[论文解读] Downlink Performance and Capacity of Distributed Antenna Systems

Sina Firouzabadi, Andrea Goldsmith|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2011

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering参考文献 9被引用 18

一句话总结

本文確立了具有每端口功率約束的分布式天線系統（DAS）的遍歷下行鏈路容量，針對兩種信道狀態資訊情境（完美CSIT與僅接收端CSI）推導出閉式容量表達式。研究證明，在具備CSIT時波束成形為最佳策略，而在無CSIT時各端口內等功率分配為最佳策略，並示範最佳天線位置可顯著提升系統容量與能量效率。

ABSTRACT

This paper investigates the performance of the downlink channel in distributed antenna systems. We first establish the ergodic capacity of distributed antennas, under different channel side information (CSI) assumptions. We consider a generalized distributed antenna system with $N$ distributed ports, each of which is equipped with an array of $L$ transmit antennas and constrained by a fixed transmit power. For this system we calculate the downlink capacity to a single antenna receiver, under different assumptions about the availability of the channel states at the transmitter. Having established this information theoretic analysis of the ergodic capacity of distributed antenna systems, this paper also investigates the effect of antenna placement on the performance of such systems. In particular, we investigate the optimal placement of the transmit antennas in distributed antenna systems. We present a fairly general framework for this optimization with no constraint on the location of the antennas. Based on stochastic approximation theory, we adopt a formulation that is suitable for node placement optimization in various wireless network scenarios. We show that optimal placement of antennas inside the coverage region can significantly improve the power efficiency of wireless networks.

研究动机与目标

• 分析具有每端口功率約束的分布式天線系統之遍歷下行鏈路容量，此類約束在實際部署中常見。
• 研究信道狀態資訊在發送端（CSIT）對系統容量的影響，區分完美CSIT與僅接收端CSI兩種情境。
• 在一般且無地理限制的框架下，確定分布式天線埠的最佳佈置方式，以最大化系統效能與能量效率。
• 量化透過最佳天線佈置相較於傳統集中式天線系統所能獲得的容量與功率效率提升。

提出的方法

• 建立一個包含N個分散埠的廣義DAS模型，每個埠具備L個發射天線與獨立的功率預算S_m。
• 透過求解兩種CSI假設下的隨機最佳化問題，推導出閉式遍歷容量表達式：完美CSIT與僅接收端CSI。
• 應用隨機逼近理論以優化天線佈置，無拓撲限制，從而支援一般部署情境。
• 運用詹森不等式與協方差界，推導出可達信噪比的上界，並證明功率分配的最優條件。
• 示範在具備完美CSIT時，每埠波束成形可最大化容量；而在無CSIT時，各埠內所有天線採等功率分配為最佳策略。
• 透過證明任何對稱功率分配的偏離將導致目標函數值矛盾，從而驗證所推導解的最優性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有每端口功率約束且發送端具備不同層級信道狀態資訊的分布式天線系統之遍歷下行鏈路容量為何？
• RQ2 最佳傳輸策略（波束成形 vs. 等功率分配）如何依賴於發送端CSI的可得性？
• RQ3 最佳天線佈置對分布式天線系統之容量與能量效率有何影響？
• RQ4 能否針對具有每端口功率約束的DAS下行鏈路容量推導出閉式解？若可，其成立條件為何？
• RQ5 當將鄰近小區的干擾視為干擾時，其對遍歷容量有何影響？

主要发现

• 在具備完美CSIT時，最佳傳輸策略為在每個分布式天線埠實施波束成形，可最大化信噪比，並達成最高的遍歷容量。
• 當僅在接收端取得CSI時，最佳策略為在每個埠內所有天線上均勻分配功率，且埠間協作不會提升容量。
• 在CSIT與非CSIT兩種情境下，均推導出遍歷容量的閉式表達式，為系統設計提供理論基礎。
• 最佳天線佈置可顯著提升系統容量與功率效率，且增益對天線位置極為敏感。
• 最佳佈置帶來的容量增益可能非常顯著，特別是在干擾受限情境下，且在功率分配與位置聯合優化設計時達至最大。
• 透過隨機逼近與不等式約束的數學證明，驗證了所推導容量表達式的正確性，顯示當CSIT不存在時，對稱功率分配為最優。