信号质量较好、网络侧接收机总复杂度合理的情况下，减少终端的发射功率。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种分布式无线通信系统中天线选择方法，包含以下步骤：

根据移动终端虚拟小区的至少两个可能的天线数目分别确定该天线数目对应的虚拟小区信号质量和总复杂度；

在信号质量和总复杂度满足预设条件的各天线数目中，选择最大的一个作为该虚拟小区的天线数目；

如果该虚拟小区通过选定数目的天线收到的信号质量大于预设门限，则该移动终端降低其终端发射功率。

其中，信号质量由虚拟小区各天线接收的信干比经最大比合并后的总信干比表示。该预设条件为：将虚拟小区中天线数目加1后的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，比上该虚拟小区天线数目为1时的总信干比与网络侧接收机总复杂度的比值，得到的结果大于预设比例门限。

本发明的实施方式还提供了一种网络侧设备，包含：

计算单元，用于根据移动终端虚拟小区的至少两个可能的天线数目分别确定该天线数目对应的虚拟小区信号质量和总复杂度；

天线数目选择单元，用于在计算单元确定的信号质量和总复杂度满足预设条件的各天线数目中，选择最大的一个作为该虚拟小区的天线数目；

功控单元，用于在该虚拟小区通过天线数目选择单元选定数目的天线收到的信号质量大于预设门限时，通知该移动终端降低其终端发射功率。

本发明的实施方式还提供了一种移动终端，包含：

计算模块，用于根据移动终端虚拟小区的至少两个可能的天线数目分别确定各天线数目对应的虚拟小区信号质量和总复杂度；

天线数目选择模块，用于在计算单元确定的信号质量和总复杂度满足预设条件的各天线数目中，选择最大的一个作为该虚拟小区的天线数目；

功控模块，用于在该虚拟小区通过天线数目选择模块选定数目的天线收到的信号质量大于预设门限时，降低该移动终端的射功率。

本发明各实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

在网络侧接收机总复杂度和虚拟小区信号质量满足预设条件的前提下，为移动终端虚拟小区选择最大的天线数目，通过尽可能多的天线接收该移动终端的信号，从而在不影响该移动终端的通信质量的情况下，降低该移动终端的发射功率(即减小该移动终端的辐射)，增加其待机时间。

综合考虑接收信号质量和网络侧接收机总复杂度，将该虚拟小区中增加一根天线带来的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，比上该虚拟小区中只有一根天线时总信干比与网络侧接收机总复杂度的比值，在得到的结果大于预设比例门限的情况下，确定最大的天线数目。该方法使得系统牺牲较少复杂度获得较大信号质量增量，且确保网络侧通过该最大的天线数目接收信号时，接收机的复杂度不会超过系统能够承受的范围，在牺牲最少的复杂度的情况下，最大程度地减少终端发射功率，性价比较高。

附图说明

图1是现有技术中DWCS无线接入部分结构示意图；

图2是现有技术中分布式信号处理层结构示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的分布式无线通信系统中天线选择方法流程图；

图4是根据本发明第一实施方式的分布式无线通信系统中天线选择方法中网络侧多用户检测接收装置结构示意图；

图5是根据本发明第一实施方式的分布式无线通信系统中天线选择方法中仿真结果显示的中断概率变化曲线；

图6是根据本发明第一实施方式的分布式无线通信系统中天线选择方法中仿真结果显示的移动终端的平均功率减小量变化曲线；

图7是根据本发明第一实施方式的分布式无线通信系统中天线选择方法中仿真结果显示的移动终端的平均功率减小量与接收机平均复杂度比值的变化曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

在本发明各实施方式中，网络侧在其接收机总复杂度和虚拟小区信号质量满足预设条件的前提下，为移动终端确定虚拟小区包含的最大天线数目，通过尽可能多的天线接收该移动终端的信号，从而在不影响该移动终端的通信质量的情况下，降低该移动终端的发射功率(即减小该移动终端的辐射)，增加其待机时间。

本发明第一实施方式涉及一种分布式无线通信系统中天线选择方法。在本实施方式的无线通信系统中，网络侧共有M根分布式天线，由一个处理中心进行管理。该处理中心具有理想的信道信息。系统中分布有K个移动终端，每个移动终端均为单天线接收。在网络侧，移动终端的发射信号被其虚拟小区中的所有天线接收，然后经过多用户检测(MUD)处理，最后进行最大比合并(MRC)。可见，移动终端虚拟小区中的天线数目和天线接收质量直接影响该移动终端的通信质量。

在移动终端移动的过程中，网络侧尽可能多地为移动终端选择信号质量最好的L根天线加入其虚拟小区，并根据这些天线接收的信号质量调整移动终端的发射功率，如图3所示。

具体地说，由于在DWCS系统中，虚拟小区中天线数目的多少对网络侧接收机的总复杂度和移动终端的发射功率都能产生影响。虚拟小区中包含的天线数越少，系统天线的使用效率越高，网络侧接收机总复杂度越低，但网络侧接收信号的能力较差，移动终端需要采用更大的发射功率；反之，虚拟小区中包含的天线数越多，系统天线的使用效率越低，网络侧接收机总复杂度越高，而移动终端的发射功率则可以减小。因此，在保持一定业务质量且网络侧接收机总复杂度能够承受的情况下，如果选择更多的天线加入虚拟小区，则可使该移动终端的发射功率在一定程度上有所降低，从而减小该移动终端的辐射，增加其待机时间。因此，在本实施方式中，为了尽可能降低移动终端的发射功率，需要在保证业务质量和网络侧接收机总复杂度的情况下，为移动终端的虚拟小区选择最多且信号质量最好的天线。

在本实施方式中，将该移动终端称为移动终端i，其虚拟小区为小区i，虚拟小区i中可能的天线数目为L。

在步骤310中，将虚拟小区i可能的天线数目L初始置为1，将系统中SIR最好的一根天线加入该虚拟小区i。

接着进入步骤315，计算虚拟小区i中天线数目L为1时，即只包含一根SIR最大的天线时，网络侧接收移动终端i的信号的总信干比(SIR)_i总与接收机总复杂度C₁的比值γ₁，

接着进入步骤320，将可能的天线数目L加1，在剩余的天线中选择一根SIR最好的天线加入该虚拟小区i，并统计天线数目由L增至L+1后，虚拟小区i天线的总信干比增量Δ(SIR)_i总(即包含L+1根天线时的(SIR)_i总和包含L根天线时的(SIR)_i总的差)与网络侧接收机总复杂度增量ΔC(即包含L+1根天线时的C_L+1和包含L根天线时的C_L的差)的比值γ_L

下面对步骤320和步骤315中，(SIR)_i总和C_L的算法进行具体说明。在本实施方式中，各移动终端采用二相移相键控(Binary Phase Shift Keying，简称“BPSK”)调制，网络侧采用BPSK解调和硬判决设备，网络侧的每根天线接收到的信号均首先经过多个RAKE接收机，然后进行多用户检测处理。网络侧多用户检测接收机采用二级宽带并行干扰消除(PIC)算法，最后，将虚拟小区i中所有天线检测出的移动终端i的信号进行最大比合并，如图4所示。

在上述基础上，设网络侧接收机总复杂度随着天线数目的增加线性增加，对于包含L根天线的虚拟小区，网络侧接收机总复杂度近似为C_TOTAL＝L·(K·C_RAKE+stage·C_WB-PIC)；其中，L为天线数目，K为网络中被激活的移动终端总数，C_RAKE为单个RAKE接收机复杂度，stage为宽带并行干扰消除的级数，C_WB-PIC为每一级宽带并行干扰消除的算法复杂度。在L为1时，即虚拟小区i中只包含一根SIR最大的天线时，网络侧接收机总复杂度C₁为C₁＝K·C_RAKE+stage·C_WB-PIC。由于网络侧接收机总复杂度随天线数目线性变化，所以虚拟小区i中天线数目由L增至L+1后(无论L为多少)，网络侧接收机总复杂度增量ΔC总为ΔC＝K·C_RAKE+stage·C_WB-PIC。

由于无法对系统硬件的绝对复杂度进行度量，同时考虑到基于数字信号处理器(DSP)的硬件实现，因此本实施方式中引入一个虚拟处理器，使其在一个周期执行一次浮点运算，用其运算的操作次数(ops)来度量复杂度。

在本实施方式中，单个RAKE接收机的复杂度可表示为：

C_RAKE＝F·(N·S·C_MAC+1·C_MAC)；

单级宽带并行干扰消除的算法复杂度可表示为：

C_WB-PIC＝K·(N·S/K·C_ADD+P·N·S·C_MAC+N·S·C_ADD+F·(N·S·C_MAC+1·C_MAC))；

其中，K为网络中被激活的移动终端总数，N为扩频因子，S为过采样因子，F与P分别为接收机选取的峰指数目和路径总数，C_MAC为一次复数加法和一次复数乘法总的操作次数，C_ADD为一次复数加法的操作次数。

在步骤320中，若将实数的一次加法操作、一次加与乘操作均看成1_ops，则一次复数加法的操作次数C_ADD＝2_ops，一次复数加和一次复数乘的操作次数C_MAC＝4_ops。可以得到：C_RAKE＝F·(N·S·C_MAC+1·C_MAC)＝F·(4N·S+4)ops；

$C_{\mathrm{WB}-\mathrm{PIC}}=K\·(N\·S/K\·C_{\mathrm{ADD}}+P\·N\·S\·C_{\mathrm{MAC}}+N\·S\·C_{\mathrm{ADD}}+F\·(N\·S\·C_{\mathrm{MAC}}+1\·C_{\mathrm{MAC}}))$

$=4K\·(N\·S\·(P+F+1+\frac{1}{2K})+F)\mathrm{ops}.$

另外，在步骤320中，网络侧通过以下公式计算L根天线接收的信号的总SIR：

其中，P_i为移动终端i的发射功率，G_p为处理增益，在计算时可以用扩频因子来代替，h_i，i ^l为移动终端i与其虚拟小区i中第l根天线之间的信道增益，P_j为网络中第j个移动终端的发射功率，j不等于i，j小于等于K(也就是说，P_j是除移动终端i外，网络中其它被激活的移动终端的发射功率)，h_i，j ^l为网络中第j个移动终端与虚拟小区i中第l根天线之间的信道增益，j不等于i，j小于等于K(h_i，j ^l即除移动终端i外，网络中其它被激活的移动终端与虚拟小区i中第l根天线之间的信道增益)，K为网络中被激活的移动终端总数，N₀为噪声功率，η为多用户检测的效率。

该式中，虚拟小区i中包含的某根天线与网络中的某个移动终端(可以是移动终端i或网络中其它被激活的移动终端)之间的信道增益h_i，j ^l的计算公式为：

$h_{i,j}^l={\left(d_{i,j}^l\right)}^{-n}\·{\mathrm{\α}}_{i,j}^l\·{\left|{\mathrm{\β}}_{i,j}^l\right|}^2,l=1,\·\·\·,L;$

其中，d_i，j ^l为第j个移动终端与虚拟小区i中的第l根天线之间的距离，n为路径损耗指数；α_i，j ^l为第j个移动终端与虚拟小区i中的第l根天线之间的阴影衰落；β_i，j ^l为第j个移动终端与虚拟小区i中的第l根天线之间的幅度小尺度衰落。另外，j为1到K中任意数字，j可以等于i，K为网络中被激活的移动终端总数；l为1到L的任意数字，L为虚拟小区i中包含的天线数目。

在仿真中，本实施方式还满足下列自相关模型：

${\left({\mathrm{\α}}_{i,j}^l\right)}_m=\sqrt{1-{\mathrm{\ρ}}^2}{\mathrm{\μ}}_j+\mathrm{\ρ}{\left({\mathrm{\α}}_{i,j}^l\right)}_{m-1};$

式中，(α_i，j ^l)_m和(α_i，j ^l)_m-1分别表示当移动终端i移动δ(距离)时，移动前和移动后相邻两个位置上的阴影衰落值，μ_j为独立的正态分布随机变量，其均值为0、方差为σ_s ²。其中，ρ为相邻两个离散点上阴影衰落值相关系数，可表示为ρ＝e^-δ/λ，其中，λ决定了阴影衰落的变化速率，λ＞0。

β_i，j ^l表示第j个移动终端与虚拟小区i中的第l根天线之间的幅度小尺度衰落，|β_i，j ^l|服从均方值为1的瑞利分布。

在计算出总信干比增量Δ(SIR)_i总与网络侧接收机总复杂度增量ΔC的比值γ_L后，接着进入步骤330，将该比值γ_L除以γ₁后与预设比例门限γ_th相比较，其中，γ_th为常数，由系统预先设定，0＜γ_th＜1。如果大于预设比例门限γ_th，则表明增加一根天线后，与网络侧接收机总复杂度的增量相比，总SIR增量较大，满足预先设定的条件，返回步骤320，继续将该L增加1，在剩余的天线中选择一根SIR最好的天线加入该虚拟小区i，并重新计算L增至L+1后，虚拟小区i的γ_L；反之，如果

小于预设比例门限γ_th，则表明增加该天线后，相对于网络侧接收机总复杂度的增量而言，总SIR增量较小，不满足预设的条件，进入步骤340，选择当前的L值减1作为虚拟小区i的天线数目，该虚拟小区i中包含除最后加入的一根天线外，所有加入该虚拟小区i的天线。

接着进入步骤350，网络侧通过虚拟小区i选定数目的天线接收移动终端i的信号，并对虚拟小区i接收到的移动终端i的总SIR进行检测。

接着进入步骤360，判断检测到的总SIR是否大于第一预设门限，如果大于第一预设门限则进入步骤370，通知移动终端i将发射功率降低一个步长；反之，如果小于第二预设门限则进入步骤380，通知移动终端i将发射功率增加一个步长。即(SIR)_i总＞(SIR)_T1时，p_i＝p_i-Δp；(SIR)_i总＜(SIR)_T2时，p_i＝p_i+Δp。其中，第一预设门限(SIR)_T1大于等于第二预设门限(SIR)_T2。通过功率调整，使得移动终端的信号质量维持在一定水平，从而在信道状态较好时进一步降低移动终端的发射功率。

除了以上基于信干比(SIR)平衡准则的功率控制方法外，在本实施方式中，也可以采用其它功控方法降低移动终端i的发射功率。

另外，在本实施方式中，也可以由移动终端自己根据其虚拟小区可能的天线数目分别确定各天线数目对应的虚拟小区信号质量(即总信干比)和总复杂度，在虚拟小区中天线数目加1后的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，比上该虚拟小区天线数目为1时总信干比与网络侧接收机总复杂度的比值，得到的结果大于预设比例门限的情况下，选择最大的天线数目作为该虚拟小区的天线数目。并在该虚拟小区通过选定数目的天线收到的信号质量大于预设门限时，降低其终端发射功率。由终端进行上述操作同样可以在不影响该终端的通信质量的情况下，降低该终端的发射功率(即减小该移动终端的辐射)，增加其待机时间。

本实施方式的仿真结果如图5、图6、图7所示。仿真开始时，移动终端随机地均匀分布在边长为1000m的正方形区中。在仿真过程的每个采样点上，移动终端分别从0°、90°、180°和270°四个方向随机选择一个方向进行移动。同时，将该区域划分为16个边长为250m的小正方形，在每个小正方形的中心各放置1根远程天线，天线比移动终端高20m。这16根天线由一个处理中心进行管理。其它主要参数设置如下：移动终端运动速度为3km/h，扩频因子取16。仿真中采用慢速功率控制，功率控制的目标SIR和中断门限SIR分别设为7dB和6.5dB，功率控制步长为1dB，功率控制余量为3dB。噪声功率取-103dBm，阴影衰落的参数σ_s取8dB，相关距离λ取20m，多用户检测效率η取60％，移动终端的最大发射功率取0dBm。基本的多用户检测接收机采用二级WB-PIC算法，并假设网络侧接收机总复杂度为天线数的线性函数。

下面分别对γ_th取不同值时的情况进行了仿真。图5示出了在γ_th取不同值时的天线动态选择算法和天线静态选择方法的中断概率曲线。由图5可以看出，当γ_th取0.07时，本实施方式提出的天线动态选择算法与现有技术的天线静态选择方法具有几乎相同的中断容量。

图6示出了在γ_th取0.07时，采用天线动态选择算法时移动终端的平均功率减小量曲线与采用天线静态选择方法时移动终端的平均功率减小量曲线。

图7示出了γ_th取0.07时的天线动态选择算法和天线静态选择方法的移动终端的平均功率减小量与网络侧接收机平均复杂度比值的曲线。其中，平均功率减小量是以按照路径损耗最小准则选择1根天线所需的移动终端平均发射功率为参考的。由图6和图7可以看出，当γ_th取0.07时，使用本实施方式提出的天线动态选择算法的移动终端的平均发射功率减小量虽然小于使用天线静态选择方法的平均功率减小量，但是其平均功率减小量与网络侧接收机平均复杂度的比值则要高于天线静态选择方法。可见本实施方式在减小终端发射功率的同时，兼顾了网络侧接收机的复杂度，因此，根据仿真结果，当γ_th取0.07时，本实施方式提出的天线动态选择算法要优于天线静态选择方法。

本发明第二实施方式涉及一种网络侧设备，包含：计算单元，用于根据移动终端虚拟小区的至少两个可能的天线数目分别确定该天线数目对应的虚拟小区信号质量和总复杂度；天线数目选择单元，用于在计算单元确定的信号质量和总复杂度满足预设条件的各天线数目中，选择最大的一个作为该虚拟小区的天线数目；功控单元，用于在该虚拟小区通过天线数目选择单元选定数目的天线收到的信号质量大于预设门限时，通知该移动终端降低其终端发射功率。从而在不影响该移动终端的通信质量的情况下，减小该移动终端的辐射，增加其待机时间。

其中，信号质量由该虚拟小区各天线接收的信干比经最大比合并后的总信干比表示。该预设条件为：将该虚拟小区中天线数目加1后的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，比上该虚拟小区天线数目为1时的总信干比与网络侧接收机总复杂度的比值，得到的结果大于预设比例门限。

在本实施方式中，计算单元将虚拟小区天线数目L初始置为1，将网络侧SIR最大的一根天线加入该虚拟小区；之后将L加1，并从剩余的天线中选择SIR最大的一根天线加入该虚拟小区，并计算天线数目由L增至L+1后的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，将该比值除以L为1时的总信干比与接收机总复杂度的比值，如果得到的结果小于预设比例门限，则通知天线数目选择单元，天线数目选择单元选择当前的L值减1作为该虚拟小区的天线数目，该虚拟小区中包含除最后加入的一根天线外，所有已加入该虚拟小区的天线；如果得到的结果大于该预设比例门限，则计算单元继续将L加1，进行统计。这里所说的L根天线为网络侧信干比最大的L根天线。通过上述方式，使得系统牺牲较少复杂度获得较大信号质量增量，即牺牲最少的复杂度在最大程度上减少终端发射功率，性价比较高。

本实施方式中，功控单元在L根天线接收的信号的总信干比大于第一门限时，通知该移动终端将其发射功率降低一个步长；在L根天线接收的信号的总信干比小于第二门限时，通知该移动终端将其发射功率增加一个步长。其中，第一门限大于第二门限，从而避免产生乒乓效应。通过功率调整，使得移动终端的信号质量维持在一定水平，从而在信道状态较好时进一步降低移动终端的发射功率。

该计算单元还进一步包含总信干比计算单元，通过以下公式计算L根天线接收的信号的总信干比：

其中，P_i为该移动终端的发射功率，G_p为处理增益，在实际计算时可以用扩频因子代替，h_i，i ^l为该移动终端(将该移动终端称为移动终端i)与其虚拟小区(称为虚拟小区i)中第l根天线之间的信道增益，P_j为网络中第j个移动终端的发射功率，j不等于i，j小于等于K(也就是说，P_j是除移动终端i外，网络中其它被激活的移动终端的发射功率)，h_i，j ^l为网络中第j个移动终端与虚拟小区i中第l根天线之间的信道增益，j不等于i，j小于等于K(h_i，j ^l即除移动终端i外，网络中其它被激活的移动终端与虚拟小区i中第l根天线之间的信道增益)，K为网络中被激活的移动终端总数，N₀为噪声功率，η为多用户检测的效率。

该总信干比计算单元还通过以下公式计算网络中任意被激活的移动终端与该虚拟小区中某根天线之间的信道增益： $h_{i,j}^l={\left(d_{i,j}^l\right)}^{-n}\·{\mathrm{\α}}_{i,j}^l\·{\left|{\mathrm{\β}}_{i,j}^l\right|}^2,l=1,\·\·\·,L;$

其中，d_i，j ^l为第j个移动终端与该虚拟小区中的第l根天线之间的距离，n为路径损耗指数；α_i，j ^l为第j个移动终端与该虚拟小区中的第l根天线之间的阴影衰落；β_i，j ^l为第j个移动终端与该虚拟小区中的第l根天线之间的幅度小尺度衰落。另外，j为1到K中任意数字，第j个移动终端可以是网络中任意一个被激活的移动终端，K为网络中被激活的移动终端总数；l为1到L的任意数字，L为虚拟小区中包含的天线数目。

该计算单元还进一步包含网络侧接收机总复杂度计算单元，通过以下方式计算网络侧接收机总复杂度：设接收机总复杂度随虚拟小区中的天线数目线性变化，对于包含L根天线的虚拟小区，网络侧接收机总复杂度近似为

C_TOTAL＝L·(K·C_RAKE+stage·C_WB-PIC)；

其中，移动终端采用BPSK调制，网络侧采用BPSK解调和硬判决设备，L为天线数目，K为网络中被激活的移动终端总数，C_RAKE为单个RAKE接收机复杂度，stage为宽带并行干扰消除的级数，C_WB-PIC为单级宽带并行干扰消除的算法复杂度。

该网络侧接收机总复杂度计算单元通过公式C_RAKE＝F·(N·S·C_MAC+1·C_MAC)计算RAKE接收机复杂度；通过以下公式计算单级宽带并行干扰消除的算法复杂度：C_WB-PIC＝K·(N·S/K·C_ADD+P·N·S·C_MAC+N·S·C_ADD+F·(N·S·C_MAC+1·C_MAC))；

其中，K为网络中被激活的移动终端总数，N为扩频因子，S为过采样因子，F与P分别为接收机选取的峰指数目和路径总数，C_MAC为一次复数加和一次复数乘总的操作次数，C_ADD为一次复数加法的操作次数。

本发明第三实施方式涉及一种移动终端，包含：计算模块，用于根据移动终端虚拟小区的至少两个可能的天线数目分别确定各天线数目对应的虚拟小区信号质量和总复杂度；天线数目选择模块，用于在计算模块确定的信号质量和总复杂度满足预设条件的各天线数目中，选择最大的一个作为该虚拟小区的天线数目；功控模块，用于在该虚拟小区通过天线数目选择模块选定数目的天线收到的信号质量大于预设门限时，降低该移动终端的射功率。从而在不影响该移动终端的通信质量的情况下，减小该移动终端的辐射，增加其待机时间。

其中，信号质量由该虚拟小区各天线接收的信干比经最大比合并后的总信干比表示，可能的数目的天线为网络侧信干比最大的天线。该预设条件为：将该虚拟小区中天线数目加1后的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，比上该虚拟小区天线数目为1时的总信干比与网络侧接收机总复杂度的比值，得到的结果大于预设比例门限。根据该预设条件选择天线数目，使得系统牺牲较少复杂度获得较大信号质量增量，即牺牲最少的复杂度在最大程度上减少终端发射功率，性价比较高。

功控模块在总信干比大于第一预设门限时，将该移动终端的发射功率降低一个步长；在总信干比小于第二预设门限时，将该移动终端的发射功率增加一个步长；其中第一预设门限大于等于第二预设门限，从而避免产生乒乓效应。通过功率调整，使得移动终端的信号质量维持在一定水平，从而在信道状态较好时进一步降低移动终端的发射功率。

本实施方式中计算模块具体的计算方法与第二实施方式中的计算单元相类似，天线数目选择模块的选择方法与第二实施方式中的天线数目选择单元相类似，在此不再赘述。

综上所述，在本发明的各实施方式中，在网络侧接收机总复杂度和虚拟小区信号质量满足预设条件的前提下，为移动终端虚拟小区选择最大的天线数目，通过尽可能多的天线接收该移动终端的信号，从而在不影响该移动终端的通信质量的情况下，降低该移动终端的发射功率(即减小该移动终端的辐射)，增加其待机时间。

综合考虑接收信号质量和网络侧接收机总复杂度，将该虚拟小区中增加一根天线带来的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，比上该虚拟小区中只有一根天线时总信干比与网络侧接收机总复杂度的比值，在得到的结果大于预设比例门限的情况下，确定最大的天线数目。该方法使得系统牺牲较少复杂度获得较大信号质量增量，且确保网络侧通过该最大的天线数目接收信号时，接收机的复杂度不会超过系统能够承受的范围，在牺牲最少的复杂度的情况下，最大程度地减少终端发射功率，性价比较高。

所选择的可能的数目(L)根天线为信干比最大的L根天线，最大程度上提高网络侧的接收质量。

以步长为单位，对移动终端发射功率进行微量调整，在L根天线(即其虚拟小区包含的所有天线)接收的信号的总信干比大于第一预设门限时，将该移动终端的发射功率降低一个步长；在总信干比小于第二预设门限时，通知该移动终端将发射功率增加一个步长。通过功率调整，使得移动终端的信号质量维持在一定水平，从而在信道状态较好时进一步降低移动终端的发射功率。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (19)

1. 一种分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，包含以下步骤：

根据移动终端虚拟小区的至少两个可能的天线数目分别确定各天线数目对应的虚拟小区信号质量和总复杂度；

在信号质量和总复杂度满足预设条件的各天线数目中，选择最大的一个作为该虚拟小区的天线数目；

如果所述虚拟小区通过所述选定数目的天线收到的信号质量大于预设门限，则该移动终端降低其终端发射功率。

2. 根据权利要求1所述的分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，所述信号质量由所述虚拟小区各天线接收的信干比经最大比合并后的总信干比表示。

3. 根据权利要求2所述的分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，所述预设条件为：

将所述虚拟小区中天线数目加1后的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，比上该虚拟小区天线数目为1时的总信干比与网络侧接收机总复杂度的比值，得到的结果大于预设比例门限。

4. 根据权利要求1所述的分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，

通过以下公式计算天线数目为L时接收到的信号的总信干比：

其中，p_i为所述移动终端的发射功率，G_p为处理增益，h_i，i ^l为该移动终端与其虚拟小区中第l根天线之间的信道增益，p_j为除该移动终端外，网络中第j个移动终端的发射功率，h_i，j ^l为除该移动终端外，网络中第j个移动终端与该移动终端的虚拟小区中第l根天线之间的信道增益，K为网络中被激活的移动终端总数，N₀为噪声功率，η为多用户检测的效率。

5. 根据权利要求4所述的分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，通过以下公式计算各移动终端与所述虚拟小区各天线之间的信道增益：

$h_{i,j}^l={\left(d_{i,j}^l\right)}^{-n}\·{\mathrm{\α}}_{i,j}^l\·{\left|{\mathrm{\β}}_{i,j}^l\right|}^2,l=1,\·\·\·,L;$

其中，d_i，j ^l为第j个移动终端与所述虚拟小区中的第l根天线之间的距离，n为路径损耗指数；α_i，j ^l为第j个移动终端与所述虚拟小区中的第l根天线之间的阴影衰落；β_i，j ^l为第j个移动终端与所述虚拟小区中的第l根天线之间的幅度小尺度衰落。

6. 根据权利要求1所述的分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，通过以下方式计算网络侧接收机总复杂度：

对于包含L根天线的虚拟小区，网络侧接收机总复杂度近似为

C_TOTAL＝L·(K·C_RAKE+stage·C_WB-PIC)；

其中，L为天线数目，K为网络中被激活的移动终端总数，C_RAKE为单个RAKE接收机复杂度，stage为宽带并行干扰消除的级数，C_WB-PIC为单级宽带并行干扰消除的算法复杂度。

7. 根据权利要求6所述的分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，通过以下公式计算所述单个RAKE接收机复杂度：

C_RAKE＝F·(N·S·C_MAC+1·C_MAC)；

其中，N为扩频因子，S为过采样因子，F与P分别为接收机选取的峰指数目和路径总数，C_MAC为一次复数加法和一次复数乘法总的操作次数；

通过以下公式计算单级宽带并行干扰消除的算法复杂度：

C_WB-PIC＝K·(N·S/K·C_ADD+P·N·S·C_MAC+N·S·C_ADD+F·(N·S·C_MAC+1·C_MAC))；

其中，移动终端采用二相移相键控调制，网络侧采用二相移相键控解调和硬判决设备，K为网络侧的移动终端总数，N为扩频因子，S为过采样因子，F与P分别为接收机选取的峰指数目和路径总数，C_MAC为一次复数加法和一次复数乘法总的操作次数，C_ADD为一次复数加法的操作次数。

8. 根据权利要求1至7中任一项所述的分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，所述可能的数目的天线为网络侧信干比最大的天线。

9. 根据权利要求2至7中任一项所述的分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，

在所述虚拟小区的总信干比大于第一预设门限时，该移动终端将发射功率降低一个步长；

在所述虚拟小区的总信干比小于第二预设门限时，该移动终端将发射功率增加一个步长；

所述第一预设门限大于等于所述第二预设门限。

10. 一种网络侧设备，其特征在于，包含：

计算单元，用于根据移动终端虚拟小区的至少两个可能的天线数目分别确定各天线数目对应的虚拟小区信号质量和总复杂度；

天线数目选择单元，用于在所述计算单元确定的信号质量和总复杂度满足预设条件的各天线数目中，选择最大的一个作为该虚拟小区的天线数目；

功控单元，用于在所述虚拟小区通过所述天线数目选择单元选定数目的天线收到的信号质量大于预设门限时，通知该移动终端降低其终端发射功率。

11. 根据权利要求10所述的分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，所述信号质量由所述虚拟小区各天线接收的信干比经最大比合并后的总信干比表示。

12. 根据权利要求11所述的网络侧设备，其特征在于，所述预设条件为：

将所述虚拟小区中天线数目加1后的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，比上该虚拟小区天线数目为1时的总信干比与网络侧接收机总复杂度的比值，得到的结果大于预设比例门限。

13. 根据权利要求10至12中任一项所述的网络侧设备，其特征在于，所述可能的数目的天线为网络侧信干比最大的天线。

14. 根据权利要求11或12中任一项所述的网络侧设备，其特征在于，

所述功控单元在所述总信干比大于第一预设门限时，通知该移动终端将其发射功率降低一个步长；在所述总信干比小于第二预设门限时，通知该移动终端将其发射功率增加一个步长；

所述第一预设门限大于等于所述第二预设门限。

15. 一种移动终端，其特征在于，包含：

计算模块，用于根据移动终端虚拟小区的至少两个可能的天线数目分别确定各天线数目对应的虚拟小区信号质量和总复杂度；

天线数目选择模块，用于在所述计算模块确定的信号质量和总复杂度满足预设条件的各天线数目中，选择最大的一个作为该虚拟小区的天线数目；

功控模块，用于在所述虚拟小区通过所述天线数目选择模块选定数目的天线收到的信号质量大于预设门限时，降低该移动终端的射功率。

16. 根据权利要求15所述的分布式无线通信系统中天线选择方法，其特征在于，所述信号质量由所述虚拟小区各天线接收的信干比经最大比合并后的总信干比表示。

17. 根据权利要求16所述的网络侧设备，其特征在于，所述预设条件为：

将所述虚拟小区中天线数目加1后的总信干比增量与网络侧接收机总复杂度增量的比值，比上该虚拟小区天线数目为1时的总信干比与网络侧接收机总复杂度的比值，得到的结果大于预设比例门限。

18. 根据权利要求15至17中任一项所述的网络侧设备，其特征在于，所述可能的数目的天线为网络侧信干比最大的天线。

19. 根据权利要求16或17中任一项所述的网络侧设备，其特征在于，

所述功控模块在所述总信干比大于第一预设门限时，将该移动终端的发射功率降低一个步长；在所述总信干比小于第二预设门限时，将该移动终端的发射功率增加一个步长；

所述第一预设门限大于等于所述第二预设门限。

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