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TD-LTE网络 MIMO双通道室内分布系统的设计研究
作者：王玉磊
来源：《中国新通信》2016年第02期
【摘要】 现阶段，在现有室内分布覆盖系统上改造实现TD-LTE的MIMO双通道室内分布覆盖，面临改造成本较高、施工周期较长和物业协调难度较大等困难。本文通过建立一路合路、一路新建方式的MIMO双通道室分系统模型，并基于该模型设计了组合优化的求解算法，为TD-LTE双通道室分系统的智能化设计提供了一种新思路和解决方案。 【关键词】 MIMO双通道 TD-LTE 室内分布系统
随着第四代移动通信技术的不断发展，全球范围内已开始大规模部署4G TD-LTE网络。依据大量现网数据可以发现，高速下载业务的70%都是在室内进行的，因此，研究和规划TD-LTE网络的时候，室内分布覆盖系统的建设和改造就变得十分重要。
为了保护通信运营商的前期投资，TD-LTE网络的室内分布建设要尽量基于现有室内分布系统进行改造。 TD-LTE系统的一个重要技术是多天线技术，即MIMO技术。而现有的室分系统为单馈线系统，无法实现TD-LTE系统的MIMO特性，对TD-LTE系统的容量和传输速率都有很大影响。本文提出了一种基于一路合路/一路新建的MIMO双通道室内分布系统模型，通过组合优化算法的求解，在保证TD-LTE室内分布系统双通道功率平衡的前提下，实现了无源器件的组合成本最低、功率损耗最小的最优改造目标。 一、TD-LTE双通道室内分布系统的数学模型
依据室内分布系统设计的基本规范需求，设计一路新建和一路合路的双通道MIMO无源室内分布系统。以所合路天线口的实际功率为基础，作为新建一路相应天线口的输入功率，并限定两个通道的每对MIMO天线功率差在一定范围之内。根据工程应用经验，两条通道存在5dB功率差的时候会降低30%容量，两条通道存在3dB功率差的时候会降低8%容量，因此本系统约束功率差在3dB以内。 1.1新建通道模型描述
新建通道共分四级模式，由主干和平层组成，主干处于一二级，平层处于三四级。以合路一路的天线布放位置和功率作为新建一路的输入，并限制两条通道的天线口功率差在3dB范围内。一级和三级由若干功分器组成虚拟功分器，二级和四级则使用耦合器来对平层或天线分配功率。
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1.2新建通道的数学模型
模型的输入和已知条件为：合路一路信息（天线实际位置，功率）、室内基站信息（位置，输出功率）、建筑物信息（层数，楼层高度）、耦合器、馈线、损耗、功分器类型。 模型变量：
其中，楼层总数k=1，2....，第i层天线总数i=1，2，...。Hi，k属于相对比较复杂的公式。平层和主干中所有馈线和器件成本最小和实际上就是最低总成本。平层和主干中所有馈线
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和器件损耗功率最小，实际上就是最低总功率。MIMO双通道平衡功率约束实际上就是合路一路和新建一路天线之间具备3dB范围内的功率差，选择性约束实际上就是说有且只有一种所有馈线和器件选择，以此来确保具备良好的系统性能。 二、求解算法
本文主要依据电缆价格和成本以及功分器、耦合器等成本和价格建立符合情况的目标函数，并且上述模型主要就是有效优化组合目标中整数规划现象，属于一种线性特殊规划形似，上述现象存在比较大解空间，很少Pareto最优解，以及复杂的寻优过程，依据模型设计过程中的实际特征，建立基于M2M种群分解策略算法，此算法可以确保具备多样性的种群，准确发现有效解。M2M算法基本理念实际上就是分解复杂做目标优化问题形成一些相对比较简单多目标子集来达到求解的目的，另外还可以有效解决上述问题。操作的时候，种群可以被分为很多子种群，每一个子问题都和一个子种群对应，利用相互协作的方式来对子种群求解子问题，以便于达到求解多目标优化问题的目的。M2M算法分解种群的时候主要应用方向向量，在目标向量空间中首先给出K个单位方向向量V1，V2，....VK，对方向向量以及个体夹角进行计算，个体需要适当分配到具备最小方向向量的方向向量夹角代表子区域中。基本计算M2M算法的步骤是：
第一步，初始化。种群初始化以后，适当分配把种群合理到K个子区域中，形成子种群P1，P2，...PK。
第二步，杂交变异。所有子区域中都会形成新个体。
第三步，选择。在所有子区域中依据选择策略合理选择新子种群。
依据整数编码形式来初始化种群个体，每一种元素实际上都代表一种馈线或者耦合器应用型号，假设需要确定n条馈线m个耦合器的类型，馈线、耦合器分别具备N、M种类型，个体右边N个元素实际上就是相对应馈线位置类型，右边M个元素实际上就是相对应耦合器位置类型。如果具备个体V个，V=（v1，v2，vm，...，vn），其中vi是整数，M≥vi≥1，当i大于m的时候，vi是第i-m条馈线类型，当i小于等于m的时候，vi是第i个耦合器类型。M2M算法框架方式分解种群十分有效并且简单，仅仅只需要方向向量一组就能够实际分解种群，从上述研究可以发现，更新子种群个体的时候可以依据不同选择策略。 三、仿真实验
本文主要应用M2M种群分解策略算法来提出模型计算，仿真实验在Matlab2007B上实施，在实际设计室内分布系统设计应用上述算法，假设设计对象为八层楼宇，8、6、8、6、8、 6、8、8是第1～8层天线数目。设计中合理应用多目标优化计算方式，所以可以获得Pareto最优解，即得出1个具有一定代表性的解的室内分布系统。