適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。設(shè)圓形小區(qū)或線形小區(qū)中有N個(gè)扇形或線性區(qū)域，在粒子隨機(jī)分布在圓形小區(qū)或線形小區(qū)的情形下，通過(guò)采用粒子群智能優(yōu)化算法，獲得基站天線端口在不同區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)位置。粒子群智能優(yōu)化算法包括以下步驟：初始化粒子群；計(jì)算M個(gè)粒子的初始適應(yīng)度；更新粒子的位置信息和速度信息，并判斷該粒子是否還在搜索區(qū)域內(nèi)；更新第i個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)解pbesti以及整個(gè)群體的全局最優(yōu)解Gbest；重復(fù)上面兩個(gè)步驟，直到滿足算法的收斂準(zhǔn)則，輸出全局最優(yōu)解Gbest。本發(fā)明通過(guò)對(duì)天線端口的小區(qū)布設(shè)位置進(jìn)行理論優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)端口天線的最優(yōu)覆蓋，有助于實(shí)現(xiàn)分布式天線系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保和減少布網(wǎng)的成本開(kāi)銷(xiāo)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，用于線形與圓形混合小區(qū)分布式天線系統(tǒng)基站天線端口配置的上層網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化設(shè)計(jì)，屬于現(xiàn)代無(wú)線通信領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]分布式天線系統(tǒng)是一種面向新一代移動(dòng)通信需求的無(wú)線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式多天線系統(tǒng)，它不僅有利于無(wú)線資源的靈活分配，同時(shí)也能充分利用空間資源以覆蓋小區(qū)中的“盲點(diǎn)”，提升整個(gè)通信鏈路的穩(wěn)定性。分布式天線系統(tǒng)各端口天線布設(shè)模型如圖1所示。在該系統(tǒng)中，一般配置有一個(gè)中央處理器和多個(gè)天線端口(AntennaPort, AP)，這些AP分散放置在通信系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域內(nèi)；中央處理器通過(guò)電纜或者光纖與各個(gè)AP之間進(jìn)行通信，以便管理和控制這些AP。系統(tǒng)中每個(gè)AP都配置有多根天線用于發(fā)送或者接收信號(hào)，同時(shí)移動(dòng)終端(Mobile Stat1n,MS)也配置多根天線，從而獲得多天線增益和高傳輸效率。
[0003]在當(dāng)今諸如以高速公路或者高速鐵路為代表的線形及圓形混合小區(qū)中布設(shè)分布式端口基站時(shí)，根據(jù)混合小區(qū)中用戶的分布情況，大致可以將整個(gè)混合小區(qū)分為以下三大部分:服務(wù)區(qū)或者車(chē)站、收費(fèi)站區(qū)、以及線形的公路區(qū)或者鐵路區(qū)。在人流量比較大的服務(wù)區(qū)和車(chē)站，鑒于該區(qū)域內(nèi)的用戶通常較為密集，且這些區(qū)域的場(chǎng)地面積也比較開(kāi)闊和寬廣，故可以將服務(wù)區(qū)和車(chē)站建模成經(jīng)典圓形小區(qū)模型，以傳統(tǒng)圓形小區(qū)分布式天線系統(tǒng)端口天線優(yōu)化設(shè)計(jì)及布設(shè)的思路來(lái)加以解決；服務(wù)區(qū)或車(chē)站區(qū)域天線端口布設(shè)示意圖如圖2所示:小區(qū)中心布設(shè)有一個(gè)分布式天線端口，其余天線端口皆布設(shè)在同心圓上。線形公路區(qū)或者鐵路區(qū)則可近似看作線形小區(qū)，其端口天線布設(shè)示意圖如圖3所示，所有天線端口皆按一定的間隔布設(shè)在一條直線上。
[0004]目前實(shí)際的高速公路及高速鐵路環(huán)境中尚未采用分布式天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。已有的理論研究成果中，有些優(yōu)化設(shè)計(jì)方法并不能綜合考慮小尺度衰落、路徑損耗和陰影效應(yīng)等重要信道因素對(duì)系統(tǒng)信道容量等的影響；有些方法雖然考慮了復(fù)合衰落模型下小區(qū)中多天線端口的位置優(yōu)化問(wèn)題，但小區(qū)中移動(dòng)臺(tái)的用戶分布模型卻假設(shè)為小區(qū)內(nèi)均勻分布，因而基于移動(dòng)臺(tái)均勻分布情形得出的研究結(jié)論并不一定適用于實(shí)際的工作環(huán)境；此外，現(xiàn)有的智能優(yōu)化算法普遍采用經(jīng)典遺傳算法，計(jì)算復(fù)雜度較大、收斂速度也相對(duì)較慢，如果小區(qū)采用天線端口多點(diǎn)布設(shè)、依用戶需求進(jìn)行智能休眠/激活機(jī)制的自動(dòng)配置方式進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，則不能對(duì)天線端口的位置進(jìn)行快速搜索；再者，現(xiàn)有研究方案不論何種工作環(huán)境亦完全是基于全向天線覆蓋模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，而現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)已廣泛采用方向性天線或智能天線技術(shù)以降低系統(tǒng)內(nèi)干擾。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)天線端口的小區(qū)布設(shè)位置進(jìn)行理論優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)端口天線的最優(yōu)覆蓋，有助于實(shí)現(xiàn)分布式天線系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保和減少布網(wǎng)的成本開(kāi)銷(xiāo)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]本發(fā)明的適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)服務(wù)區(qū)及車(chē)站區(qū)的圓形小區(qū)或者公路區(qū)及鐵路區(qū)的線形小區(qū)中有N個(gè)扇形區(qū)域或者線性區(qū)域，且M個(gè)粒子隨機(jī)分布在圓形小區(qū)或線形小區(qū)內(nèi)，采用粒子群智能優(yōu)化算法，獲得基站天線端口在不同區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)位置；所述粒子群智能優(yōu)化算法具體包括以下幾個(gè)步驟:
[0008]STEPl:初始化粒子群，即搜索區(qū)域內(nèi)粒子的個(gè)數(shù)設(shè)為M，初始化M個(gè)粒子的位置信息X1、速度信息￥1以及初始的個(gè)體最優(yōu)解Pbesti,其中，i e [I, M]；
[0009]STEP2:計(jì)算M個(gè)粒子的初始適應(yīng)度，即根據(jù)系統(tǒng)平均遍歷容量表達(dá)式，結(jié)合各個(gè)粒子的位置信息Xi，計(jì)算適應(yīng)度Si,同時(shí)亦找出適應(yīng)度最大的粒子，作為初始的全局最優(yōu)解Gbest ；
[0010]STEP3:更新粒子的位置信息和速度信息，即第i (I < i < M)個(gè)粒子的位置和速度可以按照下式進(jìn)行更新:
「 n i V1- ^Vi + cim\{phest, - Xi) +— xd
[0011]\ , ,
[Xi = Xi + Vi
[0012]上式中，v’ p X’ i分別表示更新后的速度信息和位置信息，λ表示慣性系數(shù)，C1,C2表示學(xué)習(xí)因子，ωρ ω2表示取值在[0，1]區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)；
[0013]更新完速度信息和位置信息后，可通過(guò)上述計(jì)算公式所得的具體坐標(biāo)來(lái)判斷該粒子是否還在之前所限定的圓形小區(qū)或線形小區(qū)內(nèi)，如果已經(jīng)超出了規(guī)定的搜索區(qū)域，則重新更新粒子，重復(fù)STEP3，否則轉(zhuǎn)向STEP4 ；
[0014]STEP4:更新第i個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)解Pbesti以及整個(gè)群體的全局最優(yōu)解Gbest ；
[0015]STEP5:重復(fù)STEP3?STEP4，直到滿足預(yù)先所設(shè)定的迭代次數(shù)門(mén)限，輸出全局最優(yōu)解Gbest，即粒子群經(jīng)過(guò)迭代運(yùn)算后分別收斂于最優(yōu)解區(qū)域。
[0016]高速公路中的收費(fèi)站區(qū)，采用扇形覆蓋定向天線技術(shù)以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的信號(hào)覆蓋。
[0017]STEP2中，服務(wù)區(qū)或車(chē)站區(qū)的圓形小區(qū)內(nèi)系統(tǒng)平均遍歷容量表達(dá)式如下:
[0018]CcIkL=E { Cpoint } = CpoiJ (ρ,α) pd pd a
[0019]所述公路區(qū)或鐵路區(qū)的線形小區(qū)內(nèi)系統(tǒng)平均遍歷容量表達(dá)式如下:
[0020]Ciine=E { Cpoint 丨=|oi0 Cpointf(x)dx
[0021]其中，E{.}表示求數(shù)學(xué)期望，Cpoint為小區(qū)下行鏈路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路遍歷容量，R為小區(qū)半徑，f(p，α)為用戶處于極坐標(biāo)位置(P，α)時(shí)的概率密度函數(shù)，Ltl為線形小區(qū)長(zhǎng)度，f(x)為用戶處于位置X的概率密度函數(shù)。
[0022]所述點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路遍歷容量Cptjint的計(jì)算表達(dá)式如下:
[0023]Cpomt = Eh j 1g2 det^I+j I
[0024]其中，EH{.}表示基于信道傳輸矩陣H對(duì)系統(tǒng)容量求數(shù)學(xué)期望，I表示單位矩陣，Pi為總發(fā)射功率，H為下行鏈路信道傳輸矩陣，σ 2為加性高斯白噪聲功率。
[0025]所述下行鏈路中信道傳輸矩陣H為:
[0026]H = R Vls
[0027]其中，R表示小尺度衰落矩陣，服從Nakagam1-m衰落；S表示陰影效應(yīng)，矩陣內(nèi)元素服從獨(dú)立同分布的零均值、相同方差對(duì)數(shù)正態(tài)分布；L表示路徑損耗，矩陣內(nèi)各元素的取值受用戶位置的影響，兩者之間的數(shù)量關(guān)系可表示如下:
[0028]L = diag (L1, L2，...，Li，…，Ln) I < i < N

/■ \ Ct
{ D)
[0029]Li =—

\ di)
[0030]其中，N表示基站天線端口的數(shù)目，即圓形小區(qū)或線形小區(qū)中扇形區(qū)域或線形區(qū)域的數(shù)目，Cli表示用戶與第i個(gè)基站天線端口之間的距離，a為路徑衰落指數(shù)，D表示參考距離，Li表示用戶與第i個(gè)基站天線端口之間的路徑損耗。
[0031]下行通信鏈路用戶端的接收信號(hào)矢量表達(dá)式為:
[0032]y = Hs + η - RvLSx + η
[0033]其中，y表不接收信號(hào)矢量，X表不發(fā)送信號(hào)矢量，η表不高斯噪聲信號(hào)矢量。
[0034]STEP2中，適應(yīng)度Si的計(jì)算方法如下:
[0035]為使圓形小區(qū)的平均遍歷容量Cctole或者線形小區(qū)的平均遍歷容量Cline達(dá)到最大，可采用復(fù)化Simpson積分公式對(duì)小區(qū)平均遍歷容量表達(dá)式進(jìn)行近似，進(jìn)而得到目標(biāo)函數(shù)；再把初始化的粒子位置Xi代入目標(biāo)函數(shù)，即可計(jì)算得到適應(yīng)度S”
[0036]本發(fā)明將粒子群智能優(yōu)化算法以及定向天線技術(shù)應(yīng)用到高速公路或高速鐵路這樣的混合小區(qū)的分布式天線系統(tǒng)中，不僅可以改善當(dāng)前通信系統(tǒng)的性能，而且通過(guò)對(duì)天線端口的布設(shè)位置進(jìn)行理論優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)端口天線的最優(yōu)覆蓋，可以最大限度地節(jié)省天線端口布設(shè)的成本、獲得通信系統(tǒng)最大通信效益；另外，本發(fā)明可為未來(lái)高速公路或高速鐵路這樣的具線形和圓形區(qū)域的混合小區(qū)系統(tǒng)的天線端口優(yōu)化布設(shè)提供理論參考。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1是分布式天線系統(tǒng)各端口天線布設(shè)模型示意圖；
[0038]圖2是服務(wù)區(qū)或車(chē)站區(qū)域天線端口布設(shè)示意圖；
[0039]圖3是線形公路或鐵路區(qū)域端口天線布設(shè)示意圖；
[0040]圖4是聞速公路或聞速鐵路結(jié)構(gòu)不意圖；
[0041]圖5是粒子群智能優(yōu)化算法工作流程圖；
[0042]圖6是服務(wù)區(qū)或車(chē)站區(qū)域中天線端口位置粒子群初始化示意圖；
[0043]圖7是服務(wù)區(qū)或車(chē)站區(qū)域中天線端口位置最優(yōu)布設(shè)示意圖；
[0044]圖8是線形公路或鐵路區(qū)中粒子群初始化示意圖；
[0045]圖9是線形公路或鐵路區(qū)中天線端口位置最優(yōu)布設(shè)示意圖；
[0046]圖10是收費(fèi)站區(qū)扇形天線端口布設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0047]為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0048]參見(jiàn)圖4，本發(fā)明的實(shí)施例是在高速公路這一應(yīng)用場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)分布式天線系統(tǒng)基站端各天線端口的最優(yōu)布設(shè)問(wèn)題，高速鐵路等具有類(lèi)似混合小區(qū)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)景亦可同樣類(lèi)推規(guī)劃設(shè)計(jì)。
[0049]在分布式天線系統(tǒng)中，基站天線端口的位置布設(shè)直接影響著通信系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，比如系統(tǒng)信道容量、接收信號(hào)判決誤符號(hào)率等，因此關(guān)于天線端口布設(shè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)即具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0050]為了更加貼近實(shí)際的通信環(huán)境，本發(fā)明將考慮復(fù)合衰落信道，即充分考慮了小尺度衰落、路徑損耗以及陰影效應(yīng)的影響。此時(shí)，假設(shè)下行鏈路中信道傳輸矩陣為:
[0051]
[0052]其中，R表示小尺度衰落矩陣,這里假設(shè)服從Nakagam1-m衰落；S表示陰影效應(yīng),矩陣內(nèi)元素服從獨(dú)立同分布的零均值、相同方差的對(duì)數(shù)正態(tài)分布；L表示路徑損耗，矩陣內(nèi)各元素的取值受用戶位置的影響，兩者之間的數(shù)量關(guān)系可表示如下:
[0053]L = diag (L1, L2,...,L1, , Ln) I ^ i ^ N
(dX
[0054]Li=—
\di)
[0055]上式中，N表示天線端口的數(shù)目，Cli表示用戶與第i個(gè)天線端口之間的距離，a為路徑衰落指數(shù)，D表示參考距離，Li表示用戶與第i個(gè)天線端口之間的路徑損耗。
[0056]那么，可以得到下行通信鏈路用戶端的接收信號(hào)矢量表達(dá)式為:
[0057]y = Hx + n = R>/LSx + η
[0058]其中，y表示接收信號(hào)矢量，X表示發(fā)送信號(hào)矢量，η表示高斯噪聲信號(hào)矢量。
[0059]服務(wù)區(qū)可以近似為圓形小區(qū)，假設(shè)小區(qū)半徑為R，用戶處于極坐標(biāo)位置(P，α )時(shí)的概率密度函數(shù)為f(P，α)0
[0060]線性公路區(qū)可以根據(jù)天線端口的具體覆蓋范圍劃分成多段，每一段皆可近似為一線形小區(qū)，假設(shè)小區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)tl(本發(fā)明中假設(shè)為1000米)，用戶處于位置X的概率密度函數(shù)為 f (X)。
[0061]通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)大致可以分為遍歷容量、中斷概率以及誤符號(hào)率等幾個(gè)方面，對(duì)系統(tǒng)中基站位置進(jìn)行優(yōu)化布設(shè)時(shí)，不同的目標(biāo)函數(shù)會(huì)導(dǎo)致不同的優(yōu)化布設(shè)方案。
[0062]本發(fā)明中以最大化小區(qū)系統(tǒng)平均遍歷容量為例，尋求最優(yōu)的基站天線端口布設(shè)方案。
[0063]下行鏈路中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路遍歷容量的計(jì)算表達(dá)式如下:
廣P ?.「_■ Γτ /5HhH
[0064]Cpomi = Eh j 1g2 det I ^ — j.
[0065]Cptjint是一個(gè)與用戶位置有關(guān)的函數(shù)，某一特定位置處的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路遍歷容量并不能客觀反映系統(tǒng)平均遍歷容量，為此需要對(duì)用戶的位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。
[0066]線形公路內(nèi)系統(tǒng)平均遍歷容量表達(dá)式如下:
[0067]Cline=E{C_"} = \LJCpoiJ(x)dx
[0068]服務(wù)區(qū)內(nèi)系統(tǒng)平均遍歷容量表達(dá)式如下:
[0069]Ccrde=EjC^w } = d CpoMf(p, a ) pdpda
[0070]本發(fā)明將利用粒子群智能優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimizat1n, PS0)來(lái)尋找實(shí)施例中近似為圓形小區(qū)的服務(wù)區(qū)和近似為線形小區(qū)的公路區(qū)，在這些混合小區(qū)中分別采用分布式多天線系統(tǒng)時(shí)天線端口的最優(yōu)布設(shè)問(wèn)題。
[0071]PSO算法是一種模擬鳥(niǎo)群覓食的全局優(yōu)化算法，具有易理解、方便實(shí)現(xiàn)以及搜索能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可以有效解決復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題。圖5為PSO算法流程圖，圖中pbest、Gbest分別表示個(gè)體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解。
[0072]PSO算法求解該混合小區(qū)天線端口位置優(yōu)化問(wèn)題的具體步驟如下:
[0073]STEPl:初始化粒子群。假設(shè)搜索區(qū)域內(nèi)粒子的個(gè)數(shù)為M，那么需要初始化M個(gè)粒子的位置信息X1、速度信息Vi,以及初始的個(gè)體最優(yōu)解Pbesti, i e [I, M]。
[0074]STEP2:計(jì)算M個(gè)粒子的初始適應(yīng)度。根據(jù)系統(tǒng)平均遍歷容量的表達(dá)式，結(jié)合各個(gè)粒子的位置信息，計(jì)算適應(yīng)度Si,并找出適應(yīng)度最大的粒子，作為初始的全局最優(yōu)解Gbest。
[0075]STEP3:更新粒子的位置和速度。第i (I < i < M)個(gè)粒子的位置和速度可以按照下式進(jìn)行更新:
i Vi =義ν, + HCO^pbestl - Xi) + CT(oAGbes1- χ,.)
[0076]\ ,,

[X/ = Xi ?- Vi
[0077]上式中，V’ 1、X’ i分別表示更新后的速度和位置，λ表示慣性系數(shù)，C1, C2表示學(xué)習(xí)因子，ωι、ω2表示取值在[0，1]區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。更新完速度和位置之后，需要判斷該粒子是否還在搜索區(qū)域內(nèi)，若已經(jīng)超出了該區(qū)域，那么需要重新更新粒子，重復(fù)STEP3。
[0078]STEP4:更新第i個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)解Pbesti以及群體的全局最優(yōu)解Gbest。
[0079]STEP5:重復(fù)STEP3?STEP4，直到滿足算法的收斂準(zhǔn)則，輸出全局最優(yōu)解Gbest，即優(yōu)化問(wèn)題的次優(yōu)解。
[0080]運(yùn)用PSO算法求解服務(wù)區(qū)中天線端口布設(shè)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，圖6為服務(wù)區(qū)中粒子群的初始位置。假設(shè)在服務(wù)區(qū)中布設(shè)5個(gè)天線端口，不失一般性，設(shè)共有50個(gè)粒子隨機(jī)分布在圓形小區(qū)的5個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)；圖7表示粒子群經(jīng)過(guò)一定迭代次數(shù)后分別收斂于最優(yōu)解區(qū)域。
[0081]與圖6、圖7類(lèi)似，圖8、圖9分別表示運(yùn)用PSO算法求解線形公路小區(qū)中天線端口布設(shè)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，在同樣假設(shè)線形小區(qū)中共布設(shè)5個(gè)分布式天線端口的條件下，粒子群初始位置以及經(jīng)過(guò)粒子群搜索算法所得的最優(yōu)解區(qū)域。
[0082]關(guān)于高速公路中的收費(fèi)站區(qū)，鑒于其特殊工作結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出采用90度扇形覆蓋定向天線技術(shù)以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域覆蓋，其布設(shè)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10所示。由于定向天線可以達(dá)到在某一個(gè)或者幾個(gè)特定方向上發(fā)射及接收電磁波特別強(qiáng)，而其他方向上電磁波很弱的目的，因此定向天線技術(shù)的應(yīng)用可以提高通信系統(tǒng)的通信利用率，降低對(duì)其他不需要覆蓋區(qū)域的信號(hào)干擾。收費(fèi)站區(qū)是一個(gè)比較特殊的通信場(chǎng)景，車(chē)輛自進(jìn)入站區(qū)直至駛離站區(qū)的過(guò)程均適合采用定向天線來(lái)實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的信號(hào)覆蓋。
[0083]由上述本發(fā)明所提供的具體實(shí)施方案可以看出，本發(fā)明所提出的將分布式天線系統(tǒng)應(yīng)用于諸如具近似圓形和線形混合小區(qū)結(jié)構(gòu)的高速公路和高速鐵路等應(yīng)用場(chǎng)景，并采用粒子群智能優(yōu)化算法尋找該應(yīng)用場(chǎng)景下，分布式天線系統(tǒng)各天線端口的最優(yōu)位置分布問(wèn)題，可以有效地獲得基站端口天線的理論最優(yōu)布設(shè)位置。該理論最優(yōu)分布將有助于提升系統(tǒng)整體通信性能，滿足小區(qū)高速率、高質(zhì)量通信業(yè)務(wù)需求。
[0084]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 設(shè)服務(wù)區(qū)及車(chē)站區(qū)的圓形小區(qū)或者公路區(qū)及鐵路區(qū)的線形小區(qū)中有N個(gè)扇形區(qū)域或者線性區(qū)域，且Μ個(gè)粒子隨機(jī)分布在圓形小區(qū)或線形小區(qū)內(nèi)，采用粒子群智能優(yōu)化算法，獲得基站天線端口在不同區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)位置； 所述粒子群智能優(yōu)化算法具體包括以下幾個(gè)步驟: STEP1:初始化粒子群，即搜索區(qū)域內(nèi)粒子的個(gè)數(shù)設(shè)為Μ，初始化Μ個(gè)粒子的位置信息X1、速度信息Vi以及初始的個(gè)體最優(yōu)解pbesti,其中，i e [1, Μ]； STEP2:計(jì)算Μ個(gè)粒子的初始適應(yīng)度，即根據(jù)系統(tǒng)平均遍歷容量表達(dá)式，結(jié)合各個(gè)粒子的位置信息Xi，計(jì)算適應(yīng)度Si;同時(shí)亦找出適應(yīng)度最大的粒子，作為初始的全局最優(yōu)解Gbest ； STEP3:更新粒子的位置信息和速度信息，即第i (1 < i < Μ)個(gè)粒子的位置和速度可以按照下式進(jìn)行更新:
| V1-義ν,.+—.ν,) + C2(02((Jh('st — \ )
{Xi = Xi + Vi 上式中，V’ 1、X’ i分別表示更新后的速度信息和位置信息，λ表示慣性系數(shù)，Cl、c2表示學(xué)習(xí)因子，ωρ ω2表示取值在[0，1]區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)； 更新完速度信息和位置信息后，可通過(guò)上述計(jì)算公式所得的具體坐標(biāo)來(lái)判斷該粒子是否還在之前所限定的圓形小區(qū)或線形小區(qū)內(nèi)，如果已經(jīng)超出了規(guī)定的搜索區(qū)域，則重新更新粒子，重復(fù)STEP3，否則轉(zhuǎn)向STEP4 ； STEP4:更新第i個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)解pbesti以及整個(gè)群體的全局最優(yōu)解Gbest ；STEP5:重復(fù)STEP3?STEP4，直到滿足預(yù)先所設(shè)定的迭代次數(shù)門(mén)限，輸出全局最優(yōu)解Gbest，即粒子群經(jīng)過(guò)迭代運(yùn)算后分別收斂于最優(yōu)解區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 高速公路中的收費(fèi)站區(qū)，采用扇形覆蓋定向天線技術(shù)以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的信號(hào)覆蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于， STEP2中，服務(wù)區(qū)或車(chē)站區(qū)的圓形小區(qū)內(nèi)系統(tǒng)平均遍歷容量表達(dá)式如下:
Ccircle=E { CpoM } = ￡ ￡ Cpoint f(p,a)pdpda 所述公路區(qū)或鐵路區(qū)的線形小區(qū)內(nèi)系統(tǒng)平均遍歷容量表達(dá)式如下:
Cii?e=E {Cpoim} = |o￡o CpoiJ\x)dx 其中，E{.}表示求數(shù)學(xué)期望，Cp()int為小區(qū)下行鏈路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路遍歷容量，R為小區(qū)半徑，f(P, α )為用戶處于極坐標(biāo)位置(Ρ, α)時(shí)的概率密度函數(shù),L為線形小區(qū)長(zhǎng)度,f(x)為用戶處于位置X的概率密度函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路遍歷容量Cp()int的計(jì)算表達(dá)式如下:
? 「 f p\mH )11
Cpoint = EH j log2 det I h '~ r 其中，Eh{.}表示基于信道傳輸矩陣H對(duì)系統(tǒng)容量求數(shù)學(xué)期望，I表示單位矩陣，Pi為總發(fā)射功率，Η為下行鏈路信道傳輸矩陣，σ 2為加性高斯白噪聲功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述下行鏈路中信道傳輸矩陣Η為: 其中，R表示小尺度衰落矩陣，服從Nakagam1-m衰落；S表示陰影效應(yīng)，矩陣內(nèi)元素服從獨(dú)立同分布的零均值、相同方差對(duì)數(shù)正態(tài)分布；L表示路徑損耗，矩陣內(nèi)各元素的取值受用戶位置的影響，兩者之間的數(shù)量關(guān)系可表示如下:
L = diag (L1； L2,...，L” …，LN) 1 彡 i 彡 Ν/ \ α{ ?\
Li — —■
ν dij 其中，Ν表示基站天線端口的數(shù)目，即圓形小區(qū)或線形小區(qū)中扇形區(qū)域或線形區(qū)域的數(shù)目，屯表示用戶與第i個(gè)基站天線端口之間的距離，a為路徑衰落指數(shù)，D表示參考距離，L,表示用戶與第i個(gè)基站天線端口之間的路徑損耗。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 下行通信鏈路用戶端的接收信號(hào)矢量表達(dá)式為:
y = Hx + n = R^/LSx + η 其中，y表示接收信號(hào)矢量，X表示發(fā)送信號(hào)矢量，η表示高斯噪聲信號(hào)矢量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的適用于高速公路及高速鐵路環(huán)境的分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于， STEP2中，適應(yīng)度Si的計(jì)算方法如下: 為使圓形小區(qū)的平均遍歷容量或者線形小區(qū)的平均遍歷容量Cline達(dá)到最大，可采用復(fù)化Simpson積分公式對(duì)小區(qū)平均遍歷容量表達(dá)式進(jìn)行近似，進(jìn)而得到目標(biāo)函數(shù)；再把初始化的粒子位置Xi代入目標(biāo)函數(shù)，即可計(jì)算得到適應(yīng)度S”
【文檔編號(hào)】H04B7/06GK104270184SQ201410532689
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】李岳衡, 付明浩, 蔡俊, 王飛, 王莉, 羌佳林, 居美艷, 黃平 申請(qǐng)人:河海大學(xué)