3D‑MIMO扇区虚拟化系统中的PCI分配方法与流程

本发明属于电子信息领域，特别是3D-MIMO扇区虚拟化系统中的PCI分配方法。

背景技术：

在LTE系统中共有504个物理层小区ID(Physical Cell Identify，PCI)，这些物理层小区ID被分成168个小区ID组，每组包含三个不同的ID。每个PCI属于并且只属于其中的一个小区ID组。一个PCI由公式唯一的表示，其中表示小区ID组，范围是0到167，表示在这个小区ID组内的物理层ID，范围是0到2。分别决定了小区专属参考信号(Cell-specific Reference Signal，CRS)、第一同步、第二同步信号伪随机序列的生成，以及CRS的位置。如图1所示，为某一个PCI下，小区内CRS导频的位置。

通常网络中的小区数都远多于504个小区，因此PCI需要进行复用。在规划时需要保证使用相同PCI的小区之间的距离足够大，使得接收信号在另外一个使用同一个PCI的小区覆盖范围内低于门限电平。同时在进行PCI规划时要注意避免相邻小区PCI模6或者模3相等，以减少相邻小区间的参考信号上的干扰。如图2a、图2b和图2c所示，LTE中CRS端口最多有4个，单端口时，PCI模6不等即可保证CRS在不同的位置，2/4端口时，PCI模3不等才能保证CRS在不同位置。不同PCI的小区，其CRS的位置可以通过图2c中的CRS的位置在频域方向循环移位得到(上下方向)。

在LTE系统中，CRS的功能包括测量接收导频信号能量(Reference Signal Received Power，RSRP)、信道质量测量以及接收信号相干解调。当邻小区CRS位置与服务小区相同时，服务小区的CRS SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比)值就受到干扰的强烈影响，一方面影响信道质量的测量准确性，不能反映业务信道真实的信道质量；另一方面影响检测质量，会降低下行信号的检测性能使得误码率提升。因此LTE系统中，当系统为单端口配置时，需要保证邻小区间PCI模6不等，以保证CRS在不同位置，避免CRS间的强干扰。当系统为2/4端口配置时，需要保证邻小区间PCI模3不等，以保证CRS在不同位置。

在LTE-A系统中，由于支持的端口数量增多，最高支持8端口，为降低导频开销，将导频的测量功能和解调功能分开，新增加了用于信道质量测量的CSI-RS参考信号(Channel State Information Reference Signal，CSI-RS)和用于信号解调的UE专属参考信号(UE-specific reference signalsassociated with PDSCH，常称之为DM-RS解调参考符号)。以此两种参考信号替代了原CRS的功能，在提高了支持的端口数量的同时，降低了参考符号的资源开销，CSI-RS和DM-RS详见[1]。如此CRS在LTE-A系统中就只是保留了RSRP、RSRQ(Reference Signal Received Quality，表示LTE参考信号接收质量)的测量功能^[2]，这些测量功能只需一个端口即可实现。

在LTE-A持续演进增强中，支持的天线数目不断增加，随着天线数目的增加，原来线性的天线阵列变得不合时宜，天线阵列逐渐向2D平面转变，如图3a和图3b所示。因此，天线阵列不仅有水平方向的阵列，还有垂直方向的阵列，即实现了三维多输入多输出技术3D MIMO(3-Dimension Multiple Input Multiple Output，3D MIMO)^[3]。

原有的最多8个天线端口在3D MIMO中，其数量即不够使用，文献[4]中提出了一种扇区虚拟化的方式，在水平和垂直维度域扇区化形成具备独立ID的扇区，用户仅与一个扇区相关联，扇区内即不需要很多的端口来支持如此众多的天线，如图4a和图4b所示。但是小区扇区化之后，每个小区包含的扇区数量成倍增加，一方面导致PCI资源变得紧张，另一方面各个扇区其相邻的小区数量就成倍增加，可能会导致PCI分配的难题，进而导致CRS的碰撞问题更为严重。

参考文献

[1]3GPP TS 36.211,”Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Physical channels and modulation”

[2]3GPP TS 36.214,"Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Physical layer；Measurements".

[3]3GPP TR 36.873,“Technical Specification Group Radio Access Network；Study on 3D channel model for LTE”

[4]3GPP TR 36.897,“Technical Specification Group Radio Access Network；Study on elevation beamforming/Full-Dimension(FD)Multiple Input Multiple Output(MIMO)for LTE”

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供3D-MIMO扇区虚拟化系统中的PCI分配方法，包括如下步骤：

步骤1，进行3D-MIMO扇区虚拟化，通过调整发送信号在不同天线上的幅度和相位权值，使得发送波束具有不同的下倾角度和方位角度，彼此不重叠的发送波束即形成虚拟化的扇区，根据波束的下倾角度，下倾角度最小且不同方位角的波束形成的一层扇区即为外环扇区，其余具有不同下倾角波束形成的扇区为内环扇区，内环扇区按照下倾角度不同可以分为多层，按照虚拟化扇区在水平方向和垂直方向的分布分为外环扇区和内环扇区，根据PCI模值不同将PCI分为两个以上的PCI集合；

比如，设置CRS端口数为1，将PCI按照模6值不同分为六个PCI集合，将模6取值相同的PCI划入相同的集合；

步骤2，将波束下倾角度最小指向最远处并与其他邻小区相邻的扇区定为外环扇区，并根据外环扇区和内环扇区最大数目补充虚拟扇区将内环扇区和外环扇区的数量对齐：根据内环扇区不同层最大扇区数量，和外环扇区的数量，取其最大扇区数量作为各个层最终的扇区数量，对于扇区数量不足的使用空扇区补齐，使得外环扇区数量和各层内环扇区数量一致，即不同下倾角水平方向扇区数量一样，即根据外环扇区和各层内环扇区最大数目补充虚拟空扇区将各层内环扇区和外环扇区的数量对齐；

步骤3，根据PCI模6值将PCI集合排序，形成一个以PCI集合为元素的序列，如按照模6取值的大小进行排序，

步骤4，一个站点通常具有3副天线，每副天线具有不同的朝向，每个朝向即为一个小区，根据小区中由于3D MIMO扇区虚拟化技术形成的水平方向虚拟化扇区的数量确定站点的PCI集合的选择范围；

步骤5，将站点进行编号，将站点的PCI集合作为外环扇区的PCI集合；

步骤6，将外环扇区PCI集合分配给外环扇区和内环扇区使用。

本发明步骤1中，采用如下方式进行3D-MIMO扇区虚拟化：

通过如下公式计算q：

$q=x\⊗(v_i\⊗w_o),$

其中，x为发送信号向量，v_i为水平方向信号的幅度和相位权值向量，w_o是垂直方向信号的幅度和相位权值向量，是矩阵的克罗内克积，q是发送信号经过幅度和相位调整后，在天线单元上的最终发送出去的信号，

w_o的长度K为K＝M/M_TXRU；v_i的长度L为L＝N/N_TXRU；M_TXRU是垂直方向相同极化类型的一列发送无线单元TXRU数量，N_TXRU是水平方向相同极化类型的一行发送无线单元TXRU数量，M是矩形天线阵列的每一列包含的天线单元数量，N是矩阵天线阵列每一行包含的天线单元数量，o＝1,...,M_TXRU，

通过如下公式计算垂直方向相同极化类型天线阵列的幅度和相位权值w_k,o：

$w_{k,o}=\frac{1}{\sqrt{K}}\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(k-1\left)d_V{\mathrm{cos\θ}}_{etilt,o}\right)for,k=1,...,K,$

其中，j是虚数单位，λ是波长，k是一列相同极化类型的天线单元的序号，d_v是垂直方向天线单元的间距，θ_etilt,o是第o个权值的下倾角度，i＝1,...,N_TXRU，

通过如下公式计算水平方向第i个发送无线单元TXRU在第l个水平方向相同极化类型的天线单元上幅度和相位权值v_l,i：

其中，d_H是水平方向天线单元的间距，是该第i个TXRU的方位角度，

发送信号向量x即在水平和垂直方向均进行虚拟化，实现了三维扇区虚拟化。

本发明步骤1中，还可以采用如下方式进行3D-MIMO扇区虚拟化：

通过如下公式计算q：

q＝Wx，

其中x表示发送信号向量，W是发送信号在天线单元上的幅度和相位的权值，q是发送信号经过幅度和相位调整后，在天线单元上的最终发送出去的信号，

通过如下公式计算(k,k’)天线单元上的发送信号的幅度和相位权值w_k,k'：

其中，j是虚数单位，λ是波长，dv是垂直方向天线单元的间距，d_H是水平方向天线单元的间距，θ_m'是垂直方向发送无线单元TXRU波束的下倾角度，θ_n'是水平方向发送无线单元TXRU波束的方位角度，ψ_m',n′是不同极化类型的相位旋转角度，

k＝m+M(n-1)+MN(p-1)，

k'＝m'+M_TXRU(n'-1)，

m＝1，…，M，n＝1，…，N，p＝1…P’，m'＝1，…，M_TXRU，n'＝1，…，P’*N_TXRU，M_TXRU是垂直方向相同极化类型的一列发送无线单元TXRU数量，N_TXRU是水平方向相同极化类型的一行发送无线单元TXRU数量，M是矩形天线阵列的每一列包含的天线单元数量，N是矩阵天线阵列每一行包含的天线单元数量，P’是每个天线单元包含的极化类型数量，m和n是矩形天线阵列第m行n列，m’和n’是TXRU的第m’行n’列。此处的换算实际是将二维矩形阵列转换为一维的线性形式。

其中如果将不同极化类型虚拟化到一起则取P’＝2，如果仅将相同极化类型单元虚拟到一起则取P’＝1，

k表示将天线单元信号向量化，k’表示将发送无线单元TXRU信号向量化，信号直接投射到2D的天线单元上，即以3D波束的形式直接进行虚拟化，实现发送信号向量x的三维波束，即将小区虚拟化为相互正交的扇区。

本发明步骤4包括：当小区内有两个以上水平方向虚拟化扇区时，根据水平方向虚拟化扇区的数量确定站点的PCI集合数量；当小区内只有一个水平方向虚拟化扇区时，根据站点包含小区的数量确定该站点PCI集合数量；在步骤3得到的序列中截取一段以确定的站点PCI集合的数量为长度的子序列，作为该站点的PCI集合，并以该长度，在步骤3得到的序列上循环移位一位得到相邻站点的PCI集合。

本发明步骤5中，将站点按照顺时针或逆时针旋转进行编号，(如以顺时针为例，依次对站点进行升序排列1，2，3，……。)

本发明步骤6包括：奇数站点的小区按照顺时针方向将站点分配的PCI集合顺序分配给对应的外环扇区，偶数站点的小区按照逆时针将站点分配的PCI集合顺序分配给对应的外环扇区；

外环扇区从其对应的PCI集合中选择一个PCI作为该扇区使用的PCI，内环扇区的PCI集合基于外环扇区的PCI集合序列顺序得到。

本发明步骤6中，若水平方向扇区化的数量为1，即某一个下倾角度的水平方向虚拟化扇区只有一个，将所有小区的外环扇区PCI集合作为基础，所有小区的内环扇区根据外环扇区PCI集合左循环移得到。第n层内环扇区PCI集合通过将外环扇区PCI集合循环移位n位得到，由此得到所有内环扇区PCI集合。比如第一层内环扇区PCI集合通过将外环扇区PCI集合循环移位一位得到，第二层内环扇区PCI集合通过将外环扇区PCI集合循环移位两位得到，依次类推得到所有内环扇区PCI集合。n的取值范围是不同下倾角度内环扇区的层数。

本发明中，如果有两个以上的扇区分配了相同的PCI集合，则在该集合中选择不同的PCI使用。

有益效果：本发明通过将3D-MIMO扇区虚拟化形成的虚拟扇区按照水平方向和垂直方向进行划分，按照数量最大值补齐水平方向和垂直方向扇区。并将PCI按模值不同分为不同集合并形成一个有序的集合序列，按照水平方向虚拟化扇区的数量将这些集合序列按照顺时针或者逆时针循环移位的方式分配给虚拟化扇区。本方法有效的缓解了由于3D MIMO扇区虚拟化带来的PCI资源紧张导致PCI碰撞的问题，避免了相邻小区间虚拟化扇区间和小区内部虚拟化扇区间PCI的碰撞，提高了小区测量的准确性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为CRS在系统中的位置示意图。

图2a是CRS一个端口导频的位置示意图。

图2b是CRS两个端口导频的位置示意图。

图2c是CRS四个端口导频的位置示意图。

图3a是每列是一个交叉极化2D平面天线阵列示意图。

图3b是每列是一个单极化2D平面天线阵列示意图。

图4a是垂直维度扇区化示意图。

图4b是水平维度扇区化示意图。

图5是外环扇区和内环扇区示意图。

图6为4个集合为单位循环移位得到的PCI集合。

图7为3个集合为单位循环移动得到其他站点的PCI集合。

图8为PCI集合分配示意图。

图9为水平方向扇区化的数量为1时PCI集合分配示意图。

图10为内环扇区的PCI集合获取示意图。

图11为小区内水平方向扇区化数量为1时内环扇区的PCI集合获取示意图。

图12a为子阵列虚拟化方法。

图12b为全连接虚拟化方法。

图13为不同波束方向示意图。

具体实施方式

LTE-A系统中，CRS的主要功能是RSRP、RSRQ等的测量工作，信道质量信息测量和信号解调的功能被CSI-RS和DM-RS取代。在3D-MIMO扇区虚拟化中，天线阵列多为矩形阵列，在水平方向和垂直方向具有天线阵列，如此通过调整垂直方向的天线单元上发送信号的幅度和相位权值可以形成具有方向的信号波束即波束赋形，波束赋形可以调整波束的下倾角度，再对不同下倾角度的波束应用水平方向波束赋形即可调整波束在水平方向的方向角度，三维空间的波束彼此间正交，因此可以实现数据在不同的波束方向上传输，就好像是在不同扇区传输一样，即为扇区虚拟化，如此每个扇区的邻小区的数量可能是以前的一两倍之多，一方面会造成PCI码资源的紧张，另一方面会导致CRS小区间碰撞的概率增大。为此，本发明提出一种LTE-A系统简单的PCI分配方法。3D-MIMO扇区虚拟化的实现方式如下：

一种是2D虚拟化的子阵列划分模型，如图12a所示，x为发送信号向量，v_i为水平方向信号的幅度和相位权值向量，w_o是垂直方向信号的幅度和相位权值向量，是矩阵的克罗内克积，q是发送信号经过幅度和相位调整后，在天线单元上的最终发送出去的信号，如果没有vi则模型退化为一维虚拟化的子阵列划分模型，也即只调整发送信号垂直方向的波束。

其中，对于不同的发送无线单元(TXRU)，垂直方向TXRU虚拟化权值向量可以不同，水平方向TXRU虚拟化权值向量也可以不同；一个TXRU仅连接到相同极化的天线上；w_o的长度为K＝M/M_TXRU；v_i的长度为L＝N/N_TXRU；M_TXRU是垂直方向相同极化类型的一列TXRU数量，N_TXRU是水平方向相同极化类型的一行TXRU数量。

w_o的取值o＝1,...,M_TXRU(垂直方向)，

w_k,o是垂直方向相同极化类型天线阵列的幅度和相位权值，j是虚数单位，λ是波长，k是一列相同极化类型的天线单元的序号，dv是垂直方向天线单元的间距，θ_etilt,o是第o个权值的下倾角度。

vi的取值i＝1,...,N_TXRU(水平方向)，

v_l,i是水平方向第i个TXRU在第l个水平方向相同极化类型的天线单元上幅度和相位权值，d_H是水平方向天线单元的间距，是该第i个TXRU的方位角度。

发送信号x即在水平和垂直方向均进行虚拟化，实现了三维扇区虚拟化。

另一种是2D虚拟化的全连接模型，如图12b所示，q＝Wx，

其中W的取值，m＝1,…,M,n＝1,…,N,p＝1…P’,m'＝1,…,M_TXRU,n'＝1,…,P’*N_TXRU，M是矩形天线阵列的每一列包含的天线单元数量，N是矩阵天线阵列每一行包含的天线单元数量，P’是每个天线单元包含的极化类型数量，m和n是矩形天线阵列第m行n列，m’和n’是发送无线单元TXRU的第m’行n’列，此处的换算实际是将二维矩形阵列转换为一维的线性形式。

k＝m+M(n-1)+MN(p-1)，k'＝m'+M_TXRU(n'-1)，(k,k’)单元取值为：

w_k,k'是在(k,k’)天线单元上的发送信号的幅度和相位权值，θ_m'是垂直方向TXRU波束的下倾角度，θ_n'是水平方向TXRU波束的方位角度，ψ_m',n′是不同极化类型的相位旋转角度。

其中如果将不同极化类型虚拟化到一起则取P’＝2，如果仅将相同极化类型单元虚拟到一起则取P’＝1.

k：将天线单元信号向量化，k’：将TXRU信号向量化。信号直接投射到2D的天线单元上，即以3D波束的形式直接进行虚拟化。

实现发送信号x的三维波束，通过有限个角度分配，即将小区虚拟化为若干相互正交的扇区。

由于在LTE-A系统中CRS的功能已经弱化，不再十分的重要，特别是CRS的端口数量要求很低。为降低CRS碰撞概率，提高CRS可用的位置资源，CRS端口配置为单端口，如此邻小区PCI只需模6不等即可。

将0～503个PCI按照模6的取值(PCI模6值即0～503的PCI值整除6的余数)不同分为6个PCI集合，分别用{0}、{1}、{2}、{3}、{4}、{5}表示PCI模6为0、1、2、3、4、5的PCI的集合，即{0}＝[0,6,12,……]，{1}＝[1,7,13……]，以此类推。

如图13所示，根据3D MIMO的波束方向，下倾角度不同会形成垂直方向不同的波束，方位角度不同会形成水平方向不同的波束。通过精心设计这些不同方向的波束，使其相互不重叠即可以作为独立的扇区使用，即小区被虚拟化为多个扇区。下倾角度最小的波束形成的扇区即为外环扇区。相同下倾角度，不同方位角度即形成一层虚拟化扇区。

3D-MIMO扇区虚拟化技术将原单小区在水平和垂直维度分为若干具有独立ID的扇区。并根据其位置分为外环扇区和内环扇区，在内外环扇区数量不一致时，假定不存在的扇区进行补齐，但在实际使用中该假定的扇区不使用PCI资源。如图5所示，不同下倾角度分为2个角度，不同方位角度分为3个，下倾角度最小不同方位角度的波束形成的扇区，即扇区化波束指向外环的扇区，其与其他邻小区也相邻，即外环扇区，虚拟化扇区数量为3个。其余为内环扇区，其虚拟化扇区数量为2个，有一个是不存在的，使用空扇区补齐。

将PCI模6不同值的PCI集合按照某种顺序排列，并将该序列重复得到更长的PCI集合序列，如{0}{1}{2}{3}{4}{5}{0}{1}{2}{3}{4}{5}顺序排列。通常一个站点采用3小区结构，同一站点的3个小区的PCI从相同的PCI集合中选择不同的PCI。根据小区水平扇区化的数目，在序列中顺序选取该数目的的PCI集合，其他站点则移位一位得到。若水平方向扇区化的数量为1，则遵照传统的PCI分配方法，PCI集合的数量选择为站点所包含小区的数量。如图6所示，小区在水平方向扇区化为4个扇区，各个站点的PCI集合选择方法为按照PCI集合排列顺序，以4个集合为单位循环移位得到。

如图7所示，水平方向扇区化数量为1，站点包含3个小区，站点的PCI集合数量选择为3，并以3个集合为单位循环移动得到其他站点的PCI集合。

以一个站点为起点，按照顺时针或逆时针方向对站点进行编号，此处以顺时针为例，奇数站点编号的站点按照顺时针方向，将对应的PCI集合分配给各个外环扇区，偶数站点编号的站点按照逆时针方向，将对应的PCI集合分配给各个外环扇区。同一站点的不同小区，在相同的PCI集合中选择不同的PCI使用。相邻站点的使用相同PCI集合的扇区从集合中选择使用不同的PCI。若外环扇区数量为1，则每个小区的外环扇区使用一个站点PCI集合。

如图8所示，站点所分配的PCI集合中，奇数站点的小区按照顺时针方向将站点分配的PCI集合分配给对应的外环扇区，偶数站点的小区按照逆时针将站点分配的PCI集合分配给对应的外环扇区。

如图9所示，若水平方向扇区化的数量为1，站点所分配的PCI集合中，奇数站点的小区按照顺时针方向将站点分配的PCI集合分配给对应的小区的外环扇区，偶数站点的小区按照逆时针将站点分配的PCI集合分配给对应小区的外环扇区。

在相同的小区内，其内环扇区使用的PCI集合是根据外环扇区使用的PCI集合循环移位得到。当小区的水平扇区数为1时，则以该站点的所有小区的外环扇区为对象进行循环移位得到内环扇区的PCI集合。

如图10所示，第一层内环扇区的PCI集合根据外环PCI集合左循环移位一位得到，第二层内环扇区的PCI集合根据外环PCI集合左循环移位两位得到(或者根据第一层内环扇区PCI集合左循环移位一位得到)。同样在选择相同的PCI集合的扇区中，在该集合中选择不同的PCI使用。

如图11所示，小区内水平方向扇区化数量为1时，将所有小区的外环扇区PCI集合作为基础，所有小区的内环扇区根据外环扇区PCI集合左循环移得到。第一层内环扇区PCI集合通过将外环扇区PCI集合循环移位一位得到，第二层内环扇区左循环移位两位得到。同样在选择相同的PCI集合的扇区中，在该集合中选择不同的PCI使用。

当水平方向扇区数量为1时，将不同小区的外环扇区选择的PCI集合排列起来，形成一个序列，然后以此序列为基础进行循环移位，循环移位一位得到不同小区第一层内环扇区对应的PCI集合，循环移位两位得到不同小区第二层内环扇区对应的PCI集合，以此类推。如每个小区内包含多个水平方向扇区，则该小区内外环扇区选择的PCI集合排列起来，形成一个序列，同样以此序列为基础进行循环移位，循环移位一位得到第一层内环扇区对应的PCI集合，循环移位两位得到第二层内环扇区对应的PCI集合，以此类推。内环扇区从对应的PCI集合中优先选择一个不同于外环扇区和其他内环扇区的PCI使用。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。