3d-mimo系統(tǒng)中基于最小slnr最大準(zhǔn)則的分布式干擾協(xié)調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線通信中用戶3D分布下3D-Mnro系統(tǒng)中的干擾協(xié)調(diào)方案，具體為一 種3D-M頂0系統(tǒng)中基于最小SLNR最大準(zhǔn)則的分布式干擾協(xié)調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 受限于傳統(tǒng)的基站天線構(gòu)架，現(xiàn)有的MMO傳輸方案一般只能在水平面實(shí)現(xiàn)對(duì)信 號(hào)空間分布特性的控制，還沒(méi)有充分利用3D信道中垂直維度的自由度，更沒(méi)有深層地挖掘 出MMO技術(shù)對(duì)于改善移動(dòng)通信系統(tǒng)整體效率與性能及最終用戶體驗(yàn)的潛能。近年來(lái)，在 基站處配備大量天線并可同時(shí)與多個(gè)同信道用戶通信的大規(guī)模MIM0(Very Large MIMO or Massive ΜΗ?)系統(tǒng)，因其僅通過(guò)增加基站的天線數(shù)量便可使得系統(tǒng)容量顯著提高而受到 了學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于空間及天線尺寸的限制，3D-MIM0被引入到大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，以 此來(lái)解決大規(guī)模天線陣列的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，3D MHTO技術(shù)在不改變現(xiàn)有天線尺寸的條 件下，可以將每個(gè)垂直的天線陣子分割成多個(gè)陣子，從而開(kāi)發(fā)出MMO的另一個(gè)垂直方向的 空間維度，進(jìn)而將Mnro技術(shù)推向一個(gè)更高的發(fā)展階段，為L(zhǎng)TE傳輸技術(shù)的性能提升開(kāi)拓出 更廣闊的空間，使得進(jìn)一步降低小區(qū)間干擾、提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率成為可能。
[0003] 3D-M頂0現(xiàn)有文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容大致包括3D信道建模、小區(qū)垂直分裂（研究不同分裂 方式、分裂數(shù)目情況下系統(tǒng)總體性能及干擾分析）、3D波束賦形（以系統(tǒng)和速率或干擾等 為目標(biāo)優(yōu)化天線權(quán)值或預(yù)編碼，形成不同波束）、基于3D-M頂0的干擾協(xié)調(diào)（通過(guò)優(yōu)化下傾 角、功率分配、資源分配等降低小區(qū)及扇區(qū)間干擾）等，其有一共同點(diǎn)是均假設(shè)用戶分布在 接近地面的同一水平高度。然而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市中建筑物的高度越來(lái)越高，密度越來(lái) 越大，用戶處于高樓層的概率也逐漸增大，現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于用戶分布在地面的假設(shè)也越來(lái) 越不符合實(shí)際。為了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升，基于用戶3D分布的3D-Mn?)系統(tǒng)性能研究也 急需提上研究日程。
[0004] 現(xiàn)有的調(diào)整傾角方案通過(guò)調(diào)整天線權(quán)值來(lái)調(diào)整波束指向，以服務(wù)不同3D位置的 用戶。然而其既不能調(diào)整波束半功率波束寬度，又不能對(duì)用戶間干擾進(jìn)行抑制，其邊緣用戶 服務(wù)質(zhì)量較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠提升邊緣用戶及系統(tǒng)總體性能 的，3D-M頂0系統(tǒng)中基于最小SLNR最大準(zhǔn)則的分布式干擾協(xié)調(diào)方法。
[0006] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0007] 本發(fā)明3D-M頂0系統(tǒng)中基于最小SLNR最大準(zhǔn)則的分布式干擾協(xié)調(diào)方法，包括如下 步驟，
[0008] 第一步，在一個(gè)用戶3D分布的多小區(qū)3D-Mnro系統(tǒng)中，將每小區(qū)劃分為多個(gè)水平 扇區(qū)，其中每個(gè)水平扇區(qū)劃分為多個(gè)的垂直扇區(qū)；在每個(gè)水平扇區(qū)內(nèi)，基站初始化各垂直扇 區(qū)波束主方向，根據(jù)用戶3D位置確定各用戶所屬的初始服務(wù)波束；
[0009] 第二步，對(duì)每個(gè)垂直扇區(qū)波束參照所服務(wù)用戶的最小SLNR最大準(zhǔn)則，搜索出最優(yōu) 的天線權(quán)值，使不同垂直扇區(qū)波束干擾最小。
[0010] 優(yōu)選的，每小區(qū)劃分為3個(gè)水平扇區(qū)，其中每個(gè)水平扇區(qū)劃分為3個(gè)的垂直扇區(qū)； 垂直扇區(qū)劃分時(shí)按照等面積方法劃分扇區(qū)，高于基站天線的空間劃分為高扇區(qū)，低于基站 天線的空間等面積劃分為近扇區(qū)與遠(yuǎn)扇區(qū)。
[0011] 優(yōu)選的，每個(gè)水平扇區(qū)的基站天線為一個(gè)面天線陣，該天線陣列按列劃分為多個(gè) 子陣，每個(gè)子陣生成一個(gè)波束服務(wù)一個(gè)垂直扇區(qū)，天線子陣列數(shù)由對(duì)應(yīng)扇區(qū)內(nèi)用戶數(shù)決定。
[0012] 進(jìn)一步，具體包括如下步驟，
[0013] 1)按照TR36. 873協(xié)議參數(shù)播散每個(gè)小區(qū)內(nèi)的建筑位置和用戶位置，并確定初始 垂直扇區(qū)波束主方向；
[0014] 2)確定各垂直扇區(qū)波束服務(wù)的用戶集合；同一用戶集合內(nèi)的用戶俯仰角與垂直 扇區(qū)服務(wù)波束主方向最為接近；
[0015] 3)分別優(yōu)化各用戶集合對(duì)應(yīng)的天線權(quán)值；
[0016] 3. 1對(duì)用戶集合中的一個(gè)用戶進(jìn)行最大SLNR優(yōu)化操作，得到該用戶對(duì)應(yīng)的天線權(quán) 值矩陣；將該天線權(quán)值矩陣應(yīng)用于該用戶集合內(nèi)所用用戶得到該用戶集合內(nèi)所有用戶的等 效信道，對(duì)等效信道進(jìn)行最大比傳輸MRT預(yù)編碼之后計(jì)算得到所有用戶的SLNR值集合，得 到其中的最小SLNR值；
[0017] 3. 2對(duì)用戶集合內(nèi)的其他用戶重復(fù)步驟3. 1的操作得到各自對(duì)應(yīng)的最小SLNR值；
[0018] 3. 3根據(jù)步驟3. 1和3. 2得到的最小SLNR值集合中的最大值，將該最大值對(duì)應(yīng)的 天線權(quán)值矩陣作為該用戶集合的最優(yōu)天線權(quán)值；
[0019] 4)更新各垂直扇區(qū)波束服務(wù)的用戶集合；
[0020] 計(jì)算各垂直波束所用天線子陣在每個(gè)用戶處的天線增益，增益最大的波束即為該 用戶新的服務(wù)波束，對(duì)用戶集合進(jìn)行重新劃分；
[0021] 5)判斷是否繼續(xù)各用戶集合對(duì)應(yīng)的天線權(quán)值優(yōu)化；
[0022] 比較更新后與更新前的各波束服務(wù)用戶集合；如果相同，則停止迭代，否則，以更 新后的各波束服務(wù)用戶集合重新按照步驟3)繼續(xù)優(yōu)化。
[0023] 再進(jìn)一步，步驟1)中確定用戶位置后，通過(guò)如下公式得到每個(gè)用戶的接收信號(hào)模 型；
[0025] 式中：
[0026] L為3D-M頂0系統(tǒng)中的小區(qū)數(shù)量，L為正整數(shù)；
[0027] K為每個(gè)小區(qū)的用戶數(shù)量，K為正整數(shù)；
[0028] Piu為第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶的下行發(fā)送功率；
[0029] 為第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶到該用戶所屬扇區(qū)iM天線陣間的信道信息，其 中ikll為該用戶所述扇區(qū)的序號(hào)；
[0030] 為扇區(qū)itl的天線權(quán)值矩陣，為X%.的對(duì)角陣，％,表示扇區(qū)ikil所用天 線的陣元個(gè)數(shù)；
[0031] Viu為第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶的預(yù)編碼矢量，維度為xl：> ;
[0032] Ciu為第1個(gè)小區(qū)用戶k的發(fā)送符號(hào)，且滿足|Clu| =1;
[0033] IliuS用戶接收端處的高斯白噪聲，均值為零，方差為σ 2。
[0034] 再進(jìn)一步，步驟3)中，各用戶的SLNR表達(dá)式為，
[0036] 式中，為第1個(gè)小區(qū)內(nèi)第ikil個(gè)波束所用天線權(quán)值矢量形式。
[0037] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0038] 本發(fā)明通過(guò)在每個(gè)水平扇區(qū)內(nèi)，基站初始化各垂直扇區(qū)波束方向，根據(jù)用戶3D位 置確定各用戶所屬的初始服務(wù)波束；然后對(duì)每個(gè)垂直波束參照所服務(wù)用戶的最小SLNR最 大準(zhǔn)則，搜索出最優(yōu)的天線權(quán)值，從而使得不同垂直扇區(qū)波束的干擾最小，提高了信干噪 比，保證了系統(tǒng)整體性能。與傳統(tǒng)只調(diào)整傾角的方案相比，該方案通過(guò)優(yōu)化問(wèn)題求出最優(yōu)的 天線權(quán)值，既可以調(diào)整天線的波束主方向增益，又可以自適應(yīng)的調(diào)節(jié)其半功率波束寬度。在 保證小區(qū)覆蓋的基礎(chǔ)上，通過(guò)每個(gè)用戶最小SLNR最大的準(zhǔn)則保證了用戶一定的接收功率 的條件下，對(duì)其他用戶的泄露干擾最小。因此該方案不僅可以提高小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì) 量，更能帶來(lái)系統(tǒng)總體性能的提升。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 圖1是本發(fā)明實(shí)例中基于用戶3D分布的多小區(qū)3D-Mn?)系統(tǒng)模型。
[0040] 圖2是本發(fā)明實(shí)例中各波束劃分垂直空間，波束方向及HPBW的確定示意圖。
[0041] 圖3是本發(fā)明實(shí)例中列16天線MRT預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案的用戶平均頻 譜效率對(duì)比。
[0042] 圖4是本發(fā)明實(shí)例中列16天線MRT預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案中某水平扇區(qū) 頻譜效率隨信噪比變化。
[0043] 圖5是本發(fā)明實(shí)例中列32天線MRT預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案的用戶平均頻 譜效率對(duì)比。
[0044] 圖6是本發(fā)明實(shí)例中列32天線MRT預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案中某水平扇區(qū) 頻譜效率隨信噪比變化。
[0045] 圖7是本發(fā)明實(shí)例中列16天線SLNR預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案的用戶平均頻 譜效率對(duì)比。
[0046] 圖8是本發(fā)明實(shí)例中列16天線MRT預(yù)編碼七小區(qū)場(chǎng)景下不同方案中某水平扇區(qū) 頻譜效率隨信噪比變化。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0048] 本發(fā)明3D-M頂0系統(tǒng)中基于最小SLNR最大準(zhǔn)則的分布式干擾協(xié)調(diào)方法的核心思 想是：第一步，在每個(gè)水平扇區(qū)內(nèi)，基站初始化各垂直扇區(qū)波束方向，根據(jù)用戶3D位置確定 各用戶初始服務(wù)波束；第二步，對(duì)每個(gè)波束參照最小SLNR最大準(zhǔn)則，搜索出最優(yōu)的天線權(quán) 值。
[0049] 考慮一個(gè)用戶3D分布的多小區(qū)3D-Mn?)系統(tǒng)，系統(tǒng)中共有L個(gè)小區(qū)，如圖1所 示，每小區(qū)劃分為3個(gè)水平扇區(qū)，其中每個(gè)水平扇區(qū)劃分為3個(gè)垂直扇區(qū)，優(yōu)選的按照等面 積方法劃分扇區(qū)，即高于基站天線的空間劃分為高扇區(qū)，低于基站天線的空間等面積劃分 為近扇區(qū)與遠(yuǎn)扇區(qū)，每個(gè)小區(qū)服務(wù)K個(gè)單天線用戶，用戶分布模型采用3D分布模型。每個(gè) 水平扇區(qū)的基站天線為一個(gè)面天線陣，天線數(shù)為Nt，該天線陣列按列劃分為3個(gè)子陣，每個(gè) 子陣生成一個(gè)波束服務(wù)一個(gè)垂直扇區(qū)，天線子陣列數(shù)由對(duì)應(yīng)扇區(qū)內(nèi)用戶數(shù)決定。假設(shè)天線 列與列之間相關(guān)性較小，可在水平方向上做MU-MM)預(yù)編碼，而一列天線內(nèi)各個(gè)天線陣元 間相關(guān)性較強(qiáng)，用來(lái)做波束賦形。在每個(gè)水平扇區(qū)內(nèi)，可以認(rèn)為水平方向上天線全覆蓋，只 考慮垂直方向上的波束調(diào)整。假設(shè)第1個(gè)小區(qū)用戶k的發(fā)送符號(hào)為Ciu，滿足IciuI =1， MU-M頂0采用MRT預(yù)編碼算法，預(yù)編碼矢量為xl)，其中itl為該用戶所述扇區(qū)的序 號(hào)，且ikile {1，...，9}。則第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶的接收信號(hào)可以表示為
[0051] 式中：
[0052] Pm一一第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶的下行發(fā)送功率；
[0053] 一-第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶到該用戶所屬扇區(qū)itl天線陣間的信道信息， 其中ikil為該用戶所述扇區(qū)的序號(hào)；
[0054] ^uJ --扇區(qū)ik, i的天線權(quán)值矩陣，為1' ?,的對(duì)角陣，.?,表示扇區(qū)ik, i所用 天線的陣元個(gè)數(shù)；
[0055] vM--第1個(gè)小區(qū)第k個(gè)用戶的預(yù)編碼矢量，維度為xl);
[0056] cM--第1個(gè)小區(qū)用戶k的發(fā)送符號(hào)，且滿足|Clu| = 1 ;
[0057] nk,i--接收機(jī)處的高斯白噪聲，均值為零，方差為σ 2。