本发明涉及一种在宏蜂窝基站使用均匀平面天线阵的异构网络下行传输系统，尤其涉及一种利用统计信道信息的异构网络干扰协调方法。
背景技术：
随着现代信息社会的发展，各类智能移动终端数量的急剧增长，对无线通信系统的传输速率提出了更高的要求。小区分裂是一种传统、直接且有效的提高网络容量的方法。该方法将小区面积缩小并增加新的小区基站，缩短了基站与用户的距离，增大了小区密度。然而，使用宏蜂窝基站进行网络扩展成本高且受到空间限制。如果将具有较低功率的小型化基站(Small Cell)部署在传统宏蜂窝基站的覆盖范围之下，组成具有不同接入节点的异构网络将能够有效地解决上述矛盾。Small Cell作为宏蜂窝基站的有效补充，缩短了网络与用户的距离，使得利用高频段进行无线通信成为可能，同时由于采用同频部署的方式也增加了无线资源的复用率。同时小型化体积的特点使得Small Cell能够灵活部署在业务量需求比较集中的热点区域，实现提升网络容量和覆盖范围的效果。在基站部署成百甚至上千根天线的大规模MIMO(multiple-input multiple-output)是另一种提高网络传输速率和覆盖的有效方法。大规模MIMO的空间分辨率与现有MIMO相比显著增强，能深度挖掘空间维度资源，使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信，从而在不需要增加带宽的条件下大幅度提高频谱效率。此外，大规模MIMO可大幅降低发射功率，通过低成本、低功耗的器件实现，真正实现绿色通信。
大规模MIMO和异构网络能够大幅提升无线通信频谱效率和功率效率，被认为是构建未来高效能绿色移动通信系统的关键技术。然而，在实际应用中，大规模MIMO无线通信面临着众多挑战，其中之一就是基站所能配置的天线数量受到基站空间以及载波频率的影响。为了克服有限的空间对大规模MIMO无线通信系统的限制，并进一步挖掘利用垂直维度空间资源，近年来人们提出了在基站配置二维网格排列的大规模天线阵列，称为3D-MIMO。信道信息的获取是大规模MIMO面临的另一个挑战。现有大规模MIMO传输方案大都是通过上行链路正交导频和TDD系统上下行信道互易性，基站获得多用户上下行信道参数估值，并以此实施上行接收处理和下行预编码传输。然而，这一方案难以适应中高速移动通信场景及FDD系统。信道的统计状态信息在相当一段时间内是近似不变的，其精确度相对较高，利用统计信道状态信息的传输方案具有实现简单、反馈量小、鲁棒性强、能够同时适用于TDD和FDD系统的优点，是克服信道信息获取问题的有效方法。此外，Small Cell的引入在获得传输速率增益的同时，也带来了异构网络中跨层干扰的问题。当异构网络中为了增加网络的吞吐量和网络的服务质量，不断地增加Small Cell的部署密度时，这一问题会更加严重也会使得当网络处于低负载阶段时造成多余的能源消耗。因此，针对宏蜂窝基站使用均匀平面天线阵的异构网络下行传输系统，探索利用统计信道状态信息的干扰协调方法，对构建实用的大规模MIMO异构网络具有重要的理论价值和实际意义。
技术实现要素：
发明目的：针对上述现有技术，本发明为宏蜂窝基站使用均匀平面天线阵的异构网络下行传输系统提供一种利用三维统计信道信息的干扰协调方法，能够根据统计信道信息衡量层间干扰，将干扰较大的宏蜂窝用户卸载至低功率接入节点或从宏蜂窝服务用户集合中删除，将干扰较大的低功率接入节点功率降低或设置为休眠状态，以较低的复杂度降低层间干扰、提高边缘用户速率。
技术方案：一种利用三维统计信道信息的异构网络下行干扰协调方法，异构网络中宏蜂窝基站覆盖范围内存在多个低功率无线接入节点共享频谱资源；宏蜂窝基站采用均匀平面天线阵，包括Mv行天线阵垂直方向阵元，水平方向每行Mh个阵元，总发射功率为Pm；低功率接入节点i配置根天线，其总发射功率最大为最小为宏蜂窝基站首先将各低功率接入节点的总发射功率i＝1,…,Ns初始化为最大发射功率其中Ns为异构网络中低功率无线接入节点个数，将休眠的低功率接入节点集合初始化为空集，再利用三维统计信道信息计算各低功率接入节点及宏蜂窝基站在同一时频资源上服务的用户集合中各用户的关键参数；然后按照先依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行宏蜂窝干扰协调再依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行低功率接入节点干扰协调的步骤，或按照先依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行低功率接入节点干扰协调再依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行宏蜂窝干扰协调的步骤进行干扰协调；干扰协调完毕后仅对集合中剩余的宏蜂窝用户进行服务，将集合中的低功率接入节点均设置为休眠状态；
所述三维统计信道信息包括：宏蜂窝基站与宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km间信道的大尺度衰落因子βm,k，其中Km为集合中用户个数；宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km的垂直发送相关阵和水平发送相关阵其中矩阵为宏蜂窝基站与用户k之间的归一化信道矩阵，满足其第m行第n列的元素[Hm,k]m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数，上标(·)H代表共轭转置，E{·}代表求均值，tr{·}代表求矩阵的迹；低功率接入节点i,i＝1,…,Ns与该节点用户间信道的大尺度衰落因子的最小值以及宏蜂窝基站与低功率接入节点i,i＝1,…,Ns间信道的大尺度衰落因子垂直发送相关阵和水平发送相关阵其中矩阵为宏蜂窝基站与低功率接入节点i的任意用户j,间的归一化信道矩阵，其第m行第n列的元素为基站第m行第n列的天线阵元与该用户间的信道系数，Ksi为低功率接入节点i在同一时频资源上服务的用户数；低功率接入节点i,i＝1,…,Ns与宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km间信道的大尺度衰落因子
所述宏蜂窝基站利用三维统计信道信息计算各低功率接入节点及集合中各宏蜂窝用户的关键参数包括：
1)对集合中的宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km，计算及其中和分别为Mv×Mv和Mh×Mh的DFT矩阵，其第m行第n列的元素分别为和
2)对集合中的宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km，计算及其中和分别为ΛV,m,k的第a个对角元和ΛH,m,k的第b个对角元；
3)对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns，计算及
4)对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns，分别找出和的最大对角元和及和对角元中与和比值大于或等于某一预先设置的门限值δ4的对角元，记为集合和即其中，和分别为第m个对角元和的第n个对角元；
所述低功率接入节点i的宏蜂窝干扰协调按如下步骤进行：
a1)若低功率接入节点则进入步骤a2)；否则，结束该节点的宏蜂窝干扰协调；
a2)从集合中找出所有满足且的宏蜂窝用户，记为集合即集合中用户数记为并令l＝1；
a3)若集合中的第l个宏蜂窝用户kl，在宏蜂窝基站的服务用户集合中，则计算其对低功率接入节点i的干扰信号平均能量与低功率接入节点i的各用户有用信号平均能量之比否则进入步骤a8)；
a4)若宏蜂窝用户kl对低功率接入节点i的干扰度量值小于或等于某一预先设置的门限值δ1，转至步骤a8)；否则，将宏蜂窝用户kl从集合中删去，并进入步骤a5)；
a5)在不属于集合的低功率接入节点中找出与宏蜂窝用户kl间信道的大尺度衰落因子最大的低功率接入节点，记为节点r；
a6)计算宏蜂窝用户kl由低功率接入节点r服务情况下所接收到有用信号平均能量与其由宏蜂窝基站服务情况下所接收到有用信号平均能量之比
a7)若宏蜂窝用户kl至低功率接入节点r的卸载度量值大于或等于某一预先设置的门限值δ2，则将宏蜂窝用户kl卸载至低功率接入节点r，由该节点服务；
a8)令l＝l+1；若则转至步骤a3)，否则结束节点i的宏蜂窝干扰协调；
所述低功率接入节点i的低功率接入节点干扰协调按如下步骤进行：
b1)若低功率接入节点则进入步骤b2)；否则，结束该节点的低功率接入节点干扰协调；
b2)对所有宏蜂窝用户计算低功率接入节点i对其的干扰信号平均能量与其接收到的有用信号平均能量之比
b3)在所有宏蜂窝用户中找出最大的用户，记为用户ki，即
b4)若小于或等于某一预先设置的门限值δ3，则结束该节点的低功率接入节点干扰协调；否则，将低功率接入节点i的发射功率降低至能够满足小于或等于门限值δ3的最大发射功率
b5)若低功率接入节点i的发射功率大于或等于低功率接入节点的最低发射功率则结束该节点的低功率接入节点干扰协调；否则，将低功率接入节点i加入集合并结束该节点的低功率接入节点干扰协调。
进一步的，低功率接入节点i的宏蜂窝干扰协调中步骤a3)中宏蜂窝用户kl对低功率接入节点i的干扰信号平均能量与低功率接入节点i的各用户有用信号平均能量之比的计算方法为：
进一步的，低功率接入节点i的宏蜂窝干扰协调中步骤a6)宏蜂窝用户kl由低功率接入节点r服务情况下所接收到有用信号平均能量与其由宏蜂窝基站服务情况下所接收到有用信号平均能量之比的计算方法为
进一步的，低功率接入节点i的低功率接入节点干扰协调中步骤b2)中低功率接入节点i对宏蜂窝用户k的干扰信号平均能量与宏蜂窝用户k接收到的有用信号平均能量之比的计算方法为
进一步的，低功率接入节点i的低功率接入节点干扰协调步骤b4)中满足小于或等于门限值δ3的最大发射功率为
有益效果：本发明为宏蜂窝基站使用均匀平面天线阵的异构网络下行传输系统提供一种利用三维统计信道信息的干扰协调方法，该方法具有如下优点：
1、本方法仅需要信道的统计信息，所需信道信息量小，适用于各种典型的无线通信系统；
2、本方法中的层间干扰度量等计算复杂度低、易于实现；
3、本方法可根据系统和用户服务质量的要求，灵活设置不同门限，满足不同的用户服务质量和系统吞吐量。
具体实施方式
本发明的方法主要包括以下步骤：
步骤一、将各低功率接入节点的发射功率i＝1,…,Ns初始化为最大发射功率将休眠的低功率接入节点集合初始化为空集；
步骤二、利用三维统计信道信息进行各低功率接入节点及宏蜂窝基站在同一时频资源上服务的用户集合中各用户的关键参数的计算，包括：
1)对集合中的宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km，计算及其中，Km为集合中用户个数，和分别为Mv×Mv和Mh×Mh的DFT矩阵，其第m行第n列的元素分别为和Mv为宏蜂窝基站垂直方向天线阵元行数，Mh为宏蜂窝基站水平方向每行中的天线阵元数，和分别为宏蜂窝用户k的垂直发送相关阵和水平发送相关阵，矩阵为宏蜂窝基站与宏蜂窝用户k之间的归一化信道矩阵，满足其第m行第n列的元素[Hm,k]m,n为宏蜂窝基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数，上标(·)H代表共轭转置，E{·}代表求均值，tr{·}代表求矩阵的迹；
2)对集合中的宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km，计算及其中和分别为ΛV,m,k的第a个对角元和ΛH,m,k的第b个对角元；
3)对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns，计算及其中，和分别为宏蜂窝基站与低功率接入节点i间信道的垂直发送相关阵和水平发送相关阵，矩阵为宏蜂窝基站与低功率接入节点i的任意用户j,间的归一化信道矩阵，其第m行第n列的元素为基站第m行第n列的天线阵元与该用户间的信道系数，为低功率接入节点i在同一时频资源上服务的用户数；
4)对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns，分别找出和的最大对角元和然后分别找出和对角元中与和比值大于或等于某一预先设置的门限值δ4的对角元，记为集合和即其中，和分别为第m个对角元和的第n个对角元；
步骤三、按照先依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行宏蜂窝干扰协调再依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行低功率接入节点干扰协调的步骤，或按照先依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行低功率接入节点干扰协调再依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行宏蜂窝干扰协调的步骤进行干扰协调。
所述低功率接入节点i的宏蜂窝干扰协调按如下步骤进行：
a1)若低功率接入节点则进入步骤a2)；否则，结束该节点的宏蜂窝干扰协调；
a2)从集合中找出所有满足且的用户，记为集合即集合中用户数记为并令l＝1；
a3)若集合中的第l个宏蜂窝用户，假设为用户kl，在宏蜂窝基站的服务用户集合中，则利用下式计算其对低功率接入节点i的干扰信号平均能量与低功率接入节点i的各用户有用信号平均能量之比
其中，Pm为宏蜂窝基站总发射功率，为宏蜂窝基站与低功率接入节点i间信道的大尺度衰落因子，为低功率接入节点i与该节点所服务用户间信道的大尺度衰落因子的最小值，为低功率接入节点i配置的天线数；否则进入步骤a8)；
a4)若转至步骤a8)；否则，将宏蜂窝用户kl从集合中删去，并进入步骤a5)；
a5)在不属于集合的低功率接入节点中找出与宏蜂窝用户kl间信道的大尺度衰落因子最大的低功率接入节点，记为节点r；
a6)利用下式计算宏蜂窝用户kl由低功率接入节点r服务情况下所接收到有用信号平均能量与其由宏蜂窝基站服务情况下所接收到有用信号平均能量之比
其中，为低功率接入节点r在同一时频资源上服务的用户数，为低功率接入节点r配置的天线数，为低功率接入节点r的总发射功率，为低功率接入节点r与宏蜂窝用户kl间信道的大尺度衰落因子，为宏蜂窝基站与宏蜂窝用户kl间信道的大尺度衰落因子；
a7)若则将宏蜂窝用户kl卸载至低功率接入节点r，由该节点服务；
a8)令l＝l+1；若则转至步骤a3)，否则结束低功率节点i的宏蜂窝干扰协调；
所述低功率接入节点i的低功率接入节点干扰协调按如下步骤进行：
b1)若低功率接入节点则进入步骤b2)；否则，结束该节点的低功率接入节点干扰协调；
b2)对所有宏蜂窝用户利用下式计算低功率接入节点i对其的干扰信号平均能量与其接收到的有用信号平均能量之比
其中，为低功率接入节点i与宏蜂窝用户k间信道的大尺度衰落因子，βm,k为宏蜂窝基站与宏蜂窝用户k间信道的大尺度衰落因子；
b3)在所有宏蜂窝用户中找出最大的用户，记为用户ki，即
b4)若则结束该节点的低功率接入节点干扰协调；否则，将低功率接入节点i的发射功率降低至其中
其中，为低功率接入节点i与宏蜂窝用户ki间信道的大尺度衰落因子，为宏蜂窝基站与宏蜂窝用户ki间信道的大尺度衰落因子；
b5)若低功率接入节点i的发射功率大于低功率接入节点的最低发射功率则结束该节点的低功率接入节点干扰协调；否则，将低功率接入节点i加入集合并结束该节点的低功率接入节点干扰协调。
为使本发明中的技术方案更加清楚明白，下面对本方案进行具体描述：
考虑一个异构下行传输网络，宏蜂窝基站覆盖范围内存在多个低功率无线接入节点共享频谱资源；宏蜂窝基站采用均匀平面天线阵，包括Mv行天线阵垂直方向阵元，水平方向每行Mh个阵元，总发射功率为Pm，宏蜂窝基站在同一时频资源上服务的用户集合中用户数为Km；低功率接入节点i配置根天线，其总发射功率最大为最小为其在同一时频资源上服务的用户数为该异构网络完成干扰协调后，宏蜂窝基站将对集合中剩余的宏蜂窝用户进行服务，集合中的低功率接入节点将被设置为休眠状态。
宏蜂窝基站需已知各宏蜂窝用户及各低功率接入节点的三维统计信道信息，包括：宏蜂窝基站与宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km间信道的大尺度衰落因子βm,k；宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km的垂直发送相关阵和水平发送相关阵其中矩阵为宏蜂窝基站与用户k之间的归一化信道矩阵，满足其第m行第n列的元素[Hm,k]m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数，上标(·)H代表共轭转置，E{·}代表求均值，tr{·}代表求矩阵的迹；低功率接入节点i,i＝1,…,Ns与该节点用户间信道的大尺度衰落因子的最小值宏蜂窝基站与低功率接入节点i,i＝1,…,Ns间信道的大尺度衰落因子垂直发送相关阵和水平发送相关阵其中矩阵为宏蜂窝基站与低功率接入节点i的任意用户j,间的归一化信道矩阵，其第m行第n列的元素为基站第m行第n列的天线阵元与该用户间的信道系数；低功率接入节点i,i＝1,…,Ns与宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km间信道的大尺度衰落因子
具体的利用三维统计信道信息的干扰协调方法包括以下步骤：
步骤一、将各低功率接入节点发送功率i＝1,…,Ns初始化为最大发射功率将休眠的低功率接入节点集合初始化为空集；
步骤二、利用三维统计信道信息进行各低功率接入节点及宏蜂窝基站在同一时频资源上服务的用户集合中各用户的关键参数的计算，包括：
1)对集合中的宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km，计算及其中，和分别为Mv×Mv和Mh×Mh的DFT矩阵，其第m行第n列的元素分别为和
2)对集合中的宏蜂窝用户k,k＝1,…,Km，计算及其中和分别为ΛV,m,k的第a个对角元和ΛH,m,k的第b个对角元；
3)对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns，计算及
4)对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns，分别找出和的最大对角元和然后分别找出和对角元中与和比值大于或等于某一预先设置的门限值δ4的对角元，记为集合和即其中，和分别为第m个对角元和的第n个对角元；
步骤三、按照先依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行宏蜂窝干扰协调再依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行低功率接入节点干扰协调的步骤，或按照先依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行低功率接入节点干扰协调再依次对低功率接入节点i,i＝1,…,Ns进行宏蜂窝干扰协调的步骤进行干扰协调。
所述低功率接入节点i的宏蜂窝干扰协调按如下步骤进行：
a1)若低功率接入节点则进入步骤a2)；否则，结束该节点的宏蜂窝干扰协调；
a2)从集合中找出所有满足且的用户，记为集合即集合中用户数记为并令l＝1；
a3)若集合中的第l个宏蜂窝用户，假设为用户kl，在宏蜂窝基站的服务用户集合中，则利用下式计算其对低功率接入节点i的干扰信号平均能量与低功率接入节点i的各用户有用信号平均能量之比
否则进入步骤a8)；
a4)若转至步骤a8)；否则，将宏蜂窝用户kl从集合中删去，并进入步骤a5)；
a5)在不属于集合的低功率接入节点中找出与宏蜂窝用户kl间信道的大尺度衰落因子最大的低功率接入节点，记为节点r；
a6)利用下式计算宏蜂窝用户kl由低功率接入节点r服务情况下所接收到有用信号平均能量与其由宏蜂窝基站服务情况下所接收到有用信号平均能量之比
a7)若则将宏蜂窝用户kl卸载至低功率接入节点r，由该节点服务；
a8)令l＝l+1；若则转至步骤a3)，否则结束低功率节点i的宏蜂窝干扰协调；
所述低功率接入节点i的低功率接入节点干扰协调按如下步骤进行：
b1)若低功率接入节点则进入步骤b2)；否则，结束该节点的低功率接入节点干扰协调；
b2)对所有宏蜂窝用户利用下式计算低功率接入节点i对其的干扰信号平均能量与其接收到的有用信号平均能量之比
b3)在所有宏蜂窝用户中找出最大的用户，记为用户ki，即
b4)若则结束该节点的低功率接入节点干扰协调；否则，将低功率接入节点i的发射功率降低至其中
b5)若低功率接入节点i的发射功率大于低功率接入节点的最低发射功率则结束该节点的低功率接入节点干扰协调；否则，将低功率接入节点i加入集合并结束该节点的低功率接入节点干扰协调。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。