3d大规模mimo系统中联合的垂直波束控制及功率分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种3D大规模MIMO系统中联合的垂直波束控制及功率分配方法，包括以下步骤：1)根据用户位置分布将每个小区划分为两个垂直扇区并在垂直扇区间复用一组相同的导频序列进行上行信道估计；2)在下行数据传输阶段，首先，基于上行信道估计的结果以及上行用户所属扇区的初始化结果，以最大比传输为下行预编码算法，最大化和速率为目标，联合优化各小区近扇区的3D天线阵列加权矢量wl0、发送功率pl0，以及远扇区的3D天线阵列加权矢量wl1、发送功率pl1；然后，根据优化后每个扇区的波束增益，将用户重新划分到波束增益较大的扇区；重复2)中步骤，直至用户所属扇区情况不变；至此，完成3D大规模MIMO系统中联合的垂直波束控制及功率分配。
【专利说明】3D大规模ΜΙΜΟ系统中联合的垂直波束控制及功率分配方 法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于无线通信【技术领域】，具体涉及一种3D大规模ΜΜ0系统中联合的垂直 波束控制及功率分配方法。
【背景技术】：
[0002] 2010年底，贝尔实验室的科学家Thomas L. Marzetta提出了大规模MIM0(Large Scale ΜΙΜΟ或Massive ΜΙΜΟ)的概念，配备数百根天线的基站同时为数十个使用相同时频 资源的用户服务。研究表明，当基站天线数很大时，原本随机的变量趋向于确定值，因此简 单的信号处理方法就可有效地减小用户间干扰；另外，当基站天线规模很大时，等效信噪比 随着基站天线数线性增长，这意味着天线数越多要获得相同的等效信噪比所需发射功率可 以越小，因此大规模ΜΙΜΟ技术可以大大降低上下行链路的发送功率，符合"绿色通信"的要 求。大规模ΜΜ0已经被看作是第5代移动通信的关键技术之一，成为无线通信领域近年来 的研究热点。
[0003] 已有研究表明，当基站天线数趋于无穷大时，不相关的干扰和噪声都可以被平均 掉，限制系统性能的决定性因素仅剩下导频污染。所以，如何有效地抑制导频污染、减小由 导频污染造成的性能损失，成为大规模ΜΜ0系统设计要解决的一个关键问题。已有的导频 污染抑制方法可以划分为以下几个方面：高精度的信道估计、鲁棒的预编码、导频结构设计 和导频优化分配。在信道估计方面，人们提出了基于特征分解的信道估计算法、贝叶斯信 道估计算法等；在鲁棒的预编码算法方面，包括通过基站间协作的预编码算法、基于MMSE 准则的鲁棒预编码算法等；在导频结构设计方面，分为时移的导频结构和冗余的导频结构； 在导频优化分配方面，包括以最小化信道估计均方误差为目标的导频优化分配方案和以系 统总吞吐量为效用函数的导频分配方案等。但是以上技术都仅考虑了天线水平维度特性对 系统性能的影响。在实际系统中考虑到天线尺寸的限制以及天线数量众多的问题，面阵等 3D (three-dimensional)天线阵列成为适用于大规模ΜΙΜ0系统的实用天线阵列，而3D天线 阵列所带来的垂直面上的自由度为进一步改善系统性能提供了新的契机。
[0004] 利用有源天线，令基站的3D天线阵列同时形成多个垂直波束，可实现小区的垂 直分裂，通过增加基站同时服务的用户数量或通过精确的波束调整提高用户的信干噪比 (SINR)，来提升系统的总体性能。然而，实际系统中基站的天线数目可以很大，但总是有限 的，在此情况下，不相关的干扰和噪声不能被理想地消除掉，仍会对系统性能造成严重的影 响。弓丨入垂直分裂技术后，不仅会带来扇区间干扰问题，还可能会增强小区间干扰。通过下 倾角优化、功率分配、协调波束赋形以及与联合传输结合的垂直波束优化等处理，可以有效 地抑制干扰对系统性能的影响。然而，目前的研究大多还是在理想信道状态信息（CSI)的 假设下进行的，并未涉及到在天线数量较大、服务用户数较多时系统性能会受到导频污染 限制的问题，尤其是在当每个垂直扇区内服务用户数较多时可能需要在扇区间复用导频的 情况下，导频污染问题变得更加严峻。
【发明内容】
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[0005] 本发明的目的在于针对采用天线面阵结构的大规模ΜΜ0系统的垂直分裂场景， 提供了一种3D大规模ΜΙΜΟ系统中联合的垂直波束控制及功率分配方法，该方法一方面间 接地减轻导频污染对系统性能的恶化影响，另一方面有效地协调系统中存在的各种干扰以 降低干扰影响。
[0006] 与现有技术相比，本发明采用如下的技术方案：
[0007] 3D大规模ΜΙΜΟ系统中联合的垂直波束控制及功率分配方法，包括以下步骤：
[0008] 1)在上行信道估计阶段，根据用户位置分布将协作簇中的每个小区划分两个虚拟 的垂直扇区，并让两个垂直扇区复用一组相同的导频序列，以增加每个基站同时服务的用 户数量，其中，信道估计采用LS估计算法；
[0009] 2)在下行数据传输阶段，第一步，各小区根据用户位置分布设置两个固定的天线 下倾角，每个小区形成两个垂直扇区，分别为近扇区和远扇区，并初始化各用户所属的扇 区；第二步，基于上行信道估计的结果以及每小区用户所属扇区的初始化结果，以最大比传 输为下行预编码算法，最大化和速率为目标，联合优化各小区近扇区的3D天线阵列加权矢 量w 1(l、发送功率ρ1(ι，以及远扇区的3D天线阵列加权矢量Wll、发送功率 Pll ;第三步，根据用 户在所在小区近扇区和远扇区的优化后的波束增益大小，将用户重新划分到该小区中波束 增益较大的扇区；重复第一步至第三步，直至用户所属扇区情况不变；至此，完成3D大规模 ΜΙΜΟ系统中联合的垂直波束控制及功率分配。
[0010] 本发明进一步改进在于，具体包括以下步骤：
[0011] 1)上行信道估计：根据用户位置分布，将每个小区划分为两个虚拟垂直扇区，每 个小区使用一个垂直波束接收两个虚拟扇区内所有用户发送的上行导频信号，并进行LS 信道估计，对于小区1中的近扇区用户1?，其LS信道估计结果戈
【权利要求】
1. 3D大规模ΜΙΜΟ系统中联合的垂直波束控制及功率分配方法，其特征在于，包括以下 步骤： 1) 在上行信道估计阶段，根据用户位置分布将协作簇中的每个小区划分两个虚拟的垂 直扇区，并让两个垂直扇区复用一组相同的导频序列，以增加每个基站同时服务的用户数 量，其中，信道估计采用LS估计算法； 2) 在下行数据传输阶段，第一步，各小区根据用户位置分布设置两个固定的天线下倾 角，每个小区形成两个垂直扇区，分别为近扇区和远扇区，并初始化各用户所属的扇区；第 二步，基于上行信道估计的结果以及每小区用户所属扇区的初始化结果，以最大比传输为 下行预编码算法，最大化和速率为目标，联合优化各小区近扇区的3D天线阵列加权矢量 Wltl、发送功率ρ1(ι,以及远扇区的3D天线阵列加权矢量wu、发送功率P11 ;第三步,根据用户在 所在小区近扇区和远扇区的优化后的波束增益大小，将用户重新划分到该小区中波束增益 较大的扇区；重复第一步至第三步，直至用户所属扇区情况不变；至此，完成3D大规模MMO 系统中联合的垂直波束控制及功率分配。
2. 根据权利要求1所述的3D大规模MMO系统中联合的垂直波束控制及功率分配方 法，其特征在于，具体包括以下步骤： 1) 上行信道估计：根据用户位置分布，将每个小区划分为两个虚拟垂直扇区，每个小 区使用一个垂直波束接收两个虚拟扇区内所有用户发送的上行导频信号，并进行LS信道 估计，对于小区1中的近扇区用户Iv其LS信道估计结果为^ ; 2) 下行垂直波束赋形及功率分配联合优化：对于小区1中的用户k，基于上行信道 估计信息进行最大比传输，可以得到该用户和速率Rlk的表达式；其中，优化目标为最 大化协作簇中所有用户的和速率，优化对象为每个小区近扇区的3D天线阵列加权矢量 Wltl、发送功率ρω，以及远扇区的3D天线阵列加权矢量Wll、发送功率Pll，即优化问题为
其中：~,为小区1中近扇区用户1?的和速率，^为小区1中远扇区用户Ic1的和速率，L为协作簇中小区总数，Kltl为小区1中近扇区总的用户数，Kltl为小区1中远扇区总的用户 数； 为降低小区间干扰并满足总功率限制，设置优化问题的限制条件为扇区间波束的相关 性小于阈值Pmax且两个扇区的总发射功率不超过P; 3) 为降低优化问题求解的复杂度，使用粒子群算法进行迭代求解； 第一步：初始化每个小区近扇区的3D天线阵列加权矢量Wltl、发送功率Pltl，以及远扇区 的3D天线阵列加权矢量wu、发送功率P11,设定每个小区近扇区的3D天线阵列加权矢量w1Q 的更新速度为\1(1、发送功率Pki的更新速度为vRl。，设定每个小区远扇区的3D天线阵列加 权矢量W11的更新速度为Vwai、发送功率P11的更新速度为Vpai ; 第二步：设置系统总的和速率为效用函数，以最大化效用函数为目标不断更新每个小 区近扇区的3D天线阵列加权矢量Wltl、发送功率Pltl，以及远扇区的3D天线阵列加权矢量Wll、 发送功率P11 ; 第三步：若到达最大迭代次数或相邻两次迭代的效用函数差值小于预先设定的常数S，迭代过程停止，其中，常数S小于0.01; 根据迭代出的每个小区近扇区的3D天线阵列加权矢量Wltl和每个小区远扇区的3D天 线阵列加权矢量W11分别计算服务近扇区和远扇区的阵列天线增益，其中小区1中的用户i 在基站1的近扇区阵列天线增益为Α(ΘD1(|，Θm)，ΘD1(|为服务小区1近扇区天线的下倾 角，Θm小区1中的用户i到基站1的俯仰角，小区1中的用户i在基站1的远扇区阵列天 线增益为Α(ΘD11，Θm)，ΘD11为服务小区1远扇区天线的下倾角；小区1中的用户i在基 站1的近扇区阵列天线增益为Α(ΘD1(|，Θm)，ΘD1(|为服务小区1近扇区天线的下倾角； 4)根据用户在每个扇区的波束增益大小重新划分用户所属扇区，调整过程如下： 若A(0D，l。，0Ili) >A(0D，ll，0lli)，则该用户为近扇区用户； 若A(0D，1。，0lli)〈A(0D，ll，0lli)，则该用户为远扇区用户； 重复步骤2)至4)，若用户所属扇区情况不发生改变，则停止，得到最终每个小区近扇 区的3D天线阵列加权矢量Wltl、发送功率Pltl，以及远扇区的3D天线阵列加权矢量Wll、发送 功率Pm
3. 根据权利要求2所述的3D大规模MMO系统中联合的垂直波束控制及功率分配方 法，其特征在于，步骤1)中，小区1中的近扇区用户h的LS信道估计结果为：
式中A基站1接收到的信号，其计算公式为：
其中：K为每个小区服务的用户总数，L为协作簇中小区总数，Wk为近扇区用户1?和远 扇区用户Ic1发送的上行IXτ维的相同的导频序列，为小区丨近扇区用户k()到基站丄 的信道矩阵，《%,为小区1远扇区用户Ic1到基站1的信道矩阵，1--为小区j近扇区用户kQ 到基站1的信道矩阵，为小区j远扇区用户h到基站1的信道矩阵，A( ·)为基站的3D 天线方向图，ΘDa为基站1天线阵的下倾角，焉为小区1中近扇区用户1?看向基站1的仰 角，轉Itl为小区1中远扇区用户Ic1看向基站1的仰角，％*?为小区j中近扇区用户1?看向基 站1的仰角，为小区j中远扇区用户I^1看向基站1的仰角，Z1为基站1的加性商斯白噪 声，且I?c^(aNtl为噪声功率谱密度，I为单位阵； ▼f表示 ' 的共轭转置。
4. 根据权利要求2所述的3D大规模MMO系统中联合的垂直波束控制及功率分配方 法，其特征在于，步骤2)中，优化问题（t 具体形式为：
式中：I11分别表示小区1近扇区和远扇区中用户的平均仰角； 优化问题中包含两个限制条件：C1表示在每小区两个扇区天线波束之间的相关性小于 门限值的前提，同时保证调整加权向量W后基站发送功率保持不变； C2表示每小区两个扇区的总功率小于基站的总功率P; Β^θ)eCmxi是基站天线阵列的方向图，M是基站天线数； Ρ(Θ)表示用户分布的概率密度函数； P表示每小区两个扇区天线波束之间的相关性系数； 表示当天线下倾角为：^时，小区1的近扇区的天线阵列加权向量，mC?表示 ?的共轭转置；表示当天线下倾角为^时，小区1的远扇区的天线阵列加权向量， 表不的共辄转直； P1q表不小区1近扇区的基站服务功率，P11表不小区1远扇区的基站服务功率。
5.根据权利要求2所述的3D大规模MMO系统中联合的垂直波束控制及功率分配方 法，其特征在于，步骤3)中，初始化每个小区近扇区的3D天线阵列加权矢量Wltl和其更新速 度\1(|，其计算公式如下：
式中：8?以0，1)，（1为两个天线元素的间距，且(1 =尖=4，尖和4分别表示天线 水平间距和垂直间距； m和η表示面天线阵第m行第η列天线阵元； vUU为（n-DNv+m个元素的第个粒子的时刻1时的更新速度，wC)为（η-1) Nv+m个元素的第j个粒子的时刻0时的初始位置，Nv表示天线阵列垂直天线个数； 入表示用户发送波束的波长； 初始化每个小区近扇区的发送功率ρω，其计算公式如下：
式中：4W为Pltl第j个粒子的时刻1时的更新速度，/?(O)为Pltl第j个粒子的时刻 0时的初始位置； 初始化每个小区远扇区的3D天线阵列加权矢量W11和更新速度为Vwai,其计算公式如 下：
式中：为（n_1)NV+m个元素的第j个粒子的时刻1时的更新風度； 为（n_l)Nv+m个元素的第j个粒子的时刻0时的初始位置； 时刻τ每个粒子的迭代更新的计算公式如下： Vj (τ) =avJ (τ-I) +C^1 [pJ (τ-I) -xJ (τ-I) ] +c2r2 [pg (τ-I) -xJ (τ-I) ] (12)xJ (τ) =xJ (τ-I) +vJ (τ) 其中τ)第j个粒子时刻τ的更新速度，τ)第j个粒子时刻τ的位置，cl、c2是正常数，称之为学习因子；rl、r2为[0，1]中均匀分布的随机数，a是惯性权重因子； Pj (τ-1)为第j个粒子时刻τ-1的局部最优值，Pg (τ-1)为所有粒子在时刻τ-1的全局 最优值。
6.根据权利要求2所述的3D大规模MMO系统中联合的垂直波束控制及功率分配方 法，其特征在于，步骤4)中， 4Θ^Θ?.)=<Λ^ 式中： ,为当天线阵列下倾角为ΘDltl时，小区1近扇区天线阵列的加权向量； BJΘm)e CMX1，是基站天线阵列的方向图，Θm)第（n-l)Nv+m个元素为\m，n(Θm)，表 示第m行第η列天线阵元的增益，其表达式为
式中：G,.(4)=-mk[12(^^)2,20】》为单个天线阵元的垂直方向图，O3de表示半功率 角，θD表示天线阵列的下倾角，θm为小区1中的用户i到基站1的俯仰角，dy和dz表示 天线水平间距和垂直间距； 泰爲,HL桃） 式中：《C,为当天线阵列下倾角为Siui时，远扇区天线阵列的加权向量。
【文档编号】H04W72/08GK104270820SQ201410380297
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年8月4日
【发明者】张国梅, 王兵, 吕刚明, 李国兵, 任俊臣 申请人:西安交通大学