3d-mimo系統(tǒng)中基于波束形狀匹配的分布式干擾協(xié)調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信中用戶3D分布下3D-]\OMO系統(tǒng)中的干擾協(xié)調(diào)方案，具體為一 種3D-M頂0系統(tǒng)中基于波束形狀匹配的分布式干擾協(xié)調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 受限于傳統(tǒng)的基站天線構(gòu)架，現(xiàn)有的ΜΜ0傳輸方案一般只能在水平面實(shí)現(xiàn)對(duì)信 號(hào)空間分布特性的控制，還沒有充分利用3D信道中垂直維度的自由度，更沒有深層地挖掘 出ΜΜ0技術(shù)對(duì)于改善移動(dòng)通信系統(tǒng)整體效率與性能及最終用戶體驗(yàn)的潛能。近年來，在 基站處配備大量天線并可同時(shí)與多個(gè)同信道用戶通信的大規(guī)模MIM0(Very Large ΜΙΜΟ or Massive MHTO)系統(tǒng)，因其僅通過增加基站的天線數(shù)量便可使得系統(tǒng)容量顯著提高而受到 了學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于空間及天線尺寸的限制，3D-MIM0被引入到大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中，以 此來解決大規(guī)模天線陣列的實(shí)現(xiàn)問題。簡單來說，3D ΜΠΚ)技術(shù)在不改變現(xiàn)有天線尺寸的條 件下，可以將每個(gè)垂直的天線陣子分割成多個(gè)陣子，從而開發(fā)出MMO的另一個(gè)垂直方向的 空間維度，進(jìn)而將ΜΜ0技術(shù)推向一個(gè)更高的發(fā)展階段，為LTE傳輸技術(shù)的性能提升開拓出 更廣闊的空間，使得進(jìn)一步降低小區(qū)間干擾、提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率成為可能。
[0003] 3D-M頂0現(xiàn)有文獻(xiàn)研究內(nèi)容大致包括3D信道建模、小區(qū)垂直分裂（研究不同分裂 方式、分裂數(shù)目情況下系統(tǒng)總體性能及干擾分析）、3D波束賦形（以系統(tǒng)和速率或干擾等 為目標(biāo)優(yōu)化天線權(quán)值或預(yù)編碼，形成不同波束）、基于3D-M頂0的干擾協(xié)調(diào)（通過優(yōu)化下傾 角、功率分配、資源分配等降低小區(qū)及扇區(qū)間干擾）等，其有一共同點(diǎn)是均假設(shè)用戶分布在 接近地面的同一水平高度。然而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市中建筑物的高度越來越高，密度越來 越大，用戶處于高樓層的概率也逐漸增大，現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于用戶分布在地面的假設(shè)也越來 越不符合實(shí)際。為了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升，基于用戶3D分布的3D-Mn?)系統(tǒng)性能研究也 急需提上研究日程。
[0004] 現(xiàn)有的調(diào)整傾角方案通過調(diào)整天線權(quán)值來調(diào)整波束指向，以服務(wù)不同3D位置的 用戶。然而其既不能調(diào)整波束半功率波束寬度，又不能對(duì)用戶間干擾進(jìn)行抑制，其邊緣用戶 服務(wù)質(zhì)量較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種能夠提升邊緣用戶及系統(tǒng)總體性能 的，3D-Mnro系統(tǒng)中基于波束形狀匹配的分布式干擾協(xié)調(diào)方法。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] 本發(fā)明3D-MM)系統(tǒng)中基于波束形狀匹配的分布式干擾協(xié)調(diào)方法，包括如下步 驟，
[0008] 第一步，在一個(gè)用戶3D分布的多小區(qū)3D-Mnro系統(tǒng)中，將每小區(qū)劃分為多個(gè)水平 扇區(qū)，其中每個(gè)水平扇區(qū)劃分為多個(gè)的垂直扇區(qū)；每個(gè)水平扇區(qū)的基站天線為一個(gè)面天線 陣，該天線陣列按列劃分為多個(gè)子陣，每個(gè)子陣生成一個(gè)波束服務(wù)一個(gè)垂直扇區(qū)，天線子陣 列數(shù)由對(duì)應(yīng)扇區(qū)內(nèi)用戶數(shù)決定；在每個(gè)水平扇區(qū)內(nèi)，基站初始化各垂直扇區(qū)波束主方向；
[0009] 第二步，根據(jù)用戶3D位置確定每個(gè)用戶所屬的初始服務(wù)波束，并根據(jù)每個(gè)垂直波 束內(nèi)用戶的仰角信息更新該服務(wù)波束主方向及半功率波束寬度；
[0010] 第三步，將更新后的服務(wù)波束主方向及半功率波束寬度代入所建立的以實(shí)際子陣 列天線增益與期望增益的均方誤差最小化為目標(biāo)的優(yōu)化問題，搜索出最優(yōu)的天線權(quán)值，使 不同垂直扇區(qū)波束干擾最小。
[0011] 優(yōu)選的，每小區(qū)劃分為3個(gè)水平扇區(qū)，其中每個(gè)水平扇區(qū)劃分為3個(gè)的垂直扇區(qū)； 垂直扇區(qū)劃分時(shí)按照等面積方法劃分扇區(qū)，高于基站天線的空間劃分為高扇區(qū)，低于基站 天線的空間等面積劃分為近扇區(qū)與遠(yuǎn)扇區(qū)。
[0012] 優(yōu)選的，具體包括如下步驟，
[0013] 1)按照TR36. 873協(xié)議參數(shù)播散每個(gè)小區(qū)內(nèi)的建筑位置和用戶位置，并確定初始 垂直扇區(qū)波束主方向；
[0014] 2)確定各垂直扇區(qū)波束服務(wù)的用戶集合；同一用戶集合內(nèi)的用戶俯仰角與垂直 扇區(qū)服務(wù)波束主方向最為接近；
[0015] 3)更新各波束主方向及半功率波束寬度HPBW;
[0016] 更新后束的主方向?yàn)榇瞬ㄊ?wù)用戶的最大與最小俯仰角中值，更新后束的半功 率波束寬度HPBW為此波束服務(wù)用戶的最大與最小俯仰角差值；
[0017] 4)對(duì)每個(gè)垂直扇區(qū)搜索最優(yōu)天線權(quán)值；
[0018] 將更新后的波束主方向及HPBW代入如下優(yōu)化問題，搜索出最優(yōu)的天線權(quán)值；
[0025]式中：
為單個(gè)天線在水平方 位角供和垂直俯仰角Θ處的陣元增益；七為水平方向天線間距，屯為垂直方向天線間距； 'n即為第m行η列天線陣元的權(quán)值；Μ為水平方向天線數(shù)目，N為垂直方向天線數(shù)目。
[0027] d ( Θ )為HPBW內(nèi)的期望增益；
[0028] Θ tar為波束主方向；
[0029] β為期望的波束HPBW;
[0030] α為旁瓣最高增益；
[0031] γ為過渡角度區(qū)間；
[0032] 〇為零陷閾值；
[0033] θ θ __2為同水平扇區(qū)內(nèi)其他波束的主方向。
[0034] 進(jìn)一步，d( Θ )取波束主方向增益的最大值，歸一化后為d( Θ ) = 1。
[0035] 再進(jìn)一步，優(yōu)化問題的約束條件為：1)HPBW內(nèi)天線增益高于天線最大增益 的-3dB;2)HPBW加過渡區(qū)間γ =5°外的角度范圍內(nèi)天線增益小于某閾值a =-20dB;3) 同水平扇區(qū)內(nèi)其他波束的主方向形成零陷，天線增益小于σ =-40dB ;4)天線權(quán)值歸一化。
[0036] 再進(jìn)一步，步驟4)中求得最優(yōu)天線權(quán)值后，每個(gè)用戶的接收信號(hào)為；
[0038] 式中：
[0039] L為3D-M頂0系統(tǒng)中的小區(qū)數(shù)量，L為正整數(shù)；
[0040] K為每個(gè)小區(qū)的用戶數(shù)量，K為正整數(shù)；
[0041] Ptl為第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶的下行發(fā)送功率；
[0042] 為第1個(gè)小區(qū)第!^個(gè)用戶到該用戶所屬扇區(qū)iM天線陣間的信道信息，其 中ikil為該用戶所述扇區(qū)的序號(hào)；
[0043] 為扇區(qū)^的天線權(quán)值矩陣，為％, 的對(duì)角陣，％表示扇區(qū)iM所用天 線的陣元個(gè)數(shù)；
[0044] Vlu為第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶的預(yù)編碼矢量，維度為Xl);
[0045] Clu為第1個(gè)小區(qū)用戶k的發(fā)送符號(hào)，且滿足|Ck,」=1;
[0046] nkil為用戶接收端處的高斯白噪聲，均值為零，方差為σ 2。
[0047] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0048] 本發(fā)明通過在每個(gè)水平扇區(qū)內(nèi)，基站初始化各垂直扇區(qū)波束方向，根據(jù)用戶3D位 置確定每個(gè)用戶所屬的初始服務(wù)波束，并根據(jù)每個(gè)垂直波束內(nèi)用戶的仰角信息更新該波束 方向及半功率波束寬度；將更新后的波束方向及半功率波束寬度代入所建立的優(yōu)化問題， 搜索出最優(yōu)的天線權(quán)值，從而使得不同垂直扇區(qū)波束的干擾最小，提高了信干噪比，保證了 系統(tǒng)性能。本發(fā)明相對(duì)于傳統(tǒng)只調(diào)整傾角的方案，最大的好處在于可以同時(shí)調(diào)整天線波束 的指向及半功率波束帶寬，其不僅追求目標(biāo)方向上的天線增益，而且對(duì)其它方向上的干擾 進(jìn)行抑制，使得各波束更精確地服務(wù)用戶。同時(shí)該方案通過調(diào)整半功率波束寬度，可擴(kuò)大覆 蓋范圍，從而可有效提升邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量。
【附圖說明】
[0049] 圖1是本發(fā)明實(shí)例中基于用戶3D分布的多小區(qū)3D-MM)系統(tǒng)模型。
[0050] 圖2是本發(fā)明實(shí)例中各波束劃分垂直空間，波束方向及HPBW的確定示意圖。
[0051] 圖3是本發(fā)明實(shí)例中列16天線MRT預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案的用戶平均頻 譜效率對(duì)比。
[0052] 圖4是本發(fā)明實(shí)例中列16天線MRT預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案中某水平扇區(qū) 頻譜效率隨信噪比變化。
[0053] 圖5是只調(diào)整傾角方案與本發(fā)明實(shí)例中在高/低信噪比時(shí)兩波束之間干擾與噪聲 影響示意圖。
[0054] 圖6是本發(fā)明實(shí)例中列32天線MRT預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案的用戶平均頻 譜效率對(duì)比。
[0055] 圖7是本發(fā)明實(shí)例中列32天線MRT預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案中某水平扇區(qū) 頻譜效率隨信噪比變化。
[0056] 圖8是本發(fā)明實(shí)例中列16天線SLNR預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案的用戶平均頻 譜效率對(duì)比。
[0057] 圖9是本發(fā)明實(shí)例中列16天線MRT預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案中某水平扇區(qū) 頻譜效率隨信噪比變化。
【具體實(shí)施方式】
[0058] 下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0059] 本發(fā)明3D-Mn?)系統(tǒng)中基于波束形狀匹配的分布式干擾協(xié)調(diào)方法的核心思想是： 第一步，在每個(gè)水平扇區(qū)內(nèi)，基站初始化各垂直扇區(qū)波束方向，根據(jù)用戶3D位置確定各用 戶初始服務(wù)波束，并更新各波束方向及半功率波束寬度；第二步，將更新后的波束方向及半 功率波束寬度代入所建立的優(yōu)化問題，搜索出最優(yōu)的天線權(quán)值。
[0060] 考慮一個(gè)用戶3D分布的多小區(qū)3D-Mnro系統(tǒng)，系統(tǒng)中共有L個(gè)小區(qū)，如圖1所示， 每小區(qū)劃分為3個(gè)水平扇區(qū)，其中每個(gè)水平扇區(qū)劃分為3個(gè)垂直扇區(qū)，優(yōu)選的我們按照等面 積方法劃分扇區(qū)，即高于基站天線的空間劃分為高扇區(qū)，低于基站天線的空間等面積劃分 為近扇區(qū)與遠(yuǎn)扇區(qū)，每個(gè)小區(qū)服務(wù)K個(gè)單天線用戶，用戶分布模型采用3D分布模型。每個(gè) 水平扇區(qū)的基站天線為一個(gè)面天線陣，天線數(shù)為Ντ，該天線陣列按列劃分為3個(gè)子陣，每個(gè) 子陣生成一個(gè)波束服務(wù)一個(gè)垂直扇區(qū)，天線子陣列數(shù)由對(duì)應(yīng)扇區(qū)內(nèi)用戶數(shù)決定。假設(shè)天線 列與列之間相關(guān)性較小，可在水平方向上做MU-MM)預(yù)編碼，而一列天線內(nèi)各個(gè)天線陣元 間相關(guān)性較強(qiáng)，用來做波束賦形。在每個(gè)水平扇區(qū)內(nèi)，可以認(rèn)為水平方向上天線全覆蓋，只 考慮垂直方向上的波束調(diào)整。假設(shè)第1個(gè)小區(qū)用戶k的發(fā)送符號(hào)為Clu，滿足|Clu| =1， MU-M頂0采用MRT預(yù)編碼算法，預(yù)編碼矢量為xl)，其中該用戶所述扇區(qū)的序 號(hào)，且ikile {1，...，9}。則第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶的接收信號(hào)可以表示為
[0062] 式中：
[0063] PM一一第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶的下行發(fā)送功率；
[0064] ΗΑ%Λ??/,--第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶到該用戶所屬扇區(qū)天線陣間的信道信息， 其中ikil為該用戶所述扇區(qū)的序號(hào)；
[0065] --扇區(qū)ikil的天線權(quán)值矩陣，為巧產(chǎn)幾，的對(duì)角陣，~表示扇區(qū)ikil所用 天線的陣元個(gè)數(shù)；
[0066] vM--第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶的預(yù)編碼矢量，維度為(',xl);
[0067] cM--第1個(gè)小區(qū)用戶k的發(fā)送符號(hào)，且滿足I Clu| = 1 ;
[0068] η k_ I 接收機(jī)處的尚斯白噪聲，均值為零，方差為σ 2。
[0069] 其信干噪比公式為
[0071] 信道模型采用TR36. 8