广播网络覆盖与多单元的合作

文摘

多单元的合作已被确定为一个未来无线通信系统的基本原则。本文研究的好处多单元的合作广播电视网络从信息理论的角度来看。我们定义中断容量的品质因数和推导出广播覆盖范围对这样的系统进行评估。具体来说,我们计算广播覆盖范围与给定的公共信息率和中断概率当多个基站协作传输广播信号。了一般情况下接收器有多个天线,我们提供仿真结果说明扩大覆盖范围。在所有情况下,我们的研究结果表明,电视广播网络的覆盖可以显著提高了多单元的合作。

1。介绍

无线产业正在经历前所未有的增加的需求更好的多媒体广播系统。不断扩散的新服务,如HDTV广播和移动电视,强调先进的传输技术的需要,可以从根本上提高传统广播网络系统性能。合作传播已被确定是一个关键的技术来满足这种需求。

大部分的研究迄今为止合作传播专注于减少注液电池干扰和提高系统容量在双向(上行/ downlike)蜂窝系统中,可以使用合作在基站(BS)或移动台(MS)。多单元的合作(MCC),有时也被称为多单元的处理或分布式天线系统,规定的联合编码/解码信号传输/接收的BSs通过开发高容量连接BSs支柱。一项调查在MCC(可以找到1- - - - - -4]。假设所有的BSs网络连接到一个中央处理器通过链接的无限容量,BSs有效地充当一个地理上分布的集合multiantenna系统。在这个完美的MCC的假设,5]研究了多单元的下行信道容量与股份,网络用户在哪里聚集在细胞边缘。分析性能表达式脏纸编码(DPC),同相、零迫使(ZF),和MMSE预编码器是派生的。最近[6]研究了蜂窝系统的容量与大量的BSs和海量存储系统(MSs)中。评估是基于一个精确建模的多单元的部署,BSs,不同级别的合作和实践per-antenna BS传输天线的传输功率约束。性能上界和下界也得到不同的合作场景。另一方面,能力有限的影响回程在MCC(即。,部分合作)也一直在研究在文献[7- - - - - -14]。在[7),作者研究了可行的利率假设下的多单元的网络BS和合作是女士通过错误但能力有限数据库站和interuser链接,分别。分析治疗提高洞察的潜力和能力所强加的限制约束合作提供的性能提升技术。最近的一些结果注液电池干扰协调通过有限的反馈也可以发现在14]。

虽然有很多现有的工作显示MCC在蜂窝网络的好处,一些研究在文献中可以找到合作广播网络。而细胞(即。,voice and data) network, there are some fundamental differences in broadcast (i.e, TV) network.

(我)沟通只是单向从基站到订户站(SS);没有可用的反向链接。因此,信道状态信息(CSI)发射机是不可用的。在蜂窝网络中,反向链接是可用的和BS可以完全或部分CSI。(2)b发送相同的公共信息的所有用户。在蜂窝网络中,b向每个订阅者发送不同的个人信息。(3)SSs(电视接收器)只能接收但不发送信号。因此,没有合作的可能性(信息交换)在瑞士。在蜂窝网络中,MSs(智能手机、笔记本电脑)可以传递信号,因此合作是可能的在海量存储系统(MSs)中。

不同于双向移动网络,广播电视网络的关注通常不是吞吐量。相反,这种网络的设计目标是最大化广播报道,预先确定的传输速度。预计,MCC可以扩展广播覆盖范围,形成了一个扩展的椭圆范围超出了单个细胞的叠加(15]。然而,本文的作者的最好的知识,没有定量研究在文献中多少MCC的广播覆盖范围可以扩展。在本文中,我们考虑全面MCC在广播网络合作一些小邻近基站的数量。具体来说,我们定义了MCC的品质因数广播从信息理论的角度来看。然后我们量化不同MCC场景下扩展覆盖区域,推导出保险收益单细胞独立传输。我们也调查与最优基站广播报道分离。本文是我们的早期工作的延伸16),我们计算了广播覆盖在广播和单播与三个合作细胞混合网络。

本文组织如下。节2,我们定义广播通道模型的性能指标和礼物。然后我们分析和计算与MCC广播覆盖单个或多个接收天线(s)3。最后,在得出结论部分4。

为了便于讨论,本文中我们使用以下符号约定:

:在每个接收机天线的数量 :协作基站的数量 :(与用户相关信道矩阵) :输入空间协方差矩阵 :总传输功率 :总通道带宽 :公共信息广播 :中断概率 :白噪声方差(w / Hz)

2。系统模型

在无线社区,这个词广播已经被用于电视广播和细胞下行系统。为了避免歧义,我们定义的广播网络的交付公共信息从基站或电视塔沉默用户在多播应用程序。正如我们讨论的部分1,没有反向链接,从而在发射机CSI是不可用的。

为了量化广播系统的性能,我们必须首先定义性能指标。在信息理论中,有两个相关的通道容量定义广播信道的系统设计和一个无知的发射器:遍历容量(也称为香农容量)和故障能力17]。各态历经容量定义的最大数据速率,可以发送到接收机通过所有的衰落与渐近小误差概率。在大多数情况下,电视接收器在固定地点体验慢衰落和各态历经容量的选择将导致不能容忍解码延迟。另一方面,中断能力定义的最大数据速率可以用某些故障传播概率接收的数据不能解码与微不足道的错误概率。如果收到信噪比高于阈值对应的中断概率,传输数据可以用微不足道的错误概率解码;否则,传输中断。通过允许一些故障,广播接收机可以解码消息在每个衰落状态,从而满足延迟的要求。在本文中,我们使用更实用中断能力作为评估广播网络的品质因数。

一般来说,由于广播接收器是地理上分布面积大,他们解码接收到的信号与不同的中断概率取决于衰落统计数据。在一个给定的覆盖面积,我们定义的故障概率中断概率(包损失率)与最糟糕的广播接收器在这一领域。注意,最严重的接收器总是经历最高的故障。字面上,有三个可互换的方法优化广播性能。

(1)给定一个广播频率和停机概率,最大化覆盖区域这样。(2)给定一个覆盖范围和停机概率,公共信息率最大化这样。(3)鉴于广播率和覆盖范围用户中断概率,减少最严重的。

注意,上面的三个问题是等价的优化公共信息传播从b到接收机。换句话说,我们只需要关注的性能最差的接收机覆盖区域。在实际电视广播网络,和通常是前缀,因此我们的目标是最大化广播覆盖范围与给定的服务质量(停机)要求。

在传统电视广播地面电视台通常是高功率覆盖大面积的高塔和电视接收器固定位置。移动电视的日益增长的需求,许多无线运营商提供电视服务在蜂窝基站与智能手机或pda手机用户。在美国,wireless carriers (Verizon, AT&T mobility and etc.) are using MediaFlo (forward link only) technology to deliver mobile TV service. In this paper, we are not limited to a particular broadcast network or technique, rather, we study the broadcast coverage from an information theory point of view. To ease our discussion, we simply use the term “base station” to refer any broadcast transmitter (radio mast, tower or cellular base station). In traditional broadcast network, base stations are operated independently. In this paper, we investigate the scenario where multiple base stations can collaborate with each other to transmit the common information.

计算广播报道,我们必须假设信道衰落统计数据。相同的频道模型(16使用)。自由空间传播损耗,要么信号预测模型是最常见的模型在大型城市macro-cells。这个模型适用于1 - 100公里以上的距离和150 - 1500 MHz的频率范围。实证路径损耗的标准公式在城市地区在哈塔模型

在哪里是载波频率,发射机/接收机天线高度和吗发射机和接收机之间的距离。大城市的频率MHz,校正因子是由

对于小尺度衰落,我们假设瑞利平落,也就是说,信封的复杂通道增益为每个空间通道分布如下:

在哪里是由路径损失(1)。

注意,在一个真正的城市环境有许多高层建筑,实际的信道统计要复杂得多。结合路径损耗和阴影模型需要计算一个特定的接收器的停机。然而,这种衰落统计将高度依赖实际城市地形、结构和不同城市。假设一个平坦的空地,我们简化信道模型可以给足够的洞察力MCC的好处。我们还假设缓慢平落在纸上。

3所示。广播覆盖率

在一个小区广播网络固定播放率,信息理论的故障概率与接收机相关联是由(17]

在连续频率选择情况下,中断概率就变成了

在多载波/ OFDM系统信道是频率选择,(5)成为

显然,覆盖区域由方程(1)- (4)是一个圆对于任何给定的中断的要求。不失一般性,我们选择Kbps,瓦特的半径公里的基准距离。图1显示了广播覆盖范围不同的中断概率,在坚实的黑色曲线(5%停机)是我们的基准。我们看到的报道增加像预期的那样。

接下来,我们将讨论范围扩张的多单元的合作。

3.1。世纪挑战集团与单接收天线()

我们假设多个基站线通过高容量骨干网连接,因此可以完全互相协作。在这种情况下,每个基站可以被视为一个发射天线的分布式多输入单输出系统(味噌)。也,因为基站之间的距离的公里,空间通道来自不同基站被认为是相互独立的。让被传输的输入向量,与接收机相关联的故障概率是由(17]

在哪里向量和频道吗是输入的空间协方差矩阵。

备注1。在实践中,每个基站受制于自己的权力约束,这是由放大器的发射天线。在本文中,我们采用这种个人BS权力约束。然而,对于公平的比较之间的广播报道单细胞和多单元的情况下,我们把多单元的传输的总功率限制,也就是说,所有基站的最大总功率。

由于广播网络的性质,BSs没有通道和位置信息的接收者。因此,发射机不能优化其输入协方差结构在每个接收天线同时点。假设为空间白(ZMSW)信道模型,最优功率分配策略是平等的权力分配给每个基站(18),导致等于扩展单位矩阵:。方程(7)因此成为

注意=配电/ BSs并不意味着所有BSs发送相同的信号。在信道未知的发射机,Alamouti方案技术来实现的褶皱分集增益(17]。从(8),我们可以看到,和,覆盖面积仅取决于的分布。以来的平均路径损耗是基站之间的距离的函数和一个广播接收器,我们知道最糟糕的接收器总是在区域的边缘。因此,覆盖范围可以通过定位计算边缘用户向四面八方扩散。为此,我们首先需要得到的分布。在实践中,这是不现实的和不必要的多单元的合作,大量的细胞(6,7]。这里我们研究两个实际的场景和。

让和。请注意,和是我的。d ()与卡方分布,随机变量的分布是由

的情况下的提供可以通过旋卷(9),

在哪里是由从基站通过损失吗接收机。

在一般情况下与任意的的PDF可以获得的

方程(10)和(11)可用于确定多单元的广播覆盖范围。例如,图2显示了两个细胞合作案例,细胞分离距离吗的极坐标接收器。注意,路径损耗,只是一个功能单元之间的距离和接收机。对于每个方向()从原点,我们计算一个半径这样的分布在满足(8)。通过定位覆盖边缘向四面八方,最大覆盖面积可以数值计算。

数据3- - - - - -5展示一些数值结果的多单元的广播报道。为,图3情节延伸覆盖两个基站位于和。相比单一细胞传输如图1,两个合作的保险收益细胞是3.5399,2.0922和3.4522的中断概率1%,分别为5%和10%,覆盖增益定义为MCC覆盖单一细胞覆盖的比率。

同样,图4情节的两个细胞覆盖在两个基站之间的距离翻了一倍。相比单一细胞的情况下,保险收益是3.5245,2.1469和3.5033的中断概率1%,分别为5%和10%。我们观察到两个细胞覆盖率获得不敏感细胞分离的距离。

为,图5显示了广播覆盖范围为单细胞和多单元的传输(16]。中心的圆表示单细胞覆盖范围。外地区扩展覆盖范围与多单元的合作,和基站周围的三个小圆圈是多单元的覆盖范围,当他们不合作。相比单个细胞的情况下,多单元的合作报道获得在这种情况下。

进一步找到最佳的细胞分离,我们数值计算覆盖范围为不同的细胞分离距离的函数年代。假设三个合作细胞同样分开,人物6显示了总覆盖面积作为b分离距离的函数(16]。最佳的细胞分离,和公里为中断概率达到最大覆盖面积,和,分别。

3.2。世纪挑战集团与多个接收机天线()

当接收方有多个天线,协作多单元的广播网络成为分布式MIMO系统。虽然基站之间的空间通道是独立的,它们之间的相关接收天线的接收,因为多个接收天线是密切。文中广播、中断概率与接收机相关联是由:

在哪里与用户相关的信道矩阵吗。代入,(12)成为

由于增加了空间的复杂性,没有密切的分布形式在(13)。我们因此使用仿真获取故障覆盖率数值。在我们的模拟中,空间通道任意两个接收天线之间的相关系数是0.5。

的情况下,图7显示了报道获得两个基站位于和。输出广播网络相比,保险收益是8.8,4.84和3.71的中断概率1%,分别为5%和10%。这个巨大的收益预计由于添加在每个接收机天线。

类似的结果在图8显示的报道获得基站的位置和。覆盖收益在这种情况下是9.21,5.13和3.95的中断概率1%,分别为5%和10%。比较数据7和8产生一个更好的获得由于较大的BS分离。然而,MCC增益将成为零当合作BSs太远。因此,BSs分离距离应该精心挑选以优化网络覆盖。在所有情况下,我们看到了分布式MIMO广播网络提供了最大的覆盖率。

4所示。结论

在本文中,我们研究了多单元的合作广播网络的性能。由于广播的独特性质,我们选择中断容量和覆盖范围的品质因数。在现实中,合作是在大量的细胞并不可行。两个和三个合作情况下的细胞,我们显式导出接收功率的分布,计算了广播报道。我们也评估基站广播报道获得分离的影响。结果表明,BSs合作不应放在太近或两个远的方式以达到最大覆盖。针对分布式MIMO情况每个接收机有多个天线,我们提供了数值结果显示扩大覆盖范围。在所有情况下,我们的研究结果表明,广播网络的覆盖范围可以显著增加了多单元的合作。

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