3d-mimo系統中基于波束形狀匹配的分布式干擾協調方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線通信中用戶3D分布下3D-]\OMO系統中的干擾協調方案，具體為一 種3D-M頂0系統中基于波束形狀匹配的分布式干擾協調方法。
【背景技術】
[0002] 受限于傳統的基站天線構架，現有的ΜΜ0傳輸方案一般只能在水平面實現對信 號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技術對于改善移動通信系統整體效率與性能及最終用戶體驗的潛能。近年來，在 基站處配備大量天線并可同時與多個同信道用戶通信的大規模MIM0(Very Large ΜΙΜΟ or Massive MHTO)系統，因其僅通過增加基站的天線數量便可使得系統容量顯著提高而受到 了學者的廣泛關注。由于空間及天線尺寸的限制，3D-MIM0被引入到大規模ΜΙΜΟ系統中，以 此來解決大規模天線陣列的實現問題。簡單來說，3D ΜΠΚ)技術在不改變現有天線尺寸的條 件下，可以將每個垂直的天線陣子分割成多個陣子，從而開發出MMO的另一個垂直方向的 空間維度，進而將ΜΜ0技術推向一個更高的發展階段，為LTE傳輸技術的性能提升開拓出 更廣闊的空間，使得進一步降低小區間干擾、提高系統吞吐量和頻譜效率成為可能。
[0003] 3D-M頂0現有文獻研究內容大致包括3D信道建模、小區垂直分裂（研究不同分裂 方式、分裂數目情況下系統總體性能及干擾分析）、3D波束賦形（以系統和速率或干擾等 為目標優化天線權值或預編碼，形成不同波束）、基于3D-M頂0的干擾協調（通過優化下傾 角、功率分配、資源分配等降低小區及扇區間干擾）等，其有一共同點是均假設用戶分布在 接近地面的同一水平高度。然而隨著經濟的發展，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，現有文獻中關于用戶分布在地面的假設也越來 越不符合實際。為了系統性能的進一步提升，基于用戶3D分布的3D-Mn?)系統性能研究也 急需提上研究日程。
[0004] 現有的調整傾角方案通過調整天線權值來調整波束指向，以服務不同3D位置的 用戶。然而其既不能調整波束半功率波束寬度，又不能對用戶間干擾進行抑制，其邊緣用戶 服務質量較差。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種能夠提升邊緣用戶及系統總體性能 的，3D-Mnro系統中基于波束形狀匹配的分布式干擾協調方法。
[0006] 本發明是通過以下技術方案來實現：
[0007] 本發明3D-MM)系統中基于波束形狀匹配的分布式干擾協調方法，包括如下步 驟，
[0008] 第一步，在一個用戶3D分布的多小區3D-Mnro系統中，將每小區劃分為多個水平 扇區，其中每個水平扇區劃分為多個的垂直扇區；每個水平扇區的基站天線為一個面天線 陣，該天線陣列按列劃分為多個子陣，每個子陣生成一個波束服務一個垂直扇區，天線子陣 列數由對應扇區內用戶數決定；在每個水平扇區內，基站初始化各垂直扇區波束主方向；
[0009] 第二步，根據用戶3D位置確定每個用戶所屬的初始服務波束，并根據每個垂直波 束內用戶的仰角信息更新該服務波束主方向及半功率波束寬度；
[0010] 第三步，將更新后的服務波束主方向及半功率波束寬度代入所建立的以實際子陣 列天線增益與期望增益的均方誤差最小化為目標的優化問題，搜索出最優的天線權值，使 不同垂直扇區波束干擾最小。
[0011] 優選的，每小區劃分為3個水平扇區，其中每個水平扇區劃分為3個的垂直扇區； 垂直扇區劃分時按照等面積方法劃分扇區，高于基站天線的空間劃分為高扇區，低于基站 天線的空間等面積劃分為近扇區與遠扇區。
[0012] 優選的，具體包括如下步驟，
[0013] 1)按照TR36. 873協議參數播散每個小區內的建筑位置和用戶位置，并確定初始 垂直扇區波束主方向；
[0014] 2)確定各垂直扇區波束服務的用戶集合；同一用戶集合內的用戶俯仰角與垂直 扇區服務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] 更新后束的主方向為此波束服務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為此波束服務用戶的最大與最小俯仰角差值；
[0017] 4)對每個垂直扇區搜索最優天線權值；
[0018] 將更新后的波束主方向及HPBW代入如下優化問題，搜索出最優的天線權值；
[0025]式中：
為單個天線在水平方 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列天線陣元的權值；Μ為水平方向天線數目，N為垂直方向天線數目。
[0027] d ( Θ )為HPBW內的期望增益；
[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為過渡角度區間；
[0032] 〇為零陷閾值；
[0033] θ θ __2為同水平扇區內其他波束的主方向。
[0034] 進一步，d( Θ )取波束主方向增益的最大值，歸一化后為d( Θ ) = 1。
[0035] 再進一步，優化問題的約束條件為：1)HPBW內天線增益高于天線最大增益 的-3dB;2)HPBW加過渡區間γ =5°外的角度范圍內天線增益小于某閾值a =-20dB;3) 同水平扇區內其他波束的主方向形成零陷，天線增益小于σ =-40dB ;4)天線權值歸一化。
[0036] 再進一步，步驟4)中求得最優天線權值后，每個用戶的接收信號為；
[0038] 式中：
[0039] L為3D-M頂0系統中的小區數量，L為正整數；
[0040] K為每個小區的用戶數量，K為正整數；
[0041] Ptl為第1個小區第k個用戶的下行發送功率；
[0042] 為第1個小區第!^個用戶到該用戶所屬扇區iM天線陣間的信道信息，其 中ikil為該用戶所述扇區的序號；
[0043] 為扇區^的天線權值矩陣，為％, 的對角陣，％表示扇區iM所用天 線的陣元個數；
[0044] Vlu為第1個小區第k個用戶的預編碼矢量，維度為Xl);
[0045] Clu為第1個小區用戶k的發送符號，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] 與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：
[0048] 本發明通過在每個水平扇區內，基站初始化各垂直扇區波束方向，根據用戶3D位 置確定每個用戶所屬的初始服務波束，并根據每個垂直波束內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化問題， 搜索出最優的天線權值，從而使得不同垂直扇區波束的干擾最小，提高了信干噪比，保證了 系統性能。本發明相對于傳統只調整傾角的方案，最大的好處在于可以同時調整天線波束 的指向及半功率波束帶寬，其不僅追求目標方向上的天線增益，而且對其它方向上的干擾 進行抑制，使得各波束更精確地服務用戶。同時該方案通過調整半功率波束寬度，可擴大覆 蓋范圍，從而可有效提升邊緣用戶的服務質量。
【附圖說明】
[0049] 圖1是本發明實例中基于用戶3D分布的多小區3D-MM)系統模型。
[0050] 圖2是本發明實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是本發明實例中列16天線MRT預編碼七小區場景下不同方案的用戶平均頻 譜效率對比。
[0052] 圖4是本發明實例中列16天線MRT預編碼七小區場景下不同方案中某水平扇區 頻譜效率隨信噪比變化。
[0053] 圖5是只調整傾角方案與本發明實例中在高/低信噪比時兩波束之間干擾與噪聲 影響示意圖。
[0054] 圖6是本發明實例中列32天線MRT預編碼七小區場景下不同方案的用戶平均頻 譜效率對比。
[0055] 圖7是本發明實例中列32天線MRT預編碼七小區場景下不同方案中某水平扇區 頻譜效率隨信噪比變化。
[0056] 圖8是本發明實例中列16天線SLNR預編碼七小區場景下不同方案的用戶平均頻 譜效率對比。
[0057] 圖9是本發明實例中列16天線MRT預編碼七小區場景下不同方案中某水平扇區 頻譜效率隨信噪比變化。
【具體實施方式】
[0058] 下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而 不是限定。
[0059] 本發明3D-Mn?)系統中基于波束形狀匹配的分布式干擾協調方法的核心思想是： 第一步，在每個水平扇區內，基站初始化各垂直扇區波束方向，根據用戶3D位置確定各用 戶初始服務波束，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化問題，搜索出最優的天線權值。
[0060] 考慮一個用戶3D分布的多小區3D-Mnro系統，系統中共有L個小區，如圖1所示， 每小區劃分為3個水平扇區，其中每個水平扇區劃分為3個垂直扇區，優選的我們按照等面 積方法劃分扇區，即高于基站天線的空間劃分為高扇區，低于基站天線的空間等面積劃分 為近扇區與遠扇區，每個小區服務K個單天線用戶，用戶分布模型采用3D分布模型。每個 水平扇區的基站天線為一個面天線陣，天線數為Ντ，該天線陣列按列劃分為3個子陣，每個 子陣生成一個波束服務一個垂直扇區，天線子陣列數由對應扇區內用戶數決定。假設天線 列與列之間相關性較小，可在水平方向上做MU-MM)預編碼，而一列天線內各個天線陣元 間相關性較強，用來做波束賦形。在每個水平扇區內，可以認為水平方向上天線全覆蓋，只 考慮垂直方向上的波束調整。假設第1個小區用戶k的發送符號為Clu，滿足|Clu| =1， MU-M頂0采用MRT預編碼算法，預編碼矢量為xl)，其中該用戶所述扇區的序 號，且ikile {1，...，9}。則第1個小區第k個用戶的接收信號可以表示為
[0062] 式中：
[0063] PM一一第1個小區第k個用戶的下行發送功率；
[0064] ΗΑ%Λ??/,--第1個小區第k個用戶到該用戶所屬扇區天線陣間的信道信息， 其中ikil為該用戶所述扇區的序號；
[0065] --扇區ikil的天線權值矩陣，為巧產幾，的對角陣，~表示扇區ikil所用 天線的陣元個數；
[0066] vM--第1個小區第k個用戶的預編碼矢量，維度為(',xl);
[0067] cM--第1個小區用戶k的發送符號，且滿足I Clu| = 1 ;
[0068] η k_ I 接收機處的尚斯白噪聲，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