CN104779986B - 3d-mimo系统中应用三维波束赋形的多小区间干扰协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D‑MIMO系统中应用三维波束赋形的多小区间干扰协调方法，通过不同时隙上调度不同类型的分布在三维空间中用户，同时使用三维波束赋形传输技术，极大的降低了用户受到的小区间同频干扰；具体包括以下步骤：1)根据用户在三维空间的分布，计算基站到用户直视径的顶角，并据此将用户分为高层用户和低层用户；2)根据用户所在小区的平面上的位置，将低层用户再分为小区边缘用户和小区中心用户；3)将调度用户的时隙分为三类，在每一类时隙中所有基站都调度同一类用户，并使用三维波束赋形传输技术服务该用户，进一步增强用户接收的有用信号功率，降低干扰。本发明在提升了网络整体吞吐量的同时极大的改善了小区边缘用户的服务质量。

Description

3D-MIMO系统中应用三维波束赋形的多小区间干扰协调方法

技术领域：

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种在蜂窝网络多小区多用户3D-MIMO系统中应用三维波束赋形的多小区间干扰协调方法。

背景技术：

近年来智能移动设备所需求的数据量远超于前，因而3GPP(3rd GenerationPartnership Project)致力于在其标准中研究尖端技术来提高频谱效率和用户体验。Three dimensional Multiple-Input Multiple-Output(3D-MIMO)是目前3GPP在下一代长期演进(LTE)无线通信系统中研究的关键技术之一。3D-MIMO不需要大容量的回程链路和更多的频谱资源，它利用大量天线排布在空间天线阵列进行三维的波束赋形信号传输，极大的提升了系统性能。

在蜂窝网络中多小区组网时，下行传输链路经常面临小区间同频干扰的问题，尤其是对于小区边缘用户尤为严重。现有的干扰协调(ICIC)和增强型干扰协调(eICIC)等方法通过在频域或者时域上调度不同小区的不同用户，使得不同小区的信号时频域上针对某些用户是正交的，以此降低用户受到的同频干扰。已有的干扰协调方法都是基于2D信道和用户分布，然而，3D-MIMO系统相较之前的系统模型，不仅仅在于使用了三维空间信道模型，更在小区拓扑、场景，用户分布，天线阵列排布等方面与之前大不相同。因此以往的干扰协调策略完全无法适用于新的3D-MIMO系统，应该根据系统的特性来制定新的干扰协调方法，特别是利用用户的三维空间分布特性，通过额外的空间自由度降低用户间干扰。

发明内容：

本发明的目的是在3GPP组织最新提出的3D-MIMO技术及其模型基础上，应用三维波束赋形技术，结合其小区拓扑结构以及用户分布的特点，为多小区多用户的下行蜂窝网络提出了一种3D-MIMO系统中应用三维波束赋形的多小区间干扰协调方法，该方法有效的降低了用户收到的临小区同频干扰，提升网络吞吐量的同时大幅改善了系统边缘用户的服务性能。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

3D-MIMO系统中应用三维波束赋形的多小区间干扰协调方法，包括以下步骤：

1)根据用户在3D场景中的高度、位置、基站到用户的距离以及基站天线高度，来计算全部服务用户的顶角，并据此将用户划分为高层用户和低层用户两类；

2)结合多小区的拓扑结构和用户所处的小区平面上的地理位置，将低层用户进一步划分为小区边缘用户和小区中心用户两类，在调度小区边缘用户时，相邻的所有小区采用协作传输的策略；

3)所有基站分别将调度用户的时隙分为三类，每类时隙各个基站都调度各自小区中的同一类用户，传输时基站的天线阵列进行三维波束赋形服务调度用户，最终提升网络的吞吐量并改善小区边缘用户的性能。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，具体划分用户的方法具体如下：

考虑被提出于3GPP标准中包含高层建筑的新3D城市宏小区场景，计算用户直视径的顶角，用户距离服务基站的相对位置为(x,y)，x,y分别为用户到基站在水平面x轴和y轴上的相对距离，用户所处高度为h_u，基站天线高度为h₀；因此，用户的顶角θ_z为：

将场景中的用户根据其顶角大小划分为高层用户和低层用户；在场景中，高层建筑到基站的最小距离为M，两个高层建筑之间的平均距离为N，高层建筑的最大高度为h_M；划分的临界顶角θ₀为：

其中，顶角θ_z<θ₀的用户属于高层用户，其他用户属于低层用户。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，进一步划分低层用户的方法具体如下：

用户距离服务基站的相对位置为(x,y)，基站天线的主射方向为φ_B，因此用户所在水平方向上的方位角与基站天线主射方向的夹角φ_d为：

所处场景的拓扑为六边形小区，小区边长为S，设低层用户的距离因子为f_d，f_d表示为：

其中，f_d>0的低层用户被定义为小区边缘用户，其余低层用户被定义为小区中心用户；小区中心用户由所处小区的基站单独服务，小区边缘用户由距离其最近的三个基站进行协作传输。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，调度用户和传输信息的具体方法如下：

第一类时隙所有小区调度其高层用户，第二类时隙所有小区调度其低层用户的边缘用户，第三类时隙所有小区调度其低层用户的中心用户；所有小区都采用轮询的调度方式依次调度小区中的所有用户，在同一时刻所有小区都存在于同一类时隙中；传输时基站的天线阵列对服务用户进行三维波束赋形的传输。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，具体的三维波束赋形方法为：

基站使用a_M×a_N个天线元素排布成的矩形天线阵列，每个天线阵列的一列作为一个单独的天线端口；传输时对每个天线端口进行预编码加权，天线端口中第m个天线元素使用的预编码ω_m为

其中，m＝1,2,...,a_M，λ为载波波长，d_v为天线阵列的行间距，θ_etilt是定义在0°到180°之间的电子下倾角，其中90°表示垂直于天线阵列平面，同一个天线端口中的天线元素使用的预编码ω_m都有着相同的电子下倾角θ_etilt；在传输中使用ω_m来进行三维波束赋形中垂直方向上的波束赋形，将用户的顶角θ_z用作预编码的电子下倾角θ_etilt，即

θ_etilt＝θ_z (6)

同时，根据用户所在水平方向上的方位角与基站天线主射方向的夹角φ_d，在不同的天线端口上进行功率分配，使得天线阵在服务用户方向上增益最大，实现水平方向上的波束赋形。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

本发明使用了符合3D-MIMO系统的最新提出的完整的三维系统模型，包括三维场景，平面天线阵列模型和三维信道模型，并结合该系统模型的特点设计出了更符合实际的整套多小区间干扰协调调度方案。与传统干扰协调方法相比，本发明结合考虑了服务用户的位置和高度角信息，更细致地将用户分为三类，并根据新的小区拓扑结构，合理的划分不同种类的时隙，有效的降低了小区间同频干扰，同时使用三维波束赋形技术进行高效传输，从而提升了网络整体吞吐量，极大的改善了边缘用户服务质量。

附图说明：

图1是3D-MIMO系统小区拓扑图。

图2是小区用户分类示意图。

图3是低层用户划分和调度方案示意图。

图4是平面天线阵列模型图。

图5是不同传输方式下小区用户宽带信干噪比对比图。

图6是不同传输方式下小区用户数据速率的累积概率密度。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中表示3D-MIMO系统所处场景的小区拓扑结构，具体的描述如下：

在传统的蜂窝六边形小区结构中，基站位于每一个六边形小区的中心，六边形小区会被等分为三个菱形扇区，三个扇区由间隔120°的方向性天线服务。而在3D-MIMO系统的小区拓扑结构中，每一个小区就是一个六边形，基站位于三小区的公共顶点上，每组方向性天线服务一个六边形小区，如图1所示，箭头的方向为天线的主射方向。由于小区拓扑结构和之前干扰协调方案相差巨大，因此需要相应的新的干扰协调方案。

被提出于3GPP标准中包含高层建筑的新3D城市宏小区场景(3D-Uma-H)，与现在的城市场景非常吻合，是现在的一个研究热点。用户在新的场景下水平面上的分布依旧是均匀分布，如同之前的场景，然而不同于之前模型中所有用户的高度都为1.5m，现在只有20％的用户处于室外用户，高度为1.5m。而其他的用户都被认为在室内的高楼中，每一栋楼的最高层数均匀分布在一定范围内，室内的用户也均匀分布在楼的不同高度中。在3D-Uma-H场景中，每个小区中都还存在一个高层建筑，这个建筑在场景中被建模为一个圆柱形，其最大高度远远高于基站的高度，一半的室内用户都分布在这个高层建筑中。

考虑在这样新的拓扑和场景下适用的新的干扰协调方法，首先需要对小区中所在的用户进行分类。图2所示为一个小区中的三个用户，分别代表划分的三类用户，下面详述具体的分类方法。设用户所处的位置相对与基站的坐标为(x,y)，x,y分别为用户到基站在水平面x轴和y轴上的相对距离，用户所在的高度为h_u，用户都配有一根全向天线，基站天线的高度为h₀。此时可以计算用户顶角θ_z为：

同时，设在小区中的高层建筑距离基站的最短距离为M，两个高层建筑之间的平均距离为N。高层建筑的最高高度为h_M，每个基站都服务其小区内的用户。

首先要根据基站到用户的直视径的顶角来对高层用户和低层用户进行区分，使得在同一时隙内所有基站都调度其高层用户。为了降低高层用户之间的干扰，天线服务高层用户时在垂直维度上的发射角度应该大于某个临界值，使得其波束到达下一个高层建筑时，波束高度已经高出该建筑的最高层。因此划分的临界顶角θ₀为：

其中，顶角θ_z<θ₀的用户属于高层用户，其他用户属于低层用户。

低层用户被进一步划分为小区边缘用户和小区中心用户。如图3所示，位于小区Ⅰ中的用户，由于天线在水平方向上是有方向性的，因此在1-6不同的顶点位置上的用户所接收的有用信号和干扰信号的强度是各不相同的。对于每一个小区，可以将其六个顶点分为三类：

1、基站天线主射方向的顶点(1，3，5)；

2、无天线直射的顶点(2，4)；

3、基站(site)所处的顶点，此顶点的附近没有用户存在(6)。

位于2、4两个顶角附近的用户位于三个小区边缘，在接收有用信号的同时也受到强度相近的干扰信号，此时用户收到强干扰，称这些为边缘用户；而位于顶角1、3、6、5四边形范围内的用户相对靠近基站并处于天线的主射方向上，接收的信号强度较大而干扰强度较小，称这些为中心用户。因此，在服务不同用户的时候应该对这两种情况进行区分：服务边缘用户时，相邻的三个小区进行协作传输；而在服务小区中心用户时，考虑到协作传输的代价，则不采用联合传输，由服务基站单独传输。

设基站天线的主射方向为φ_B，因此用户所在水平方向上的方位角与基站天线主射方向的夹角φ_d为：

设所处的六边形小区边长为S，定义低层用户的距离因子为f_d，f_d可以表示为：

其中，f_d>0的低层用户被定义为小区边缘用户，其余低层用户被定义为小区中心用户。

相应的，根据对小区用户的类别划分，同时也对调度用户的时隙进行三类划分：

第一类时隙：所有小区同时调度高层用户(顶角小于临界值)；

第二类时隙：所有小区同时调度位于顶角2、4附近的用户(约位于图3三角形内)。此时用户属于低层小区边缘用户，由三个临近的小区基站联合传输；

第三类时隙：所有小区同时调度位于顶角1、3、6、5范围内的用户。此时用户属于低层小区中心用户，由所处小区基站独立传输。

所有小区都采用轮询的调度方式依次调度小区中的所有用户，在同一时刻所有小区都存在于同一类时隙中。传输时基站的天线阵列对服务用户进行三维波束赋形的传输。

图4中表示基站所使用平面天线阵列，具体的描述如下：

基站使用的二维天线平面阵列是由排布成a_M行a_N列的天线元素所组成的，行之间和列之间的距离分别为d_H和d_V。每个天线元素都由一个发射机独立溃电激励，其幅度和相位都可以被独立的调整。在LTE中，无线资源按照天线端口为单位进行分配，每一个天线端口都是由数个物理上的天线元素组成，这些元素都携带者相同的信息。天线元素的方向图被划分为水平方向和垂直方向上的方向图，他们都被建模成为一个二次函数的形式。协议中，单个天线元素在三维空间上的水平、垂直和总的方向图被设定为：

A(θ,φ)＝-min{-[A_E,H(φ)+A_E,V(θ)],A_m}

φ_3dB＝θ_3dB＝65°,A_m＝SLA_V＝30

其中，φ_3dB、θ_3dB表示水平、垂直方向3dB波束宽度，A_m、SLA_V表示水平、垂直方向上天线元素最大衰减。

基站使用a_M×a_N个天线元素排布成的矩形天线阵列，每个天线阵列的一列作为一个单独的天线端口。传输时对每个天线端口进行预编码加权，天线端口中第m个天线元素使用的预编码ω_m为

其中，m＝1,2,...,a_M，λ为载波波长，d_v为天线阵列的行间距，θ_etilt是定义在0°到180°之间的电子下倾角，其中90°表示垂直于天线阵列平面。同一个天线端口中的天线元素使用的预编码ω_m都有着相同的电子下倾角θ_etilt。在传输中本发明使用ω_m来进行三维波束赋形中垂直方向上的波束赋形，将用户的顶角θ_z用作预编码的电子下倾角θ_etilt，即

θ_etilt＝θ_z (6)

同时，根据用户所在水平方向上的方位角与基站天线主射方向的夹角φ_d，在不同的天线端口上进行功率分配，使得天线阵在服务用户方向上增益最大，实现水平方向上的波束赋形。

图5、图6分别所提出干扰协调方法的仿真结果与其他发射策略比较，比较的测度为小区用户的宽带信干噪比和基站的吞吐量。仿真采用蒙特卡洛仿真，详细的仿真参数如下表中所示。

设S为调度用户周围所有临近小区的基站的集合，则该调度用户的宽带信干噪比为：

其中，i代表该用户的服务基站，j代表干扰基站，P_n代表接收噪声。宽带SINR是衡量系统性能的重要指标。本发明使用的是三维波束赋形和干扰协调的调度策略(ICIC-3D)，而对比方案分别采用了三维波束赋形轮询调度(RR-3D)和二维波束赋形轮询调度(RR-2D)。本发明定义小区平均宽信干噪比和小区边缘信干噪比分别为信干噪比分布在10％和50％处的宽带信干噪比，从图中可以看到，采取方案所提策略的宽带信干噪比有很大的提升，特别是对于边缘信干噪比来说，这说明边缘用户的性能有极大的改善。同样，可以通过香农公式计算小区吞吐量的累积概率密度曲线，可以看出小区吞吐量整体上都有很大的提升，说明小区对无线资源的利用率更高，并能支持更大量的数据传输业务。

Claims (3)

1.3D-MIMO系统中应用三维波束赋形的多小区间干扰协调方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据用户在3D场景中的高度、位置、基站到用户的距离以及基站天线高度，来计算全部服务用户的顶角，并据此将用户划分为高层用户和低层用户两类；具体划分用户的方法具体如下：

考虑被提出于3GPP标准中包含高层建筑的新3D城市宏小区场景，计算用户直视径的顶角，用户距离服务基站的相对位置为(x,y)，x,y分别为用户到基站在水平面x轴和y轴上的相对距离，用户所处高度为h_u，基站天线高度为h₀；因此，用户的顶角θ_z为：

将场景中的用户根据其顶角大小划分为高层用户和低层用户；在场景中，高层建筑到基站的最小距离为M，两个高层建筑之间的平均距离为N，高层建筑的最大高度为h_M；划分的临界顶角θ₀为：

其中，顶角θ_z＜θ₀的用户属于高层用户，其他用户属于低层用户；

2)结合多小区的拓扑结构和用户所处的小区平面上的地理位置，将低层用户进一步划分为小区边缘用户和小区中心用户两类，在调度小区边缘用户时，相邻的所有小区采用协作传输的策略；进一步划分低层用户的方法具体如下：

用户距离服务基站的相对位置为(x,y)，基站天线的主射方向为φ_B，因此用户所在水平方向上的方位角与基站天线主射方向的夹角φ_d为：

所处场景的拓扑为六边形小区，小区边长为S，设低层用户的距离因子为f_d，f_d表示为：

其中，f_d＞0的低层用户被定义为小区边缘用户，其余低层用户被定义为小区中心用户；小区中心用户由所处小区的基站单独服务，小区边缘用户由距离其最近的三个基站进行协作传输；

3)所有基站分别将调度用户的时隙分为三类，每类时隙各个基站都调度各自小区中的同一类用户，传输时基站的天线阵列进行三维波束赋形服务调度用户，最终提升网络的吞吐量并改善小区边缘用户的性能。

2.根据权利要求1所述的3D-MIMO系统中应用三维波束赋形的多小区间干扰协调方法，其特征在于，步骤3)中，调度用户和传输信息的具体方法如下：

第一类时隙所有小区调度其高层用户，第二类时隙所有小区调度其低层用户的边缘用户，第三类时隙所有小区调度其低层用户的中心用户；所有小区都采用轮询的调度方式依次调度小区中的所有用户，在同一时刻所有小区都存在于同一类时隙中；传输时基站的天线阵列对服务用户进行三维波束赋形的传输。

3.根据权利要求2所述的3D-MIMO系统中应用三维波束赋形的多小区间干扰协调方法，其特征在于，步骤3)中，具体的三维波束赋形方法为：

基站使用a_M×a_N个天线元素排布成的矩形天线阵列，每个天线阵列的一列作为一个单独的天线端口；传输时对每个天线端口进行预编码加权，天线端口中第m个天线元素使用的预编码ω_m为

其中，m＝1,2,...,a_M，λ为载波波长，d_v为天线阵列的行间距，θ_etilt是定义在0°到180°之间的电子下倾角，其中90°表示垂直于天线阵列平面，同一个天线端口中的天线元素使用的预编码ω_m都有着相同的电子下倾角θ_etilt；在传输中使用ω_m来进行三维波束赋形中垂直方向上的波束赋形，将用户的顶角θ_z用作预编码的电子下倾角θ_etilt，即

θ_etilt＝θ_z (6)

同时，根据用户所在水平方向上的方位角与基站天线主射方向的夹角φ_d，在不同的天线端口上进行功率分配，使得天线阵在服务用户方向上增益最大，实现水平方向上的波束赋形。