3d-mimo系统中基于波束形状匹配的分布式干扰协调方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信中用户3D分布下3D-]\OMO系统中的干扰协调方案，具体为一 种3D-M頂0系统中基于波束形状匹配的分布式干扰协调方法。
【背景技术】
[0002] 受限于传统的基站天线构架，现有的ΜΜ0传输方案一般只能在水平面实现对信 号空间分布特性的控制，还没有充分利用3D信道中垂直维度的自由度，更没有深层地挖掘 出ΜΜ0技术对于改善移动通信系统整体效率与性能及最终用户体验的潜能。近年来，在 基站处配备大量天线并可同时与多个同信道用户通信的大规模MIM0(Very Large ΜΙΜΟ or Massive MHTO)系统，因其仅通过增加基站的天线数量便可使得系统容量显著提高而受到 了学者的广泛关注。由于空间及天线尺寸的限制，3D-MIM0被引入到大规模ΜΙΜΟ系统中，以 此来解决大规模天线阵列的实现问题。简单来说，3D ΜΠΚ)技术在不改变现有天线尺寸的条 件下，可以将每个垂直的天线阵子分割成多个阵子，从而开发出MMO的另一个垂直方向的 空间维度，进而将ΜΜ0技术推向一个更高的发展阶段，为LTE传输技术的性能提升开拓出 更广阔的空间，使得进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能。
[0003] 3D-M頂0现有文献研究内容大致包括3D信道建模、小区垂直分裂（研究不同分裂 方式、分裂数目情况下系统总体性能及干扰分析）、3D波束赋形（以系统和速率或干扰等 为目标优化天线权值或预编码，形成不同波束）、基于3D-M頂0的干扰协调（通过优化下倾 角、功率分配、资源分配等降低小区及扇区间干扰）等，其有一共同点是均假设用户分布在 接近地面的同一水平高度。然而随着经济的发展，城市中建筑物的高度越来越高，密度越来 越大，用户处于高楼层的概率也逐渐增大，现有文献中关于用户分布在地面的假设也越来 越不符合实际。为了系统性能的进一步提升，基于用户3D分布的3D-Mn?)系统性能研究也 急需提上研究日程。
[0004] 现有的调整倾角方案通过调整天线权值来调整波束指向，以服务不同3D位置的 用户。然而其既不能调整波束半功率波束宽度，又不能对用户间干扰进行抑制，其边缘用户 服务质量较差。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够提升边缘用户及系统总体性能 的，3D-Mnro系统中基于波束形状匹配的分布式干扰协调方法。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0007] 本发明3D-MM)系统中基于波束形状匹配的分布式干扰协调方法，包括如下步 骤，
[0008] 第一步，在一个用户3D分布的多小区3D-Mnro系统中，将每小区划分为多个水平 扇区，其中每个水平扇区划分为多个的垂直扇区；每个水平扇区的基站天线为一个面天线 阵，该天线阵列按列划分为多个子阵，每个子阵生成一个波束服务一个垂直扇区，天线子阵 列数由对应扇区内用户数决定；在每个水平扇区内，基站初始化各垂直扇区波束主方向；
[0009] 第二步，根据用户3D位置确定每个用户所属的初始服务波束，并根据每个垂直波 束内用户的仰角信息更新该服务波束主方向及半功率波束宽度；
[0010] 第三步，将更新后的服务波束主方向及半功率波束宽度代入所建立的以实际子阵 列天线增益与期望增益的均方误差最小化为目标的优化问题，搜索出最优的天线权值，使 不同垂直扇区波束干扰最小。
[0011] 优选的，每小区划分为3个水平扇区，其中每个水平扇区划分为3个的垂直扇区； 垂直扇区划分时按照等面积方法划分扇区，高于基站天线的空间划分为高扇区，低于基站 天线的空间等面积划分为近扇区与远扇区。
[0012] 优选的，具体包括如下步骤，
[0013] 1)按照TR36. 873协议参数播散每个小区内的建筑位置和用户位置，并确定初始 垂直扇区波束主方向；
[0014] 2)确定各垂直扇区波束服务的用户集合；同一用户集合内的用户俯仰角与垂直 扇区服务波束主方向最为接近；
[0015] 3)更新各波束主方向及半功率波束宽度HPBW;
[0016] 更新后束的主方向为此波束服务用户的最大与最小俯仰角中值，更新后束的半功 率波束宽度HPBW为此波束服务用户的最大与最小俯仰角差值；
[0017] 4)对每个垂直扇区搜索最优天线权值；
[0018] 将更新后的波束主方向及HPBW代入如下优化问题，搜索出最优的天线权值；
[0025]式中：
为单个天线在水平方 位角供和垂直俯仰角Θ处的阵元增益；七为水平方向天线间距，屯为垂直方向天线间距； 'n即为第m行η列天线阵元的权值；Μ为水平方向天线数目，N为垂直方向天线数目。
[0027] d ( Θ )为HPBW内的期望增益；
[0028] Θ tar为波束主方向；
[0029] β为期望的波束HPBW;
[0030] α为旁瓣最高增益；
[0031] γ为过渡角度区间；
[0032] 〇为零陷阈值；
[0033] θ θ __2为同水平扇区内其他波束的主方向。
[0034] 进一步，d( Θ )取波束主方向增益的最大值，归一化后为d( Θ ) = 1。
[0035] 再进一步，优化问题的约束条件为：1)HPBW内天线增益高于天线最大增益 的-3dB;2)HPBW加过渡区间γ =5°外的角度范围内天线增益小于某阈值a =-20dB;3) 同水平扇区内其他波束的主方向形成零陷，天线增益小于σ =-40dB ;4)天线权值归一化。
[0036] 再进一步，步骤4)中求得最优天线权值后，每个用户的接收信号为；
[0038] 式中：
[0039] L为3D-M頂0系统中的小区数量，L为正整数；
[0040] K为每个小区的用户数量，K为正整数；
[0041] Ptl为第1个小区第k个用户的下行发送功率；
[0042] 为第1个小区第!^个用户到该用户所属扇区iM天线阵间的信道信息，其 中ikil为该用户所述扇区的序号；
[0043] 为扇区^的天线权值矩阵，为％, 的对角阵，％表示扇区iM所用天 线的阵元个数；
[0044] Vlu为第1个小区第k个用户的预编码矢量，维度为Xl);
[0045] Clu为第1个小区用户k的发送符号，且满足|Ck,」=1;
[0046] nkil为用户接收端处的高斯白噪声，均值为零，方差为σ 2。
[0047] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0048] 本发明通过在每个水平扇区内，基站初始化各垂直扇区波束方向，根据用户3D位 置确定每个用户所属的初始服务波束，并根据每个垂直波束内用户的仰角信息更新该波束 方向及半功率波束宽度；将更新后的波束方向及半功率波束宽度代入所建立的优化问题， 搜索出最优的天线权值，从而使得不同垂直扇区波束的干扰最小，提高了信干噪比，保证了 系统性能。本发明相对于传统只调整倾角的方案，最大的好处在于可以同时调整天线波束 的指向及半功率波束带宽，其不仅追求目标方向上的天线增益，而且对其它方向上的干扰 进行抑制，使得各波束更精确地服务用户。同时该方案通过调整半功率波束宽度，可扩大覆 盖范围，从而可有效提升边缘用户的服务质量。
【附图说明】
[0049] 图1是本发明实例中基于用户3D分布的多小区3D-MM)系统模型。
[0050] 图2是本发明实例中各波束划分垂直空间，波束方向及HPBW的确定示意图。
[0051] 图3是本发明实例中列16天线MRT预编码七小区场景下不同方案的用户平均频 谱效率对比。
[0052] 图4是本发明实例中列16天线MRT预编码七小区场景下不同方案中某水平扇区 频谱效率随信噪比变化。
[0053] 图5是只调整倾角方案与本发明实例中在高/低信噪比时两波束之间干扰与噪声 影响示意图。
[0054] 图6是本发明实例中列32天线MRT预编码七小区场景下不同方案的用户平均频 谱效率对比。
[0055] 图7是本发明实例中列32天线MRT预编码七小区场景下不同方案中某水平扇区 频谱效率随信噪比变化。
[0056] 图8是本发明实例中列16天线SLNR预编码七小区场景下不同方案的用户平均频 谱效率对比。
[0057] 图9是本发明实例中列16天线MRT预编码七小区场景下不同方案中某水平扇区 频谱效率随信噪比变化。
【具体实施方式】
[0058] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0059] 本发明3D-Mn?)系统中基于波束形状匹配的分布式干扰协调方法的核心思想是： 第一步，在每个水平扇区内，基站初始化各垂直扇区波束方向，根据用户3D位置确定各用 户初始服务波束，并更新各波束方向及半功率波束宽度；第二步，将更新后的波束方向及半 功率波束宽度代入所建立的优化问题，搜索出最优的天线权值。
[0060] 考虑一个用户3D分布的多小区3D-Mnro系统，系统中共有L个小区，如图1所示， 每小区划分为3个水平扇区，其中每个水平扇区划分为3个垂直扇区，优选的我们按照等面 积方法划分扇区，即高于基站天线的空间划分为高扇区，低于基站天线的空间等面积划分 为近扇区与远扇区，每个小区服务K个单天线用户，用户分布模型采用3D分布模型。每个 水平扇区的基站天线为一个面天线阵，天线数为Ντ，该天线阵列按列划分为3个子阵，每个 子阵生成一个波束服务一个垂直扇区，天线子阵列数由对应扇区内用户数决定。假设天线 列与列之间相关性较小，可在水平方向上做MU-MM)预编码，而一列天线内各个天线阵元 间相关性较强，用来做波束赋形。在每个水平扇区内，可以认为水平方向上天线全覆盖，只 考虑垂直方向上的波束调整。假设第1个小区用户k的发送符号为Clu，满足|Clu| =1， MU-M頂0采用MRT预编码算法，预编码矢量为xl)，其中该用户所述扇区的序 号，且ikile {1，...，9}。则第1个小区第k个用户的接收信号可以表示为
[0062] 式中：
[0063] PM一一第1个小区第k个用户的下行发送功率；
[0064] ΗΑ%Λ??/,--第1个小区第k个用户到该用户所属扇区天线阵间的信道信息， 其中ikil为该用户所述扇区的序号；
[0065] --扇区ikil的天线权值矩阵，为巧产幾，的对角阵，~表示扇区ikil所用 天线的阵元个数；
[0066] vM--第1个小区第k个用户的预编码矢量，维度为(',xl);
[0067] cM--第1个小区用户k的发送符号，且满足I Clu| = 1 ;
[0068] η k_ I 接收机处的尚斯白噪声，均值为零，方差为σ 2。
[0069] 其信干噪比公式为
[0071] 信道模型采用TR36. 8