同频带无线回程下行异构网络中3D波束赋形方法与流程

本发明属于通信技术领域，涉及同频带无线回程下行异构网络中3d波束赋形方法。

背景技术：

现阶段，移动用户数据业务需求的爆发式增长和有限的频谱资源之间的矛盾愈加突出。为了解决这个问题，人们提出了很多候选策略，例如3dmimo(three-dimensionalmultiple-inputmultiple-output)，aass(activeantennasystems，主动天线系统)，小区密集化，以及fd(full-duplex，全双工)传输等。aass和小区密集化是其中的两个有效策略，近来被广泛地研究。

aass得益于其灵活性，可以有效地提高系统的容量。在aass中，天线波束可以通过电子和动态方式进行改变。基于3d信道信息，可以根据3d波束赋形策略中的环境自适应地改变水平和垂直的波束模式或下倾角的(波束模式)。与基于2d的传统波束赋形相比，这种技术更加灵活实用。因此，3d波束赋形可以提高无线通信系统的性能。

在小区密集化方法中，将基于低功率节点的微小区部署到传统的宏蜂窝网络中，可以构成异构网络(hetnets)，不仅可以提高室内覆盖，微小区还可以在宏蜂窝网络高负载情况下分担宏蜂窝网络的数据业务量。除此之外，全双工传输fd的引入可以进一步地提高已有资源的利用率。对于fd传输来说，相同的时间和频率资源可以被回程链路和接入链路同时使用，因此也称为同频带回程。

文献“w.lee,s.r.lee,h.b.kong,ands.lee,“downlinkverticalbeamformingdesignsforactiveantennasystems,”ieeetrans.commun.,vol.62,no.6,pp.1897–1907,2014.”研究了基于aas系统和被动天线系统时的3d波束赋形方法，但是并未涉及微小区部署的情况。文献“h.tabassum,a.h.sakr,ande.hossain,“analysisofmassivemimo-enableddownlinkwirelessbackhaulingforfull-duplexsmallcells,”ieeetrans.commun.,vol.64,no.6,pp.2354–2369,2015.”考察了在大尺度mimo系统中的小基站同频带无线回程的性能研究，但是未考虑3d波束赋形。联合3d波束赋形和小区密集化同时具有3d波束赋形增益和小区密集化的优点。因此，综合3d波束赋形和小区密集化，可以进一步提升系统的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供针对同频带无线回程下行异构网络中的一种3d波束赋形方法，解决了现有技术中异构网络不考虑3d波束赋形的问题，以及对利用穷尽搜索去寻找最佳下倾角的问题。本发明针对同频带无线回程下行异构网络中的典型场景给出了最优的3d波束赋形方法，对一般的场景给出了次优的3d波束赋形方法。

本发明所采用的技术方案是，

同频带无线回程下行异构网络中3d波束赋形方法，包括以下步骤：

步骤1，构建一个双层异构网络中的下行链路，所述下行链路包括一个宏小区和至少一个微小区，所述宏小区覆盖有一个宏基站，所述宏基站配置有nt个发射天线；所述宏小区包含有ku个宏小区用户和s个微小区，且nt≥ku+s；每个微小区覆盖有一个微基站；每个微基站配置有1个天线；每个微小区中均分布有一个微小区用户；

步骤2，确定不同场景下的最佳下倾角θ*；

包括：

场景一：

当s＝1，ku＝0时，通过式(1)得到最佳下倾角θ*：

其中，θ为下倾角；

rs,0为微基站s的数据率，为微基站s接收的噪声功率，gs,0(θ)为微基站s到宏基站的大尺度信道信息，ps,0为宏基站分配给微基站s的发射功率，k为宏小区用户和微小区的总和，此场景下k＝s；

rs,s为的微小区s中的用户的数据速率，为微基站s到微小区s中用户的大尺度信道信息，ps,s为微基站s的发射功率，为微小区s中用户到宏基站的大尺度信道信息，为宏基站微基站ki的发射功率，为微小区s中的用户接收的噪声功率；

场景二：

当s＞1，ku＝0时，通过式(2)得到最佳下倾角θ*：

其中，θ为下倾角；

rs,0为微基站s的数据率，s＝1,2,...,s，为微基站s接收的噪声功率，gs,0(θ)为微基站s到宏基站的大尺度信道信息，ps,0为宏基站分配给微基站s的发射功率，k为宏小区用户和微小区的总和，此场景下k＝s；为微小区s的用户到微基站s的大尺度信道信息；为微基站s的发射功率，其中ks表示微基站s；

rs,s为的微小区s中的用户的数据速率，为微基站s到微小区s中用户的大尺度信道信息，ps,s为微基站s的发射功率，为微小区s中用户到宏基站的大尺度信道信息，为宏基站微基站i的发射功率，为微小区s中的用户接收的噪声功率；为微小区s中用户到微基站s的大尺度信道信息；

场景三：当s＞1,ku＞1时，通过式(3)得到最佳下倾角θ*：

其中，θ为下倾角，θmin为最小下倾角，θmax为最大下倾角；

rs,0为微基站s的数据率，s＝1,2,...,s，为微基站s接收的噪声功率，gs,0(θ)为微基站s到宏基站的大尺度信道信息，ps,0为宏基站分配给微基站s的发射功率，k为宏小区用户和微小区的总和，此时k＝s+ku；为微小区s的用户到微基站s的大尺度信道信息；为微基站s的发射功率；

rs,s为的微小区s中的用户的数据速率，为微基站s到微小区s中用户的大尺度信道信息，ps,s为微基站s的发射功率，为微小区s中用户到宏基站的大尺度信道信息，为宏基站微基站i的发射功率，为微小区s中的用户接收的噪声功率；为微小区s中用户到微基站s的大尺度信道信息。

进一步地，步骤2的场景一中：

如果rs,0<rs,s，θ*＝θs,0；

如果rs,0>rs,s，若则最佳下倾角应θ*＝θmin；若最佳下倾角θ*＝θmax；

其中，为在微小区s中的用户相对于宏基站的垂直角。

进一步地，步骤2的场景二中：

如果rs,0<rs,s，θ*＝θs,0；

如果rs,0>rs,s，最佳下倾角θ*∈{θmin,θmax}。

进一步地，步骤2的场景三中：

若rs,0随着下倾角的增大呈上升趋势，则当rs,0随着下倾角的增大变为下降趋势时，θ*为rs,0随着下倾角的增大开始呈现下降趋势时对应的下倾角；

若rs,0随着下倾角的增大呈下降趋势，则最佳下倾角θ*∈{θmin,θmax}。

本发明的有益效果是

本发明与已有的方法相比综合考虑了异构网络中同频带无线回程情况下的3d波束赋形问题，与已有的方法相比可以极大地提升系统的整体性能；

1)联合考虑3d波束赋形和涉及小基站的hetnets，使该hetnets具有3d波束赋形增益和小区密集化的优点，提供了更好的性能；

2)在一些典型场景和一般的场景中分别给出了求最佳下倾角的方法，从而使总数据速率最大化，即系统性能最大化；

3)对有3d波束赋形回程中的fd传输的增益进行综合研究，得出在宏小区用户数量较少的情况或小基站同频带无线回程的情况下，可以获得更高的3d波束赋形增益，指明了联合采用这两种策略的应用场景。

附图说明

图1异构网络同频无线回程(即fd模式)。

图2是本发明得到的最佳下倾角和固定下倾角的数据速率曲线对比图。

图3是本发明的次优策略和穷举搜索以及固定下倾角的数据速率曲线对比图。

具体实施方式

本发明针对微小区同频带无线回程异构网络，首先，分析微基站(sbs)、宏小区用户(mue)以及微小区用户(sue)接收到的信号，并基于γ分布推出用户和整个系统的可达数据速率的解析表达式。最后，基于推出的可实现的数据速率表达式构造问题，其次是分析问题，得出各种情况下实现总数据速率最大化的下倾角取值方法。

下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例提供了同频带无线回程下行异构网络中3d波束赋形方法，具体包括以下步骤：

步骤1，如图1，本实施例构建一个双层异构网络中的下行链路，所述下行链路包括一个宏小区和至少一个微小区(sc)，所述宏小区覆盖有一个宏基站(mbs)，所述宏基站配置有nt个发射天线；所述宏小区包含有ku个宏小区用户(mue)和s个微小区，且nt≥ku+s；每个微小区覆盖有一个微基站(sbs)；每个微基站配置有1个天线；每个微小区中均分布有一个微小区用户(sue)；

步骤2，确定不同场景下的最佳下倾角θ*；

包括：

场景一：

当s＝1，ku＝0时，即宏小区中只覆盖有一个微小区，该微小区s覆盖有一个微基站，且该微小区中分布有一个用户而宏小区中没有微小区用户，通过式(1)得到最佳下倾角θ*：

其中，θ为下倾角，θmin为最小下倾角，θmax为最大下倾角；

rs,0为微基站s的数据率，为微基站s接收的噪声功率，gs,0(θ)为微基站s到宏基站的大尺度信道信息，ps,0为宏基站分配给微基站s的发射功率，k为宏小区用户和微小区的总和，此时k＝ks；

rs,s为的微小区s中的用户的数据速率，为微基站s到微小区s中用户的大尺度信道信息，ps,s为微基站s的发射功率，为微小区s中用户到宏基站的大尺度信道信息，为宏基站微基站ki的发射功率，为微小区s中的用户接收的噪声功率；

当微小区靠近宏基站时，总数据速率受到微小区用户的限制，而当微小区远离宏基站时，总数据速率由微基站决定。

如果rs,0<rs,s，即微小区的位置远离宏基站，最佳下倾角应设置为微基站的垂直角，θ*＝θs,0；θs,0为微基站和宏基站之间的连线与水平面之间的夹角，即微基站的垂直角；

如果rs,0>rs,s，即微小区的位置靠近宏基站，如果最佳下倾角应设置为θ*＝θmin，如果最佳下倾角应设置为θ*＝θmax；其中为微小区用户与宏基站之间的连线与水平面之间的夹角，即微小区用户的垂直角；

如果通过改变θ，rs,0大于rs,s，最佳下倾角应设置为等于rs,0＝rs,s的一个解。假设解为θ0，θ1，θ0<θ1。因而，如果|θ0-θs,0|<|θ1-θs,0|，且θmin<θ0<θ1<θmax，则θ*＝θ0，如果|θ0-θs,0|≥|θ1-θs,0|，且θmin<θ0<θ1<θmax，则θ*＝θ1。如果解中仅有一个在θmin和θmax之间的区域，θ*为一个解。

场景二：

当s＞1，ku＝0时，即宏小区中覆盖有s个微小区,s＞1，每个微小区中分布有一个微小区用户且宏小区中没有宏小区用户，这s个微小区中的微基站环绕宏基站均匀的分布在宏小区中，通过式(2)得到最佳下倾角θ*：

其中，θ为下倾角；

rs,0为微基站s的数据率，s＝1,2,...,s，为微基站s接收的噪声功率，gs,0(θ)为微基站s到宏基站的大尺度信道信息，ps,0为宏基站分配给微基站s的发射功率，k为宏小区用户和微小区的总和，此时k＝ks；为微小区s的用户到微基站ks的大尺度信道信息；为微基站ks的发射功率；

rs,s为的微小区s中的用户的数据速率，为微基站s到微小区s中用户的大尺度信道信息，ps,s为微基站s的发射功率，为微小区s中用户到宏基站的大尺度信道信息，为宏基站微基站ki的发射功率，为微小区s中的用户接收的噪声功率；为微小区s中用户到微基站ks的大尺度信道信息；

如果rs,0<rs,s，最佳下倾角为微基站ks的垂直角，θ*＝θs,0。

如果rs,0>rs,s最佳下倾角θ*∈{θmin,θmax}，如果θmin可以最大化总数据速率，则θ*＝θmin。否则，θ*＝θmax。

如果一些scs满足，通过改变θ，rs,0和rs,s超过彼此，最佳下倾角θ*∈{θ1,min,θmax}，其中θ1,min是对于所有s，rs,0＝rs,s的解中的最小值，且θmin＜θ1,min＜θmax。

如果通过改变θ，rs,0和rs,s超过彼此，最佳下倾角θ*∈{θ1,min,θ1,max}，其中θ1,max是对于所有s，rs,0＝rs,s的解中的最大值，且θmin＜θ1,min＜θ1,max＜θmax。

场景三：

当s＞1,ku＞1时，宏小区覆盖有多个微小区，且宏小区中分布有多个宏小区用户，每个微小区中分布有一个微小区用户，通过式(3)得到最佳下倾角θ*：

其中，θ为下倾角；

rs,0为微基站s的数据率，s＝1,2,...,s，为微基站s接收的噪声功率，gs,0(θ)为微基站s到宏基站的大尺度信道信息，ps,0为宏基站分配给微基站s的发射功率，k为宏小区用户和微小区的总和，此时k＝ks；为微小区s的用户到微基站ks的大尺度信道信息；为微基站ks的发射功率；

rs,s为的微小区s中的用户的数据速率，为微基站s到微小区s中用户的大尺度信道信息，ps,s为微基站s的发射功率，为微小区s中用户到宏基站的大尺度信道信息，为宏基站微基站i的发射功率，为微小区s中的用户接收的噪声功率，ki表示微基站i；为微小区s中用户到微基站s的大尺度信道信息；

场景三中：

若rs,0随着下倾角的增大呈上升趋势，则当rs,0随着下倾角的增大变为下降趋势时，θ*为rs,0随着下倾角的增大开始呈现下降趋势时对应的下倾角；

若rs,0随着下倾角的增大呈下降趋势，则最佳下倾角θ*∈{θmin,θmax}。

根据rs,0随着下倾角的变化趋势，给出了最佳下倾角的取值，减小了下倾角的搜索范围。

在这种情况下，网络中存在一个mbs，多个mue和sc，且每个sc中有一个sue。本发明提出了一个次优的下倾角优化策略，搜索最佳下倾角值。具体来说，如果在搜索过程中，发现总数据速率rs,s的上升趋势，则当开始呈现下降趋势时停止搜索最佳下倾角。最佳下倾角是在搜索区域内可以最大化总数据速率的角。另一方面，如果在搜索过程中，发现总数据速率的下降趋势，则停止搜索。否则，最佳下倾角取θmin和θmax中的一个，可以最大化总数据速率。

实验结果

本发明的仿真场景为包含一个宏基站的下行链路hetnet。考虑从宏基站到所有的微基站距离相同，微基站均匀地环绕分布在宏基站周围，在宏基站中有多个宏小区用户和微小区，每一个微小区中有一个微小区用户。宏小区用户和微小区用户分别均匀地分布在宏基站和微基站中。整个频段可以被所有访问链路和回程链路使用。下倾角角默认设置为4°。其他的仿真参数总结如表1所示：

表1仿真参数

图2表示基于3d波束赋形的hetnet与小基站同频带回程的固定下倾角情况的性能比较。对仅有1个微小区，6个微小区，以及同时有微小区和宏小区用户的hetnet性能进行评估。由图可知，基于3d波束赋形的hetnet，在特定情况下可以实现更高的性能。因此，有必要分析特定场景的最佳下倾角从而最大化系统性能。对于只有微小区的网络，微小区数量越多，获得的3d波束赋形的性能增益越多。另外，对于位于宏基站中心的微小区，3d波束赋形是首选。此外，3d波束赋形的增益随着宏小区用户的数量增多而减少。

图3分别表示针对小基站同频带和频外无线回程的宏小区用户数量不同的hetnet的3d波束赋形性能。图中的图例“穷举搜索”，“提出的策略”，“固定下倾角”分别表示通过穷举搜索寻找最佳下倾角的策略，第三节.c中提出的次优策略和固定下倾角的策略。从图中可知，宏小区用户越少，获得的3d波束赋形增益越多。这是由于随着宏小区用户数量增多，宏小区用户在整个宏蜂窝中的位置分布越均匀，因此，与宏小区用户数量少的情况相比，性能对下倾角的敏感度更低。此外，提出的次优策略与基于穷举搜索的策略在有6个微小区和4个宏小区用户或者10个宏小区用户的场景中的性能相同。在有6个微小区和1个宏小区用户的场景中，当rsbs≤600m时，次优策略的性能与基于穷举搜索的策略性能相当。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。