本发明属于移动通信领域，尤其涉及一种全维度天线异构网垂直维度波束成形方法。
背景技术：
目前异构网络分析研究通常是在二维随机分布模型下进行的，其主要适用于乡村或者近郊地区等场景，却不适用于分布密度大的城市中心区域环境。城市的中心区域，微基站和用户分布密度大，并且垂直维度分布所占比重大；以平面随机分布的异构网络模型已经无法准确的分析异构网络的部署。
一部分手机用户作为潜在窃听者，因为无线媒介的广播性质，未经授权的接收者位于传输范围是对合法用户能够窃听单播传输，在蜂窝系统和安全一直是一个至关重要的问题。在立体异构网络中，基站和用户的密度越来越大、在垂直方向的范围也越来越宽，在立体异构网络中物理层安全问题也面临着更严峻的挑战。
技术实现要素：
为了提高配置全维度多天线的异构蜂窝网络物理层安全性能，本发明公开了一种提高微基站用户物理层平均安全速率的全维度天线垂直波束成形方法。
本发明实施例提供了如下技术方案：
一种全维度天线异构网垂直维度波束成形方法，所述方法包括：
全维度天线配置异构网络基于物理层性能的垂直维度波束成形算法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a，计算宏基站的分布密度λm，并建模为三维独立泊松点过程分布；
步骤b，计算宏基站和微基站信号与噪声干扰的比值；
步骤c，估计窃听者的分布密度λe，并建模为三维独立泊松点过程分布；
步骤d，计算微基站用户的平均安全速率；
步骤e，固定微基站和宏基站的密度，计算出全维度天线下倾角最优值。
其中，步骤a具体包括：
a1，在规划的异构范围之内，统计蜂窝小区中宏基站的个数，并根据异构网覆盖的体积，计算宏基站的分布密度λm；
a2，根据宏基站的分布密度λm，构建宏基站的分布函数，其符合三维独立泊松点分布。
其中，步骤b具体包括：
b1，建立全维度天线的垂直辐射模式，即下倾角与信道衰落幅值的关系，
b2，计算微基站服务的合法用户u的信息干扰噪声比，即
其中，步骤c具体包括：
c1，根据历史时间数据，估计异构网的窃听者的分布密度λe；
c2，根据窃听者的分布密度λe，构建宏基站的分布函数，其符合三维独立泊松点分布。
其中，步骤d具体包括：
d1，计算窃听用户的窃听信息的最大互信息ce，其对应的窃听者接收信号的信噪比为γe；
d2，计算得到合法用户信干噪比累积分布函数，即
d3，计算窃听者信干噪比累积分布函数，即
d4，计算合法用户的平均安全速率为
其中，步骤e具体包括：
e1，固定宏基站的分布密度、微基站的分布密度为常数，并且认为窃听用户分布密度为常数，求取最优的信道衰落值g-1(x,φtilt)；
e2，根据衰落值g-1(x,φtilt)，求得最优的下倾角φtilt。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明利用了空间随机几何和随机矩阵方法，分析了配置全维度天线的蜂窝异构网微基站用户的物理层平均传输速率的分布，并且根据此分布，找到能够使得用户平均传输速率最大的信道衰减函数，从而找到垂直波束成形下倾角。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例所提供的一种全维度天线异构网垂直维度波束成形方法的流程示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，如何提高立体异构网络中物理层安全性为本领域人员亟待解决的问题。
本发明的核心思想在于，随着全维度多天线的引入，垂直维度可以灵活调整，从而可以进一步提高异构网络的性能。本发明是在立体异构网络背景下，提出了基站天线倾斜角优化物理层安全的方法。立体异构蜂窝网络中添加了垂直方向上的天线倾斜角，增加竖直维度的空间自由度，可以作为垂直方向上的波束的优化，这样可以更好的追踪到异构网络中的每个用户，提高物理层安全性能。
参见图1，本发明实施例提供一种全维度天线异构网垂直维度波束成形方法，所述方法包括：
全维度天线配置异构网络基于物理层性能的垂直维度波束成形算法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a，计算宏基站的分布密度λm，并建模为三维独立泊松点过程分布；
步骤b，计算宏基站和微基站信号与噪声干扰的比值；
步骤c，估计窃听者的分布密度λe，并建模为三维独立泊松点过程分布；
步骤d，计算微基站用户的平均安全速率；
步骤e，固定微基站和宏基站的密度，计算出全维度天线下倾角最优值。
其中，步骤a具体包括：
a1，在规划的异构范围之内，统计蜂窝小区中宏基站的个数，并根据异构网覆盖的体积，计算宏基站的分布密度λm；
a2，根据宏基站的分布密度λm，构建宏基站的分布函数，其符合三维独立泊松点分布。
其中，步骤b具体包括：
b1，建立全维度天线的垂直辐射模式，即下倾角与信道衰落幅值的关系，
b2，计算微基站服务的合法用户u的信息干扰噪声比，即
其中，步骤c具体包括：
c1，根据历史时间数据，估计异构网的窃听者的分布密度λe；
c2，根据窃听者的分布密度λe，构建宏基站的分布函数，其符合三维独立泊松点分布。
其中，步骤d具体包括：
d1，计算窃听用户的窃听信息的最大互信息ce，其对应的窃听者接收信号的信噪比为γe；
d2，计算得到合法用户信干噪比累积分布函数，即
d3，计算窃听者信干噪比累积分布函数，即
d4，计算合法用户的平均安全速率为
其中，步骤e具体包括：
e1，固定宏基站的分布密度、微基站的分布密度为常数，并且认为窃听用户分布密度为常数，求取最优的信道衰落值g-1(x,φtilt)；
e2，根据衰落值g-1(x,φtilt)，求得最优的下倾角φtilt。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明利用了空间随机几何和随机矩阵方法，分析了配置全维度天线的蜂窝异构网微基站用户的物理层平均传输速率的分布，并且根据此分布，找到能够使得用户平均传输速率最大的信道衰减函数，从而找到垂直波束成形下倾角。
本发明公开了一种配置全维度天线异构网中，最大化平均安全速率垂直维度的波束成形方法。该方法首次考虑了基站分布、合法用户分布以及窃听用户分布均采用立体随机分布，推导出了合法用户和窃听用户的信噪比累积分布函数，并根据累积分布函数得到了平均安全速率闭合表达式；从而根据此闭合表达式，计算垂直波束成形矩阵，最大化平均安全速率。
本发明利用了空间随机几何和随机矩阵方法，分析了配置全维度天线的蜂窝异构网微基站用户的物理层平均传输速率的分布，并且根据此分布，找到能够使得用户平均传输速率最大的信道衰减函数，从而找到垂直波束成形下倾角。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。