3D‑MIMO系统中扇区垂直裂化的系统下行传输速率提升方法与流程

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种在3D-MIMO系统中扇区垂直裂化的系统下行传输速率提升方法。

背景技术：
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随着移动通信网络的快速发展，信息传输的需求正以高速增长。在可用频率资源有限的制约下，为了满足这种日益增长的信息吞吐能力的需求，许多新的技术被提出并引起人们的广泛关注。3D-MIMO技术就是其中一种通过提高频谱利用效率提升系统传输能力的新兴技术。

传统的多天线小区中，定向天线沿直线布设，虽然在水平方向上可以通过波束赋形的方式灵活调整天线指向角，但在垂直维度上受到天线设置方式的制约可调整下倾角的范围很有限。但在在配备面阵天线的3D-MIMO系统中，在垂直和水平两个维度均可以实现波束赋形，从而灵活调整天线指向，充分挖掘了系统信道提供的空间自由度，提高了系统的频谱效率和传输速率。利用3D-MIMO的上述特性，我们将小区在垂直维度上裂化为多个垂直扇区，并设置多个天线波束为各垂直扇区分别服务。这一垂直扇区裂化问题的优化也成为了近年研究的一个热点问题。

利用3D-MIMO裂化小区，可以提高了系统频谱效率，提升系统传输能力。但是在应用3D-MIMO垂直裂化小区过程中，垂直扇区的数量，各垂直扇区的下倾角和各扇区的划分门限都都会影响系统的吞吐能力。为了有效提升系统传输能力，便引入了一个多参数的联合优化问题。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种在3D-MIMO系统中扇区垂直裂化系统的下行传输速率提升方法，通过给相关参数的联合优化提升系统传输能力。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：

3D-MIMO系统中扇区垂直裂化的系统下行传输速率提升方法，包括以下步骤：

(1)、信道估计阶段：系统通过用户反馈信息，得到信道信息；

(2)、根据返回信道信息，确定垂直扇区数量并将小区裂化为最优数量的垂直扇区；

(3)、依照最优扇区划分数划分扇区，对垂直扇区之间的划分门限和各扇区的下倾角进行迭代优化，得到最优的划分门限及下倾角组合，优化网络的部署。

本发明进一步的改进在于，所述步骤(1)的具体实现步骤为：用户根据接收到的信号判断自身的信道情况，将这些信道信息反馈给基站，基站依据反馈信息判断用户的位置，数量和分布情况，并根据这些参数信息进一步优化系统网络部署。

本发明进一步的改进在于，所述步骤(2)的具体实现步骤为：

本小区的基站接收到用户上报的信息后，根据所得到的用户信息和信道信息，将用户的遍历传输速率表示为：

其中，表示在b小区中m扇区内的用户k的遍历速率，和分别表示该用户的信号功率和干扰功率，表示噪声功率，E_H{·}表示求期望，为了降低计算复杂度将用户的遍历传输速率近似表示为

根据用户信号功率和干扰功率的分布特性和相关统计学理论，信号功率和干扰功率分别表示为

其中N_t是基站发射天线数量，M是裂化垂直扇区数量，K_m是该用户所处垂直扇区内的用户总数，表示对b小区中m扇区内的用户k的天线发射功率，B是系统内小区的数量，为从l小区中n扇区的波束到b小区中m扇区内的用户i的慢衰落，是关于扇区下倾角的函数，表示为

其中L₀是单位距离的路径损耗，表示b小区中m扇区内的用户k到小区l的距离，α为路径损耗，A_max为天线在下倾角指向的天线增益，表示用户的俯仰角，θ^(l,n)为l小区中n扇区的下倾角，θ_3dB为垂直半波损耗角；

进一步整理并表示为

将系统的总传输速率表示为

通过分析小区系统，确定垂直扇区下倾角和扇区划分门限的前提下，总传输速率关于小区垂直扇区划分数量M的凸函数，通过对小区总传输速率求最大值得到最佳的垂直扇区划分数量M。

本发明进一步的改进在于，所述步骤(3)的具体实现步骤为：

计算确定最优小区裂化数M后，R(M,Θ,R_th)对于扇区下倾角向量Θ和门限划分向量R_th的函数表现为凹函数，通过迭代优化各垂直扇区下倾角及垂直扇区间的划分门限优化总传输速率；

迭代开始前设定划分门限和下倾角初始值，假设用户均匀分布在小区内，将下倾角θ^(b,m)的初始值设定指向各扇区内用户的期望位置，即各扇区的几何重心位置，表示为其中表示扇区m的外门限，表示扇区m的内门限，特别地，表示小区半径，表示小区用户到基站的最小距离，即小区内径；

每轮迭代包含三个部分：垂直扇区划分门限优化，单扇区下倾角优化和多小区多扇区下倾角优化，具体如下：

垂直扇区划分门限优化：计入扇区间干扰和小区间干扰，各用户的传输速率记为

代入初始参数值，对各小区划分门限依次优化，使系统总速率最大化，保留本步骤优化结果作为下一轮迭代的初始划分门限R_th；

单扇区下倾角优化：取上一步优化得到的门限半径R_th和对应下倾角值为本步骤的初始值，不计入用户间干扰和区间干扰，即扇区内各用户传输速率定义为

对各小区各扇区对应的下倾角θ^(b,m)进行调整优化，使系统总速率最大化，保留本优化步骤的结果作为下一步优化的初始值；

多小区多扇区下倾角优化：取上一步骤SSO优化得到各扇区下倾角值为本步骤的初始值，对各小区各扇区分组，代入

并计算并对各组下倾角进行调整优化，以本步骤的结果作为下一轮迭代的初始值；

依照迭代计算的结果，优化网络部署。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明针对在3D-MIMO系统扇区的垂直裂化中，传输速率的多参数联合优化问题，提出一种分步迭代的优化方法，以减低计算复杂度，提高系统传输总速率；本发明方法依据通过系统反馈得到的系统信息，对裂化扇区数进行优化确定最优的垂直扇区划分数量；在确定垂直扇区数量之后，对各垂直扇区下倾角及垂直扇区间的划分门限进行迭代优化，得到最优的参数组合；应用得到的最优参数组合，最大化总传输速率，有效提高传输能力。

附图说明：

图1是3D-MIMO系统小区裂化示意图；

图2是本发明方法所应用的场景传输实例图；

图3给出了功能实现模块框图；

图4给出了小区的网络结构图；

图5是通过计算机仿真得到的系统划分门限和小区总容量之间的关系图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在3D-MIMO通信系统中，通过利用基站发射天线可在垂直维度和水平维度同时进行波束赋形的特性，将系统裂化为多个垂直扇区，如图1所示。通过裂化小区的方式提高系统的频谱效率，优化系统的传输能力。

但是裂化小区后，系统的传输总速率是受图2中所示划分扇区数，垂直下倾角和划分门限共同影响的函数。因此对系统传输总速率的优化是联合优化问题。通过迭代计算得到最优的参数组合，并依据参数进行相应网络部署，使系统传输能力最大化。

本发明一种在3D-MIMO系统中扇区垂直裂化的系统下行传输速率提升方法，包括以下步骤(功能实现框图如图3)：

(1)、训练阶段：系统通过训练模块，获取信道信息；

(2)、根据返回用户信息，确定垂直扇区数量并将小区裂化为最优数量的垂直扇区；

(3)、对垂直扇区之间的划分门限和各扇区的下倾角进行迭代优化，得到最优的划分门限及下倾角组合，优化网络的部署。

所述步骤(2)的具体步骤为：

如权利要求1所述一种在3D-MIMO系统中扇区垂直裂化的系统下行传输速率提升方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为：

本小区的基站接收到用户上报的信息后，根据所得到的用户信息和信道信息，将用户的遍历传输速率表示为：

其中，表示在b小区中m扇区内的用户k的遍历速率，和分别表示该用户的信号功率和干扰功率，表示噪声功率，E_H{·}表示求期望，为了降低计算复杂度将用户的遍历传输速率近似表示为

根据用户信号功率和干扰功率的分布特性和相关统计学理论，信号功率和干扰功率分别表示为

其中N_t是基站发射天线数量，M是裂化垂直扇区数量，K_m是该用户所处垂直扇区内的用户总数，表示对b小区中m扇区内的用户k的天线发射功率，B是系统内小区的数量，为从l小区中n扇区的波束到b小区中m扇区内的用户i的慢衰落，是关于扇区下倾角的函数，表示为

其中L₀是单位距离的路径损耗，表示b小区中m扇区内的用户i到小区l的距离，α为路径损耗，A_max为天线在下倾角指向的天线增益，表示用户的俯仰角，θ^(l,n)为l小区中n扇区的下倾角，θ_3dB为垂直半波损耗角。

进一步整理并表示为

可将系统的总传输速率表示为

通过分析小区，确定垂直扇区下倾角和扇区划分门限的前提下，总传输速率关于小区垂直扇区划分数量M的凸函数，通过对小区总传输速率求最大值得到最佳的垂直扇区划分数量M。

步骤(3)根据步骤(2)所得最佳扇区划分数量M将小区划分为M个垂直扇区。参阅图4，建立19个小区的系统模型，以0号小区为例，已通过计算得到当前系统将小区划分为2个垂直扇区最优。R(M,Θ,R_th)对于扇区下倾角向量Θ和门限划分向量R_th的函数表现为凹函数，迭代计算下倾角和划分门限得到最优参数组合，并依据最优组合对网络部署优化，提升系统传输能力。

迭代开始前设定划分门限和下倾角初始值，假设用户均匀分布在小区内，将下倾角θ^(b,m)的初始值设定指向各扇区内用户的期望位置，即各扇区的几何重心位置，表示为其中表示扇区m的外门限，表示扇区m的内门限，特别地，表示小区半径，表示小区用户到基站的最小距离，即小区内径。

每轮迭代包含三个部分：垂直扇区划分门限优化(STO)，单扇区下倾角优化(SSO)和多小区多扇区下倾角优化(MCO)。

垂直扇区划分门限优化(STO)：计入扇区间用户干扰和小区间干扰，各用户的传输速率记为

代入初始参数值，对各小区划分门限依次优化，使系统总速率最大化，保留本步骤优化结果作为下一轮迭代的初始划分门限R_th。

单扇区下倾角优化(SSO)：取上一步优化得到的门限半径R_th和对应下倾角值为本步骤的初始值，不计入用户间干扰和区间干扰，即扇区内各用户传输速率定义为

对各小区各扇区对应的下倾角θ^(b,m)进行调整优化，使系统总速率最大化，保留本优化步骤的结果作为下一步优化的初始值。

多小区多扇区下倾角优化(MCO)：取上一步骤SSO优化得到各扇区下倾角值为本步骤的初始值，对各小区各扇区分组，代入

并计算并对各组下倾角进行调整优化，以本步骤的结果作为下一轮迭代的初始值。

依照迭代计算的结果，优化网络部署。

图5通过计算机仿真给出了我们所提出的方案和对比方案的传输速率的比较，对比方案不综合考虑划分门限和各扇区下倾角的优化，而是将两者的取值相关联。可以看到在同样的划分门限下所提联合优化方案带来的传输性能提升。