● 摘要
基站协作技术可以有效地协调无线蜂窝通信中的小区间干扰(ICI, Inter-Cell Interference)，改善蜂窝通信系统的性能，因而近年来受到广泛关注，并被国际标准化组织指定为下一代无线蜂窝通信标准中的关键技术。随着无线通信业务量的急剧增加，蜂窝通信系统的能耗逐渐受到关注，未来的蜂窝系统设计必须兼顾频谱效率和能量效率。本文从高频谱效率和高能量效率两个角度研究下行蜂窝基站协作系统中的传输模式选择问题。
基站下行协作系统需要较大的训练开销来获取协作簇内用户的信道信息。为了避免协作增益被训练开销抵消掉，研究了在协作传输模式与非协作模式之间进行模式选择的方法。通过分析协作和非协作模式下考虑训练开销后每个用户的平均数据率，推导得到使得系统频谱效率最大的模式选择方法的显式判决表达式。判决结果取决于用户位置、协作基站数、天线数、训练开销以及系统信噪比(SNR, Signal-to-Noise Ratio)等因素。仿真结果表明采用所提出的模式选择方法，小区中心用户的性能优于纯协作系统，小区边缘用户的性能优于纯非协作系统。同时，所提出的模式选择方法可以降低系统骨干网负载。
协作联合传输(JT, Joint Transmission)需要在协作簇内的基站间共享数据因而对骨干网容量提出很高要求。协作波束协调(CB, Coordinated Beamforming)仅需要在协作簇内共享信道因而对骨干网容量要求较低，但其协作增益低于联合传输系统。本文研究了骨干网容量受限时两种协作方案之间的模式切换问题。通过求解优化问题，给出了在联合传输和波束协调模式间进行软切换的最优结果。为了降低系统实现复杂度，提出了硬切换方法。分析结果表明，硬切换方法的性能在骨干网容量的特定区间内低于软切换方法。仿真结果表明，在实际场景下软切换和硬切换方法的系统频谱效率均接近于最优性能，且模式切换系统的性能在骨干网容量受限时明显优于单一协作模式系统。
为了降低协作簇内的电路能耗从而改善能量效率，提出了在协作簇内进行天线和基站关闭模式设计的方法。通过建模并求解在给定用户服务质量需求的前提下最大化协作簇内能量效率的优化问题，给出了动态天线和基站关闭方法。为了降低系统实现复杂度，进一步提出了利用统计信道信息进行准静态天线和基站关闭的方法。为了表明当基站可以整体被关闭时是否有必要进行部分天线关闭，对两种特殊系统的总能耗进行分析，分析结果表明仅在用户服务质量需求较低且活跃天线数远大于活跃用户数时关闭基站可以节省更多能量。仿真结果表明通过关闭基站和天线可以明显改善基站协作系统的能量效率。当用户数据率需求较低时，准静态基站和天线关闭与动态关闭的性能接近。
为热点区域部署微基站可以支持局部高数据率需求。在包含宏基站和微基站的异构网络(Heterogeneous Network)中，基站协作可以有效地解决宏小区和微小区之间的干扰问题。本文研究了异构网络中高能量效率的用户接入方法，分析对比了用户接入宏基站和用户接入微基站两种模式的能耗。分析结果表明微基站与宏基站距离增大时用户倾向于接入微小区，微基站的天线数增加或微小区的用户数增加时用户也倾向于接入微小区。通过建模并求解在保证用户服务质量需求前提下使得异构网能量效率最大的优化问题，给出了最优的用户接入方法，每个用户均可独立选择接入宏基站或微基站。为了降低系统实现复杂度，进一步给出了利用统计信道信息确定用户接入结果的准静态方法。仿真结果表明，所提出的用户接入方法可以明显改善异构网的能量效率，且准静态用户接入可以达到接近动态用户接入的性能。