CN103532605A - 一种三维小区分裂方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维小区分裂方法和系统，包括：根据小区内用户终端的负载量信息和每个用户终端的位置信息，确定需要三维小区分裂的小区数目；令所有分裂的扇区使用相同波束宽度的波束，利用水平分裂的小区数目N_H确定三维波束的水平维宽度B_H，利用竖直分裂的小区数目N_V确定三维波束的竖直维宽度B_V，并确定各个波束的主瓣指向角度集合

采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H；利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V；将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D，基于W_3D进行三维小区分裂。本发明充分利用了竖直维度，实现3D空间小区分裂，能够提高通信网络容量，提升通信网络性能。

Description

一种三维小区分裂方法和系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种三维小区分裂方法和系统。

背景技术

无线业务和用户的快速增长对网络容量提出了更高要求，移动通信网初期，各小区大小相等，容量相同，随着城市建设和用户数的增加，用户密度不再相等。为了适应这种情况，小区分裂作为容量提升的主要手段得到了广泛研究。

在高用户密度地区，将小区面积划小，或将小区中的基站全向天线改为定向天线，使每个小区分配的频道数增多，满足话务量增大的需要，这种技术称为小区分裂。

但是现有技术中传统的小区分裂只能在水平维度进行，而移动通信网络是三维(3D)分布的，这种小区分裂方法并没有能够充分利用三维空间中的竖直维度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种三维小区分裂方法和系统，以解决现有技术中的小区分裂方法没有充分利用三维空间中的竖直维度的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种三维小区分裂方法，包括：

根据小区内用户终端的负载量信息和每个用户终端的位置信息，确定需要三维小区分裂的小区数目，包括水平分裂的小区数目N_H和竖直分裂的小区数目N_V；

令所有分裂的扇区使用相同波束宽度的波束，利用水平分裂的小区数目N_H确定三维波束的水平维宽度B_H，利用竖直分裂的小区数目N_V确定三维波束的竖直维宽度B_V，并确定各个波束的主瓣指向角度集合

根据B_H和，采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H；根据B_V和θ，利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V；

将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D，基于W_3D进行三维小区分裂。

进一步地，所述根据小区内用户终端的负载量信息和每个用户终端的位置信息，确定需要三维小区分裂的小区数目包括：

统计所有用户终端的位置信息：设用户终端的总数为K，记第i个用户终端UE_i的位置信息为：

$({\∂}_{\mathrm{UEi}},{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{UEi}}),i=\mathrm{1,2},...,K,$

其中，

表示UE_i到基站的水平维角度，θ_UEi表示UE_i到基站的竖直维角度；

针对水平分裂的小区数目N_H，对

计算 $\mathrm{\Δ}{\∂}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}=|{\∂}_{\mathrm{UEi}}-{\∂}_{\mathrm{UEj}}|,i\≠j,i,j=1,...,K,$ 令 $\mathrm{\Δ}\∂=\left\{\mathrm{\Δ}{\∂}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\right|i\≠j,i,j=1,...,K,\mathrm{\Δ}{\∂}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\≠0\},$ 取 ${\∂}_{\min }=\min (\mathrm{\Δ}\∂),$ 则 $N_H=2\mathrm{\π}/{\∂}_{\min };$

针对竖直分裂的小区数目N_V，对计算Δθ_UEi，UEj＝|θ_UEi-θ_UEj|，i≠j，i，j＝1，...，K，令Δθ＝{Δθ_UEi，UEj|i≠j，ｉ，j＝1，...，K，Δθ_UEi，UEj≠0}，取Δθ_min＝min(Δθ)，则 $N_V={\mathrm{\θ}}_{\max }/{\∂}_{\min },$

其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°。

进一步地，

所述利用水平分裂的小区数目N_H确定三维波束的水平维宽度B_H包括：利用公式B_H＝2π/N_H得到三维波束的水平维宽度B_H；

所述利用竖直分裂的小区数目N_V确定三维波束的竖直维宽度B_V包括：利用公式B_V＝θ_max/N_V得到三维波束的竖直维宽度B_V，其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°；

所述并确定各个波束的主瓣指向角度集合

包括：确定各个波束的主瓣指向角度集合

为：

$(\∂,\mathrm{\θ})=\left\{({\∂}_i,{\mathrm{\θ}}_j)\right|i=1,...,N_H,j=1,...,N_V\},$

其中

表示水平维索引为i竖直维索引为j的扇区的主瓣水平维指向角度和竖直维指向角度，

θ_j＝θ_max/2N_V+(j-1)(θ_max/N_V)。

进一步地，

在所述根据B_H和

采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H之前，还包括：

获得UCyA的天线导向矢量，包括：

设位于扇区(i，j)的用户到达基站天线的水平角度为

竖直角度为θ_j，该天线阵列的阵元数为N_tx×N_ty，N_tx表示水平维均匀圆形阵列的阵元数，N_ty表示竖直维均匀线阵的阵元数，获得水平维均匀圆形阵列的导向矢量

${\left(\mathrm{UCA}\left({\∂}_i\right)\right)}_n=\exp \left(\mathrm{j\ζ}\cos (\∂-{\mathrm{\ψ}}_{n-1})\right),n=1,...,N_{\mathrm{tx}},$

式中，ψ_l＝2πl/N表示第l+1个均匀圆形阵列天线阵元与参考阵元，即第1个天线阵元间的相位差，ζ＝kr，k＝2π/λ表示波数，r表示均匀圆形阵列的半径；

获得竖直维均匀线阵的导向矢量ULA(θ_j)：

(ULA(θ_j))_n＝exp(j(n-1)kd cos(θ_j))，n＝1，...，N_ty，

式中，d表示以波长为单位的天线阵元间距，k＝2π/λ表示波数，λ表示波长；

获得UCyA天线阵列的导向矢量：

$\mathrm{UCyA}{({\∂}_i,{\mathrm{\θ}}_j)}_{\mathrm{UCyA}}=\mathrm{vec}\left({\mathrm{ULA}}^T\left({\mathrm{\θ}}_j\right)\mathrm{UCA}\left({\∂}_i\right)\right);$

所述根据B_H和

采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合_WH包括：

记

表示所有水平维扇区的主瓣水平维指向角度，UCA_H＝{UCA_i|i＝1，...，N_H}为基于

的天线导向矢量集合，其中UCA_i表示基于

的天线水平维导向矢量；

以最小化波束w₁对相邻扇区的干扰为优化目标、波束w₁对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成波束赋形向量w₁：

$\begin{array}{c}\min \left\{\underset{1<i\&le;N_x}{\max }\left({\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right){w^T}_{1,H}\right|}^2\right)\right\}\\ s.t.{\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_1\right){w^T}_{1,H}\right|}^2==1;\end{array}$

根据循环位移关系w_i，H＝rol_right(w_1，H，floor((i-1)*(2π/N_tx)))，w_i，H，i＝1，...，N_H，生成剩余波束赋形向量，式中rol_right表示将w_1，H循环右移运算floor((i-1)*(2π/N_tx))位，N_tx为水平维天线阵列阵元个数，floor表示下取整；

将所有波束赋形向量集合成水平维波束赋形向量集合W_H＝{w_i，H|i＝1，...N_H}；

所述根据B_V和θ，利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V包括：

记θ＝{θ_j|j＝1，...，N_V}表示所有竖直维扇区的主瓣竖直维指向角度ULA_V＝{ULA_j|j＝1，...，N_V}为基于θ的天线导向矢量集合，其中ULA_j表示基于θ_j的天线竖直维导向矢量；

以最小化波束w_j，V，j＝1，...，N_V对相邻扇区的干扰为优化目标，波束w_j，V，j=1，...，N_V对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成波束赋形向生成所有w_j，V，j＝1，...，N_V：

$\min \left(\underset{n\&NotEqual;j,n=1,...,N_V}{\max }\left({\left|w_{j,V}\mathrm{ULA}\left({\mathrm{\&theta;}}_n\right)\right|}^2\right)\right)$

s.t.|w_j，VULA(θ_j)|²＝＝1

将所有波束赋形向量集合成竖直维波束赋形向量集合W_V＝{W_j，V|j＝1，...N_V}。

进一步地，

所述将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D包括：

W_3D＝{w_i，j|i＝1，...，N_H，j＝1，...，N_V}， $w_{i,j}=w_{j,V}^T{w}_{i,H},w_{i,H}\&Element;W_H,w_{j,v}\&Element;W_V;$

所述基于W_3D进行三维小区分裂包括：

对于扇区(i，j)采用波束赋形向量w_i，j对其进行波束赋形，实现三维小区分裂。

另一方面，本发明还提供一种三维小区分裂系统，包括：分裂数目单元、波束宽度单元、向量集合单元和三维小区分裂单元，各单元顺序相连，其中：

分裂数目单元，用于根据小区内用户终端的负载量信息和每个用户终端的位置信息，确定需要三维小区分裂的小区数目，包括水平分裂的小区数目N_H和竖直分裂的小区数目N_V，并发送至波束宽度单元；

波束宽度单元，用于令所有分裂的扇区使用相同波束宽度的波束，利用水平分裂的小区数目N_H确定三维波束的水平维宽度B_H，利用竖直分裂的小区数目N_V确定三维波束的竖直维宽度B_V，并确定各个波束的主瓣指向角度集合发送至向量集合单元；

向量集合单元，用于根据B_H和

采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H；根据B_V和θ，利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V，发送至三维小区分裂单元；

三维小区分裂单元，用于将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D，基于W_3D进行三维小区分裂。

进一步地，

所述分裂数目单元包括：

位置信息子单元，用于统计所有用户终端的位置信息：设用户终端的总数为K，记第i个用户终端UEi的位置信息为：

$({\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}},{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{UEi}}),i=\mathrm{1,2},...,K,$

其中，

表示UEi到基站的水平维角度，θ_UEi表示UEi到基站的竖直维角度；

水平分裂子单元，用于确定水平分裂的小区数目N_H，对

计算 $\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}=|{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}}-{\&PartialD;}_{\mathrm{UEj}}|,i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,$ 令 $\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;=\left\{\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\right|i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\&NotEqual;0\},$ 取 ${\&PartialD;}_{\min }=\min (\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;),$ 则确定N_H的公式为： $N_H=2\mathrm{\&pi;}/{\&PartialD;}_{\min };$

竖直分裂子单元，用于确定竖直分裂的小区数目N_V，对

计算Δθ_UEi，UEj＝|θ_UEi-θ_UEj|，i≠j，i，j＝1，...，K，令Δθ＝{Δθ_UEi，UEj|i≠j，i，j＝1，...，K，Δθ_UEi，UEj≠0}，取Δθ_min＝min(Δθ)，则确定N_V的公式为：

其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°。

进一步地，

所述波束宽度单元包括：

水平维宽度子单元，用于利用公式B_H＝2π/N_H得到三维波束的水平维宽度B_H；

竖直维宽度子单元，用于利用公式B_V＝θ_max/N_V得到三维波束的竖直维宽度B_V，其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°；

角度集合子单元，用于确定各个波束的主瓣指向角度集合

为：

$(\&PartialD;,\mathrm{\&theta;})=\left\{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)\right|i=1,...,N_H,j=1,...,N_V\},$

其中

表示水平维索引为i竖直维索引为j的扇区的主瓣水平维指向角度和竖直维指向角度，

θ_j＝θ_max/2N_V+(j-1)(θ_max/N_V)。

进一步地，

所述系统还包括：导向矢量单元，与向量集合单元相连，用于获得UCyA的天线导向矢量，包括：

水平维导向矢量子单元，用于获得水平维导向矢量：设位于扇区(i，j)的用户到达基站天线的水平角度为

该天线阵列的阵元数为N_tx×N_ty，N_tx表示水平维均匀圆形阵列的阵元数，N_ty表示竖直维均匀线阵的阵元数，获得水平维均匀圆形阵列的导向矢量

${\left(\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right)}_n=\exp \left(\mathrm{j\&zeta;}\cos (\&PartialD;-{\mathrm{\&psi;}}_{n-1})\right),n=1,...,N_{\mathrm{tx}},$

式中，ψ_l＝2πl/N表示第l+1个均匀圆形阵列天线阵元与参考阵元，即第1个天线阵元间的相位差，ζ＝kr，k＝2π/λ表示波数，r表示均匀圆形阵列的半径；

竖直维导向矢量子单元，用于获得竖直维导向矢量：设位于扇区(i，j)的用户到达基站天线的竖直角度为θ_j，该天线阵列的阵元数为N_tx×N_ty，N_tx表示水平维均匀圆形阵列的阵元数，N_ty表示竖直维均匀线阵的阵元数，获得竖直维均匀线阵的导向矢量ULA(θ_j)：

(ULA(θ_j))_n＝exp(j(n-1)kd cos(θ_j))，n＝1，...，N_ty，

式中，d表示以波长为单位的天线阵元间距，k＝2π/λ表示波数，λ表示波长；

导向矢量获得子单元，用于获得UCyA天线阵列的导向矢量：

$\mathrm{UCyA}{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)}_{\mathrm{UCyA}}=\mathrm{vec}\left({\mathrm{ULA}}^T\left({\mathrm{\&theta;}}_j\right)\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right);$

所述向量集合单元包括：

水平维子单元，用于采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H，包括：

凸优化模块，用于利用凸优化模型求解生成波束赋形向量：记

表示所有水平维扇区的主瓣水平维指向角度，UCA_H＝{UCA_i|i＝1，...，N_H}为基于

的天线导向矢量集合，其中UCA_i表示基于

的天线水平维导向矢量；

以最小化波束w₁对相邻扇区的干扰为优化目标、波束w₁对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成波束赋形向量w₁的公式为：

$\begin{array}{c}\min \left\{\underset{1<i\&le;N_x}{\max }\left({\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right){w^T}_{1,H}\right|}^2\right)\right\}\\ s.t.{\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_1\right){w^T}_{1,H}\right|}^2==1;\end{array}$

循环位移模块，用于根据循环位移关系生成剩余波束赋形向量：

w_i，H＝rol_right(w_1，H，floor((i-1)*(2π/N_tx)))w_i，H，i＝1，...，N_H，

式中rol_right表示将w_1，H循环右移运算floor((i-1)*(2π/N_tx))位，N_tx为水平维天线阵列阵元个数，floor表示下取整；

水平维集合模块，用于将所有波束赋形向量集合成水平维波束赋形向量集合W_H＝{w_i，H|i＝1，...N_H}；

所述向量集合单元还包括：

竖直维子单元，用于利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V，包括：

凸优化模块，用于利用凸优化模型求解生成波束赋形向量，记θ＝{θ_j|j＝1，...，N_V}表示所有竖直维扇区的主瓣竖直维指向角度ULA_V＝{ULA_j|j＝1，...，N_V}为基于θ的天线导向矢量集合，其中ULA_j表示基于θ_j的天线竖直维导向矢量；

以最小化波束w_j，V，j＝1，...，N_V对相邻扇区的干扰为优化目标，波束w_j，V，j＝1，...，N_V对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成所有波束赋形向量w_j，V，j＝1，...，N_V：

$\min \left(\underset{n\&NotEqual;j,n=1,...,N_V}{\max }\left({\left|w_{j,V}\mathrm{ULA}\left({\mathrm{\&theta;}}_n\right)\right|}^2\right)\right)$

s.t.|w_j，VULA(θ_j)|²＝＝1

竖直维集合模块，用于将所有波束赋形向量集合成竖直维波束赋形向量集合W_V＝{w_j，V|j＝1，...N_V}。

进一步地，

所述三维小区分裂单元包括：

三维向量集合子单元，用于将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D：

W_3D＝{w_i，ji＝1，...，N_H，j＝1，...，N_V}， $w_{i,j}=w_{j,V}^T{w}_{i,H},w_{i,H}\&Element;W_H,w_{j,v}\&Element;W_V;$

三维小区分裂子单元，用于对于扇区(i，j)采用波束赋形向量w_i，j对其进行波束赋形，实现三维小区分裂。

(三)有益效果

可见，在本发明提出的三维小区分裂方法和系统中，充分利用了3D-MIMO中的竖直维度，实现了3D空间的小区分裂，能够使频谱资源得到高效复用，提高了通信网络容量，提升了通信网络性能。

另外，本发明可以通过3D多层波束赋形较大地提高系统容量，在干扰抑制、系统信干比和系统容量上均较传统小区分裂方法有显著的提升。

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一简单地介绍，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是本发明实施例三维小区分裂方法的基本流程示意图；

图2是本发明实施例中所采用UCyA天线阵列的结构图；

图3是本发明三维小区分裂方法的一个优选实施例流程示意图；

图4是本发明三维小区分裂方法的一个优选实施例的三维小区分裂示意图；

图5是本发明三维小区分裂方法的一个优选实施例的三维小区分裂拓扑结构图；

图6是本发明三维小区分裂方法的一个优选实施例与未采用三维小区分裂方法的系统误码率性能比较曲线；

图7是本发明三维小区分裂方法的一个优选实施例与传统小区分裂方法系统平均吞吐量比较曲线；

图8是本发明实施例三维小区分裂系统的基本结构示意图；

图9是本发明三维小区分裂系统的一个优选实施例结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统的小区分裂基于定向天线的小区分裂没有利用波束赋形增益且不能自适应与小区内用户终端(UE)数量的变化；并且小区分裂只在水平维进行，没有充分利用3D空间。三维多输入多输出(3D-MIMO)作为进一步提升系统吞吐量的多输入多输出(MIMO)增强技术，为小区分裂提供了新的思路。

基于3D多天线技术，3D-MIMO系统可以通过波束赋形实现小区分裂，同时，基于正交频分复用(OFDM)技术，频率复用因子可为1，相邻小区间干扰为主要干扰，3D-MIMO系统可进一步采用多层波束赋形实现小区分裂，该方法根据不同用户的信道信息进行同时波束赋形得到指向不同用户方向的波束矢量阵，通过同时最小化所有相邻扇区间干扰而达到容量最大化，相比定向天线技术，充分利用了波束增益。同时，利用3D多天线系统中特有的二维循环对称的天线阵列，采用基于天线对称性的循环赋形的多层波束赋形方法，自适应生成邻扇区干扰最小的起始权值矢量并利用循环对称性旋转得到集合中其余的矢量，实现简单且需要较少反馈信息。

3D-MIMO增加了竖直维的可利用维度，可同时在水平维和竖直维进行小区分裂即3D小区分裂，相比传统水平面的二维小区分裂，显著提升了整个系统的平均吞吐量。但是，在3D小区分裂中，联合竖直维和水平维进行整体3D波束赋形将导致限制条件过多，无法求得全局最优解，分别波束赋形则有着更高的灵活度和可实行性，是实现3D小区分裂更有潜力的方法。分别波束赋形的基础是天线阵列水平维和竖直维能否分别反映空间信道的水平维和竖直维信息。UCyA天线阵列的水平维、竖直维信道空间信息可分别由水平维均匀圆形阵列(UCA)和竖直维均匀线阵(ULA)阵列的导向矢量获得，且UCA具有对称性，可以实现快速波束赋形，因此，UCyA可能成为3D波束赋形主要阵列之一。

本发明实施例首先提出一种三维小区分裂方法，参见图1，包括：

步骤101：根据小区内用户终端的负载量信息和每个用户终端的位置信息，确定需要三维小区分裂的小区数目，包括水平分裂的小区数目N_H和竖直分裂的小区数目N_V。

步骤102：令所有分裂的扇区使用相同波束宽度的波束，利用水平分裂的小区数目N_H确定三维波束的水平维宽度B_H，利用竖直分裂的小区数目N_V确定三维波束的竖直维宽度B_V，并确定各个波束的主瓣指向角度集合

步骤103：根据B_H和，采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H；根据B_V和θ，利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V。

步骤104：将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D，基于W_3D进行三维小区分裂。

可见，在本发明实施例提出的三维小区分裂方法中，充分利用了3D-MIMO中的竖直维度，实现了3D空间的小区分裂，能够使频谱资源得到高效复用，提高了通信网络容量，提升了通信网络性能。

在本发明的一个实施例中，可以根据小区内需要被服务的UE位置信息确定水平分裂和竖直分裂的小区数目，灵活地自适应实现小区分裂，其中统计所有用户终端的位置信息的方法可以是：设用户终端的总数为K，记第i个用户终端UE_i的位置信息为：

$({\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}},{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{UEi}}),i=\mathrm{1,2},...,K,$

其中，

表示UEi到基站的水平维角度，θ_UEi表示UEi到基站的竖直维角度。

优选地，确定水平分裂的小区数目N_H的方法可以是：对

计算 $\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}=|{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}}-{\&PartialD;}_{\mathrm{UEj}}|,i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,$ 令 $\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;=\left\{\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\right|i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\&NotEqual;0\},$ 取 ${\&PartialD;}_{\min }=\min (\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;),$ 则 $N_H=2\mathrm{\&pi;}/{\&PartialD;}_{\min };$

确定竖直分裂的小区数目N_V的方法可以是：对

计算Δθ_UEi，UEj＝|θ_UEi-θ_UEj|，i≠j，i，j＝1，...，K，令Δθ＝{Δθ_UEi，UEj|i≠j，i，j＝1，...，K，Δθ_UEi，UEj≠0}，取Δθ_min＝min(Δθ)，则

其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°

设定所有分裂的扇区使用相同波束宽度的波束，将3D波束分别投影到水平维和竖直维可得水平维的宽度和竖直维的宽度，由于波束应当覆盖扇区，同时，根据N_H、N_V可以分别计算得出扇区水平覆盖角度大小和竖直覆盖角度大小，故3D波束赋形波束的水平维宽度和竖直维宽度可以由此求得；同时，根据N_H和N_V可以得出每个扇区中心的位置坐标，该坐标即为各个波束的主瓣指向角度，用集合

表示所有指向角度的集合。

其中，优选地，可以利用公式B_H＝2π/N_H得到三维波束的水平维宽度B_H；利用公式B_V＝θ_max/N_V得到三维波束的竖直维宽度B_V，其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°；则确定各个波束的主瓣指向角度集合

可以包括：

确定

为： $(\&PartialD;,\mathrm{\&theta;})=\left\{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)\right|i=1,...,N_H,j=1,...,N_V\},$

其中表示水平维索引为i竖直维索引为j的扇区的主瓣水平维指向角度和竖直维指向角度，

θ_j＝θ_max/2N_V+(j-1)(θ_max/N_V)。

在3D-MIMO系统中，3维天线阵列被广泛使用，常用的天线阵列包括均匀面阵URA天线阵列及UCyA天线阵列。其中，UCyA天线阵列因为其循环对称性被视作极有前景的一类天线阵列，如图2所示。在本发明实施例中使用UCyA天线阵列。UCyA的天线导向矢量等于水平维导向矢量与竖直维导向矢量的乘积，并且水平维可看做UCA天线阵列，竖直维可看做ULA天线阵列。

在UCyA天线阵列中，首先需要获得UCyA的天线导向矢量，在本发明另一个实施例中，优选地，该方法可以包括：

设位于扇区(i，j)的用户到达基站天线的水平角度为

竖直角度为θ_j，该天线阵列的阵元数为N_tx×N_ty，N_tx表示水平维均匀圆形阵列的阵元数，N_ty表示竖直维均匀线阵的阵元数，获得水平维均匀圆形阵列的导向矢量

${\left(\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right)}_n=\exp \left(\mathrm{j\&zeta;}\cos (\&PartialD;-{\mathrm{\&psi;}}_{n-1})\right),n=1,...,N_{\mathrm{tx}},$

式中，ψ_l＝2πl/N表示第l+1个均匀圆形阵列天线阵元与参考阵元，即第1个天线阵元间的相位差，ζ＝kr，k＝2π/λ表示波数，r表示均匀圆形阵列的半径；

获得竖直维均匀线阵的导向矢量ULA(θ_j)：

(ULA(θ_j))_n＝exp(j(n-1)kd cos(θ_j))，n＝1，...，N_ty，

式中，d表示以波长为单位的天线阵元间距，k＝2π/λ表示波数，λ表示波长；

从而可以获得UCyA天线阵列的导向矢量为：

$\mathrm{UCyA}{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)}_{\mathrm{UCyA}}=\mathrm{vec}\left({\mathrm{ULA}}^T\left({\mathrm{\&theta;}}_j\right)\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right).$

在本发明的一个实施例中，根据UCyA的循环对称性，水平维波束赋形向量集合中向量之间的关系为：记

表示所有水平维扇区的主瓣水平维指向角度，UCA_H＝{UCA_i|i＝1，...，N_H}为基于

的天线导向矢量集合，其中UCA_i表示基于

的天线水平维导向矢量。根据UCyA天线阵列水平维的循环对称性，水平维波束赋形向量的关系为w_i，H＝rol_right(w_1，H，floor((i-1)*(2π/N_tx)))，式中，i＝2...N_x，rol_right表示将w_i，H循环右移运算floor((i-1)*(2π/N_tx))位，其中N_tx为水平维天线阵列阵元个数，floor表示下取整。因此在生成水平维波束赋形向量的过程中，可先生成w₁再根据向量间的关系生成集合中剩余的向量。

在本发明的一个实施例中，根据B_H和

采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H可以包括：

步骤S1：按照如下优化模型利用凸优化求解生成波束赋形向量w₁，模型中以扇区间干扰最小为优化目标，同时保证本扇区的波束响应最大，具体数学表达式如下：

$\begin{array}{c}\min \left\{\underset{1<i\&le;N_x}{\max }\left({\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right){w^T}_{1,H}\right|}^2\right)\right\}\\ s.t.{\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_1\right){w^T}_{1,H}\right|}^2==1\end{array}$

该模型优化函数为范式，是一个凸函数，其可行域为凸域，因此该模型为一个凸优化模型，可以很方便的运用凸优化工具箱CVX求解。

步骤S2：根据w_i，H＝rol_right(w_1，H，floor((i-1)*(2π/N_tx)))，生成剩余波束赋形向量w_i，H，i＝1，...，N_H。

步骤S3：生成水平维波束赋形向量集合W_H＝{w_i，H|i＝1，...N_H}。

记θ＝{θ_j|j＝1，...，N_V}表示所有竖直维扇区的主瓣竖直维指向角度ULA_V＝{ULA_j|j＝1，...，N_V}为基于θ的天线导向矢量集合，其中ULA_j表示基于θ_j的天线竖直维导向矢量。由于UCyA天线阵列的竖直维没有循环对称性，不能如水平维中一样利用向量间的循环关系进行快速赋值，

在本发明的另一个实施例中，根据B_V和θ，利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V的方法可以包括：

步骤S1：采用如下优化模型并利用凸优化求解生成所有w_j，V，j＝1，...，N_V：

$\min \left(\underset{n\&NotEqual;j,n=1,...,N_V}{\max }\left({\left|w_{j,V}\mathrm{ULA}\left({\mathrm{\&theta;}}_n\right)\right|}^2\right)\right)$

s.t.|w_j，VULA(θ_j)|²＝＝1

步骤S2：生成竖直维波束赋形向量集合W_V＝{w_j，V|j＝1，...N_V}。

在本发明的一个实施例中，生成总3D波束赋形向量集合W_3D的方法具体可以是：令W_3D＝{w_i，j|i＝1，...，N_H，j＝1，...，N_V}，其中w_i，j表示为扇区(i，j)波束赋形的向量， $w_{i,j}=w_{j,V}^T{w}_{i,H},w_{i,H}\&Element;W_H,w_{j,v}\&Element;W_V.$

在本发明实施例的实际实现中，可以基于W_3D进行3D小区分裂，其中每个扇区使用其对应的使扇区间的干扰最小的波束赋形向量，通过空分复用实现3D小区分裂，方法可以是：对于扇区(i，j)采用波束赋形向量w_i，j对其进行波束赋形，实现三维小区分裂。

下面以对蜂窝小区系统中，对UCyA天线阵列进行三维小区分裂为例，来具体说明本发明实施例的实现过程。其中，本发明实施例的UCyA天线阵列水平维天线阵列阵元数为32，竖直维天线阵元数为32，天线阵列的半径r＝2.17λ，竖直维天线阵列间阵元间隔d＝0.5λ，系统载波频率设为5.25×10⁹，竖直维的最大角度扩展为200。3D小区分裂的步骤如图3所示：

步骤301：统计所有用户终端的位置信息。

本步骤中，需要统计所有用户终端的位置信息：设用户终端的总数为K，记第i个用户终端UEi的位置信息为：

$({\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}},{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{UEi}}),i=\mathrm{1,2},...,K,$

其中，

表示UEi到基站的水平维角度，θ_UEi表示UEi到基站的竖直维角度。

步骤302：确定需要三维小区分裂的小区数目。

本步骤中，需要确定水平分裂的小区数目N_H和竖直分裂的小区数目N_V，其中：

针对水平分裂的小区数目N_H，对

计算 $\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}=|{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}}-{\&PartialD;}_{\mathrm{UEj}}|,i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,$ 令 $\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;=\left\{\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\right|i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\&NotEqual;0\},$ 取 ${\&PartialD;}_{\min }=\min (\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;),$ 则 $N_H=2\mathrm{\&pi;}/{\&PartialD;}_{\min }.$

针对竖直分裂的小区数目N_V，对

计算Δθ_UEi，UEj＝|θ_UEi-θ_UEj|，i≠j，i，j＝1，...，K，令Δθ＝{Δθ_UEi，UEj|i≠j，i，j＝1，...，K，Δθ_UEi，UEj≠0}，取Δθ_min＝min(Δθ)，则

其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°。

步骤303：计算三维波束的水平维宽度和竖直维宽度。

其中，利用水平分裂的小区数目N_H确定三维波束的水平维宽度B_H：B_H＝2π/N_H。

利用竖直分裂的小区数目N_V确定三维波束的竖直维宽度B_V：B_V＝θ_max/N_V，其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°。

步骤304：确定各个波束的主瓣指向角度集合。

各个波束的主瓣指向角度集合

为：

$(\&PartialD;,\mathrm{\&theta;})=\left\{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)\right|i=1,...,N_H,j=1,...,N_V\},$

其中

表示水平维索引为i竖直维索引为j的扇区的主瓣水平维指向角度和竖直维指向角度，

θ_j＝θ_max/2N_V+(j-1)(θ_max/N_V)。

步骤305：获得UCyA的天线导向矢量。

针对UCyA天线阵列，设位于扇区(i，j)的用户到达基站天线的水平角度为

竖直角度为θ_j，该天线阵列的阵元数为N_tx×N_ty，N_tx表示水平维均匀圆形阵列的阵元数，N_ty表示竖直维均匀线阵的阵元数。

则获得水平维均匀圆形阵列的导向矢量

为：

${\left(\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right)}_n=\exp \left(\mathrm{j\&zeta;}\cos (\&PartialD;-{\mathrm{\&psi;}}_{n-1})\right),n=1,...,N_{\mathrm{tx}},$

式中，ψ_l＝2πl/N表示第l+1个均匀圆形阵列天线阵元与参考阵元，即第1个天线阵元间的相位差，ζ＝kr，k＝2π/λ表示波数，r表示均匀圆形阵列的半径；

获得竖直维均匀线阵的导向矢量ULA(θ_j)为：

(ULA(θ_j))_n＝exp(j(n-1)kd cos(θ_j))，n＝1，...，N_ty，

式中，d表示以波长为单位的天线阵元间距，k＝2π/λ表示波数，λ表示波长；

最后，获得UCyA天线阵列的导向矢量为：

$\mathrm{UCyA}{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)}_{\mathrm{UCyA}}=\mathrm{vec}\left({\mathrm{ULA}}^T\left({\mathrm{\&theta;}}_j\right)\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right).$

步骤306：生成水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V。

其中，可以采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H，具体步骤为：

记

表示所有水平维扇区的主瓣水平维指向角度，UCA_H＝{UCA_i|i＝1，...，N_H}为基于

的天线导向矢量集合，其中UCA_i表示基于

的天线水平维导向矢量；

以最小化波束w₁对相邻扇区的干扰为优化目标、波束w₁对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成波束赋形向量w₁：

$\begin{array}{c}\min \left\{\underset{1<i\&le;N_x}{\max }\left({\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right){w^T}_{1,H}\right|}^2\right)\right\}\\ s.t.{\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_1\right){w^T}_{1,H}\right|}^2==1;\end{array}$

根据循环位移关系w_i，H＝rol_right(w_1，H，floor((i-1)*(2π/N_tx)))，w_i，H，i＝1，...，N_H，生成剩余波束赋形向量，式中rol_right表示将w_i，H循环右移运算floor((i-1)*(2π/N_tx))位，N_tx为水平维天线阵列阵元个数，floor表示下取整；

将所有波束赋形向量集合成水平维波束赋形向量集合W_H＝{w_i，H|i＝1，...N_H}。

另外，可以利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V：

记θ＝{θ_j|j＝1，...，N_V}表示所有竖直维扇区的主瓣竖直维指向角度ULA_V＝{ULA_j|j＝1，...，N_V}为基于θ的天线导向矢量集合，其中ULA_j表示基于θ_j的天线竖直维导向矢量；

以最小化波束w_j，V，j＝1，...，N_V对相邻扇区的干扰为优化目标，波束w_j，V，j＝1，...，N_V对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成波束赋形向生成所有w_j，V，j＝1，...，N_V：

$\min \left(\underset{n\&NotEqual;j,n=1,...,N_V}{\max }\left({\left|w_{j,V}\mathrm{ULA}\left({\mathrm{\&theta;}}_n\right)\right|}^2\right)\right)$

s.t.|w_j，VULA(θ_j)|²＝＝1

将所有波束赋形向量集合成竖直维波束赋形向量集合W_V＝{w_j，V|j＝1，...N_V}。

步骤307：生成三维波束赋形向量集合。

本步骤中，可以将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D：

W_3D＝{w_i，j|i＝1，...，N_H，j＝1，...，N_V}， $w_{i,j}=w_{j,V}^T{w}_{i,H},w_{i,H}\&Element;W_H,w_{j,v}\&Element;W_V.$

步骤308：进行三维小区分裂。

本步骤中，可以基于W_3D，对于扇区(i，j)采用波束赋形向量w_i，j对其进行波束赋形，实现三维小区分裂。

至此，则完成了本发明实施例中对UCyA天线阵列进行三维小区分裂方法的全过程。由于在实际通信系统中，UE是流动的，因此，小区内需要被服务的UE的位置信息会实时发生变化。所以需要实时地对分裂扇区进行调整，以动态调整3D波束赋形向量集合，保证系统总体性能最优。

另外，需要说明的是，上述基于图3的所有流程描述是本发明三维小区分裂方法的一种优选的实现过程，在本发明三维小区分裂方法的实际实现中，可以根据需要在图2所示流程的基础上进行任意变形，可以是选择图3中的任意步骤来实现，各步骤的先后顺序也可以根据需要调整等。

本发明实施例中，基于3D波束赋形的3D小区分裂的示意图如图4所示。3D小区分裂的拓扑结构图如图5所示，其中左图表示水平维的小区分裂，右图表示3D小区分裂，图中的圆形区域内部代表由竖直维小区分裂得到的内小区，其余为外小区，分裂出的每个扇区都由一个3D波束赋形向量赋形。

图6给出采用本发明实施例中3D波束赋形方法与未采用3D波束赋形方法的系统误码率性能比较曲线。图7给出本发明实施例中3D小区分裂方法与传统小区分裂方法系统平均吞吐量比较曲线，其中，竖直维分裂小区为1，2，3时的系统吞吐量与传统定向天线实现小区分裂的系统吞吐量相比可以看出，本发明实施例的3D小区分裂方法相较于传统的小区分裂方法在干扰抑制、系统信干比和系统容量上均有显著提升。

本发明一个实施例还提出了一种三维小区分裂系统，如图8所示，包括：

分裂数目单元801，用于根据小区内用户终端的负载量信息和每个用户终端的位置信息，确定需要三维小区分裂的小区数目，包括水平分裂的小区数目N_H和竖直分裂的小区数目N_V，并发送至波束宽度单元802；

波束宽度单元802，用于令所有分裂的扇区使用相同波束宽度的波束，利用水平分裂的小区数目N_H确定三维波束的水平维宽度B_H，利用竖直分裂的小区数目N_V确定三维波束的竖直维宽度B_V，并确定各个波束的主瓣指向角度集合

发送至向量集合单元803；

向量集合单元803，用于根据B_H和

采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H；根据B_V和θ，利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V，发送至三维小区分裂单元804；

三维小区分裂单元804，用于将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D，基于W_3D进行三维小区分裂。

在本发明的一个实施例中，可以根据小区内需要被服务的UE位置信息确定水平分裂和竖直分裂的小区数目，灵活地自适应实现小区分裂，如图9，优选地，分裂数目单元801可以包括：

位置信息子单元901，用于统计所有用户终端的位置信息：设用户终端的总数为K，记第i个用户终端UEi的位置信息为：

$({\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}},{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{UEi}}),i=\mathrm{1,2},...,K,$

其中，

表示UEi到基站的水平维角度，θ_UEi表示UEi到基站的竖直维角度；

水平分裂子单元902，用于确定水平分裂的小区数目N_H，对

计算 $\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}=|{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}}-{\&PartialD;}_{\mathrm{UEj}}|,i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,$ 令 $\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;=\left\{\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\right|i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\&NotEqual;0\},$ 取 ${\&PartialD;}_{\min }=\min (\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;),$ 则确定N_H的公式为： $N_H=2\mathrm{\&pi;}/{\&PartialD;}_{\min };$

竖直分裂子单元903，用于确定竖直分裂的小区数目N_V，对

计算Δθ_UEi，UEj＝|θ_UEi-θ_UEj|，i≠j，i，j＝1，...，K，令Δθ＝{Δθ_UEi，UEj|i≠j，i，j＝1，...，K，Δθ_UEi，UEj≠0}，取Δθ_minmin(Δθ)，则确定N_V的公式为：

其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°。

设定所有分裂的扇区使用相同波束宽度的波束，将3D波束分别投影到水平维和竖直维可得水平维的宽度和竖直维的宽度，由于波束应当覆盖扇区，同时，根据N_H、N_V可以分别计算得出扇区水平覆盖角度大小和竖直覆盖角度大小，故3D波束赋形波束的水平维宽度和竖直维宽度可以由此求得；同时，根据N_H和N_V可以得出每个扇区中心的位置坐标，该坐标即为各个波束的主瓣指向角度，用集合

表示所有指向角度的集合。

其中，优选地，波束宽度单元802可以包括：

水平维宽度子单元904，用于利用公式B_H＝2π/N_H得到三维波束的水平维宽度B_H；

竖直维宽度子单元905，用于利用公式B_V＝θ_max/N_V得到三维波束的竖直维宽度B_V，其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°；

角度集合子单元906，用于确定各个波束的主瓣指向角度集合

为：

$(\&PartialD;,\mathrm{\&theta;})=\left\{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)\right|i=1,...,N_H,j=1,...,N_V\},$

其中表示水平维索引为i竖直维索引为j的扇区的主瓣水平维指向角度和竖直维指向角度，

θ_j＝θ_max/2N_V+(j-1)(θ_max/N_V)。

在UCyA天线阵列中，首先需要获得UCyA的天线导向矢量，在本发明另一个实施例中，优选地，系统还可以包括：导向矢量单元907，与向量集合单元803相连，用于获得UCyA的天线导向矢量，包括：

水平维导向矢量子单元908，用于获得水平维导向矢量：设位于扇区(i，j)的用户到达基站天线的水平角度为该天线阵列的阵元数为N_tx×N_ty，N_tx表示水平维均匀圆形阵列的阵元数，N_ty表示竖直维均匀线阵的阵元数，获得水平维均匀圆形阵列的导向矢量

${\left(\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right)}_n=\exp \left(\mathrm{j\&zeta;}\cos (\&PartialD;-{\mathrm{\&psi;}}_{n-1})\right),n=1,...,N_{\mathrm{tx}},$

式中，ψ_l＝2πl/N表示第l+1个均匀圆形阵列天线阵元与参考阵元，即第1个天线阵元间的相位差，ζ＝kr，k＝2π/λ表示波数，r表示均匀圆形阵列的半径；

竖直维导向矢量子单元909，用于获得竖直维导向矢量：设位于扇区(i，j)的用户到达基站天线的竖直角度为θ_j，该天线阵列的阵元数为N_tx×N_ty，N_tx表示水平维均匀圆形阵列的阵元数，N_ty表示竖直维均匀线阵的阵元数，获得竖直维均匀线阵的导向矢量ULA(θ_j)：

(ULA(θ_j))_n＝exp(j(n-1)kd cos(θ_j))，n＝1，...，N_ty，

式中，d表示以波长为单位的天线阵元间距，k＝2π/λ表示波数，λ表示波长；

导向矢量获得子单元910，用于获得UCyA天线阵列的导向矢量：

$\mathrm{UCyA}{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)}_{\mathrm{UCyA}}=\mathrm{vec}\left({\mathrm{ULA}}^T\left({\mathrm{\&theta;}}_j\right)\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right).$

在本发明的一个实施例中，根据UCyA的循环对称性，水平维波束赋形向量集合中向量之间的关系为：记

表示所有水平维扇区的主瓣水平维指向角度，UCA_H＝{UCA_i|i＝1，...，N_H}为基于的天线导向矢量集合，其中UCA_i表示基于

的天线水平维导向矢量。根据UCyA天线阵列水平维的循环对称性，水平维波束赋形向量的关系为w_i，H＝rol_right(w_1，H，floor((i-1)*(2π/N_tx)))，式中，i＝2...N_x，rol_right表示将w_i，H循环右移运算floor((i-1)*(2π/N_tx))位，其中N_tx为水平维天线阵列阵元个数，floor表示下取整。因此在生成水平维波束赋形向量的过程中，可先生成w₁再根据向量间的关系生成集合中剩余的向量。

在本发明的一个实施例中，优选地，向量集合单元803可以包括：

水平维子单元911，用于采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H，包括：

凸优化模块912，用于利用凸优化模型求解生成波束赋形向量：记表示所有水平维扇区的主瓣水平维指向角度，UCA_H＝{UCA_i|i＝1，...，N_H}为基于

的天线导向矢量集合，其中UCA_i表示基于的天线水平维导向矢量；

以最小化波束w₁对相邻扇区的干扰为优化目标、波束w₁对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成波束赋形向量w₁的公式为：

$\begin{array}{c}\min \left\{\underset{1<i\&le;N_x}{\max }\left({\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right){w^T}_{1,H}\right|}^2\right)\right\}\\ s.t.{\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_1\right){w^T}_{1,H}\right|}^2==1;\end{array}$

循环位移模块913，用于根据循环位移关系生成剩余波束赋形向量：

w_i，H＝rol_right(w_1，H，floor((i-1)*(2π/N_tx)))，w_i，H，i＝1，...，N_H，

式中rol_right表示将w_1，H循环右移运算floor((i-1)*(2π/N_tx))位，N_tx为水平维天线阵列阵元个数，floor表示下取整；

水平维集合模块914，用于将所有波束赋形向量集合成水平维波束赋形向量集合W_H＝{w_i，H|i＝1，...N_H}。

向量集合单元803还可以包括：

竖直维子单元915，用于利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V，包括：

凸优化模块916，用于利用凸优化模型求解生成波束赋形向量，记θ＝{θ_j|j＝1，...，N_V}表示所有竖直维扇区的主瓣竖直维指向角度ULA_V＝{ULA_j|j＝1，...，N_V}为基于θ的天线导向矢量集合，其中ULA_j表示基于θ_j的天线竖直维导向矢量；

以最小化波束w_j，V，j＝1，...，N_V对相邻扇区的干扰为优化目标，波束w_j，V，j＝1，...，N_V对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成所有波束赋形向量w_j，V，j＝1，...，N_V：

$\min \left(\underset{n\&NotEqual;j,n=1,...,N_V}{\max }\left({\left|w_{j,V}\mathrm{ULA}\left({\mathrm{\&theta;}}_n\right)\right|}^2\right)\right)$

s.t.|w_j，VULA(θ_j)|²＝＝1

竖直维集合模块917，用于将所有波束赋形向量集合成竖直维波束赋形向量集合W_V＝{w_j，V|j＝1，...N_V}。

在本发明的一个实施例中，优选地，三维小区分裂单元804可以包括：

三维向量集合子单元918，用于将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D：

W_3D＝{w_i，j|i＝1，...，N_H，j＝1，...，N_V}， $w_{i,j}=w_{j,V}^T{w}_{i,H},w_{i,H}\&Element;W_H,w_{j,v}\&Element;W_V;$

三维小区分裂子单元919，用于对于扇区(i，j)采用波束赋形向量w_i，j对其进行波束赋形，实现三维小区分裂。

需要说明的是，上述图9所示的三维小区分裂系统的各个实施例的结构可以进行任意组合使用。

可见，本发明实施例具有如下有益效果：

在本发明实施例提出的三维小区分裂方法和系统中，充分利用了3D-MIMO中的竖直维度，实现了3D空间的小区分裂，能够使频谱资源得到高效复用，提高了通信网络容量，提升了通信网络性能。

另外，本发明实施例可以通过3D多层波束赋形较大地提高系统容量，在干扰抑制、系统信干比和系统容量上均较传统小区分裂方法有显著的提升。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种三维小区分裂方法，其特征在于，包括：

根据小区内用户终端的负载量信息和每个用户终端的位置信息，确定需要三维小区分裂的小区数目，包括水平分裂的小区数目N_H和竖直分裂的小区数目N_V；

令所有分裂的扇区使用相同波束宽度的波束，利用水平分裂的小区数目N_H确定三维波束的水平维宽度B_H，利用竖直分裂的小区数目N_V确定三维波束的竖直维宽度B_V，并确定各个波束的主瓣指向角度集合

根据B_H和

，采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H；根据B_V和θ，利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V；

将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D，基于W_3D进行三维小区分裂。

2.根据权利要求1所述的三维小区分裂方法，其特征在于，所述根据小区内用户终端的负载量信息和每个用户终端的位置信息，确定需要三维小区分裂的小区数目包括：

统计所有用户终端的位置信息：设用户终端的总数为K，记第i个用户终端UE_i的位置信息为：

$({\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}},{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{UEi}}),i=\mathrm{1,2},...,K,$

其中，

表示UE_i到基站的水平维角度，θ_UEi表示UE_i到基站的竖直维角度；

针对水平分裂的小区数目N_H，对计算 $\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}=|{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}}-{\&PartialD;}_{\mathrm{UEj}}|,i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,$ 令 $\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;=\left\{\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\right|i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\&NotEqual;0\},$ 取 ${\&PartialD;}_{\min }=\min (\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;),$ 则 $N_H=2\mathrm{\&pi;}/{\&PartialD;}_{\min };$

针对竖直分裂的小区数目N_V，对

计算Δθ_UEi，UEj＝θ_UEi-θ_UEj|，i≠j，i，j＝1，...，K，令Δθ＝{Δθ_UEi，UEj|i≠j，i，j＝1，...，K，Δθ_UEi，UEj≠0}，取Δθ_min＝min(Δθ)，则

其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°。

3.根据权利要求2所述的三维小区分裂方法，其特征在于，

所述利用水平分裂的小区数目N_H确定三维波束的水平维宽度B_H包括：利用公式B_H＝2π/N_H得到三维波束的水平维宽度B_H；

所述利用竖直分裂的小区数目N_V确定三维波束的竖直维宽度B_V包括：利用公式B_V＝θ_max/N_V得到三维波束的竖直维宽度B_V，其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°；

所述并确定各个波束的主瓣指向角度集合包括：确定各个波束的主瓣指向角度集合

为：

$(\&PartialD;,\mathrm{\&theta;})=\left\{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)\right|i=1,...,N_H,j=1,...,N_V\},$

其中表示水平维索引为i竖直维索引为j的扇区的主瓣水平维指向角度和竖直维指向角度，

θ_j＝θ_max/2N_V+(j-1)(θ_max/N_V)。

4.根据权利要求3所述的三维小区分裂方法，其特征在于：

在所述根据B_H和

采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H之前，还包括：

获得UCyA的天线导向矢量，包括：

设位于扇区(i，j)的用户到达基站天线的水平角度为

竖直角度为θ_j、该天线阵列的阵元数为N_tx×N_ty，N_tx表示水平维均匀圆形阵列的阵元数，N_ty表示竖直维均匀线阵的阵元数，获得水平维均匀圆形阵列的导向矢量

${\left(\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right)}_n=\exp \left(\mathrm{j\&zeta;}\cos (\&PartialD;-{\mathrm{\&psi;}}_{n-1})\right),n=1,...,N_{\mathrm{tx}},$

式中，ψ_l＝2πl/N表示第l+1个均匀圆形阵列天线阵元与参考阵元，即第1个天线阵元间的相位差，ζ＝kr，k＝2π/λ表示波数，r表示均匀圆形阵列的半径；

获得竖直维均匀线阵的导向矢量ULA(θ_j)：

(ULA(θ_j))_n＝exp(j(n-1)kd cos(θ_j))，n＝1，...，N_ty，

式中，d表示以波长为单位的天线阵元间距，k＝2π/λ表示波数，λ表示波长；

获得UCyA天线阵列的导向矢量：

$\mathrm{UCyA}{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)}_{\mathrm{UCyA}}=\mathrm{vec}\left({\mathrm{ULA}}^T\left({\mathrm{\&theta;}}_j\right)\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right);$

所述根据B_H和

采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H包括：

记

表示所有水平维扇区的主瓣水平维指向角度，UCA_H＝{UCA_i|i＝1，...，N_H}为基于

的天线导向矢量集合，其中UCA_i表示基于

的天线水平维导向矢量；

以最小化波束w₁对相邻扇区的干扰为优化目标、波束w₁对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成波束赋形向量w₁：

$\begin{array}{c}\min \left\{\underset{1<i\&le;N_x}{\max }\left({\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right){w^T}_{1,H}\right|}^2\right)\right\}\\ s.t.{\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_1\right){w^T}_{1,H}\right|}^2==1;\end{array}$

根据循环位移关系w_i，H＝rol_right(w_1，H，floor((i-1)*(2π/N_tx)))，w_i，H，i＝1，...，N_H，生成剩余波束赋形向量，式中rol_right表示将w_1，H循环右移运算floor((i-1)*(2π/N_tx))位，N_tx为水平维天线阵列阵元个数，floor表示下取整；

将所有波束赋形向量集合成水平维波束赋形向量集合W_H＝{w_i，H|i＝1，...N_H}；

所述根据B_V和θ，利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V包括：

记θ＝{θ_j|j＝1，...，N_V}表示所有竖直维扇区的主瓣竖直维指向角度ULA_V＝{ULA_j|j＝1，...，N_V}为基于θ的天线导向矢量集合，其中ULA_j表示基于θ_j的天线竖直维导向矢量；

以最小化波束w_j，V，j＝1，...，N_V对相邻扇区的干扰为优化目标，波束w_j，V，j＝1，...，N_V对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成波束赋形向生成所有w_j，V，j＝1，...，N_V：

$\min \left(\underset{n\&NotEqual;j,n=1,...,N_V}{\max }\left({\left|w_{j,V}\mathrm{ULA}\left({\mathrm{\&theta;}}_n\right)\right|}^2\right)\right)$

s.t.|w_j，VULA(θ_j)|²＝＝1

将所有波束赋形向量集合成竖直维波束赋形向量集合W_V＝{w_j，V|j＝1，...N_V}。

5.根据权利要求4所述的三维小区分裂方法，其特征在于：

所述将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D包括：

W_3D＝{w_i，j|i＝1，...，N_H，j＝1，...，N_V}， $w_{i,j}=w_{j,V}^T{w}_{i,H},w_{i,H}\&Element;W_H,w_{j,v}\&Element;W_V;$

所述基于W_3D进行三维小区分裂包括：

对于扇区(i，j)采用波束赋形向量w_i，j对其进行波束赋形，实现三维小区分裂。

6.一种三维小区分裂系统，其特征在于，包括：分裂数目单元、波束宽度单元、向量集合单元和三维小区分裂单元，各单元顺序相连，其中：

分裂数目单元，用于根据小区内用户终端的负载量信息和每个用户终端的位置信息，确定需要三维小区分裂的小区数目，包括水平分裂的小区数目N_H和竖直分裂的小区数目N_V，并发送至波束宽度单元；

波束宽度单元，用于令所有分裂的扇区使用相同波束宽度的波束，利用水平分裂的小区数目N_H确定三维波束的水平维宽度B_H，利用竖直分裂的小区数目N_V确定三维波束的竖直维宽度B_V，并确定各个波束的主瓣指向角度集合发送至向量集合单元；

向量集合单元，用于根据B_H和

采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H；根据B_V和θ，利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V，发送至三维小区分裂单元；

三维小区分裂单元，用于将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D，基于W_3D进行三维小区分裂。

7.根据权利要求6所述的三维小区分裂系统，其特征在于：

所述分裂数目单元包括：

位置信息子单元，用于统计所有用户终端的位置信息：设用户终端的总数为K，记第i个用户终端UEi的位置信息为：

$({\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}},{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{UEi}}),i=\mathrm{1,2},...,K,$

其中，表示UEi到基站的水平维角度，θ_UEi表示UEi到基站的竖直维角度；

水平分裂子单元，用于确定水平分裂的小区数目N_H，对

计算 $\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}=|{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi}}-{\&PartialD;}_{\mathrm{UEj}}|,i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,$ 令 $\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;=\left\{\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\right|i\&NotEqual;j,i,j=1,...,K,\mathrm{\&Delta;}{\&PartialD;}_{\mathrm{UEi},\mathrm{UEj}}\&NotEqual;0\},$ 取 ${\&PartialD;}_{\min }=\min (\mathrm{\&Delta;}\&PartialD;),$ 则确定N_H的公式为： $N_H=2\mathrm{\&pi;}/{\&PartialD;}_{\min };$

竖直分裂子单元，用于确定竖直分裂的小区数目N_V，对

计算Δθ_UEi，UEj＝|θ_UEi-θ_UEj|，i≠j，i，j＝1，...，K，令Δθ＝{Δθ_UEi，UEj|i≠j，i，j＝1，...，K，Δθ_UEi，UEj≠0}，取Δθ_min＝min(Δθ)，则确定N_V的公式为：

其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°。

8.根据权利要求7所述的三维小区分裂系统，其特征在于：

所述波束宽度单元包括：

水平维宽度子单元，用于利用公式B_H＝2π/N_H得到三维波束的水平维宽度B_H；

竖直维宽度子单元，用于利用公式B_V＝θ_max/N_V得到三维波束的竖直维宽度B_V，其中θ_max表示竖直维的最大角度拓展，令θ_max＝20°；

角度集合子单元，用于确定各个波束的主瓣指向角度集合

为：

$(\&PartialD;,\mathrm{\&theta;})=\left\{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)\right|i=1,...,N_H,j=1,...,N_V\},$

其中

表示水平维索引为i竖直维索引为j的扇区的主瓣水平维指向角度和竖直维指向角度，

θ_j＝θ_max/2N_V+(j-1)(θ_max/N_V)。

9.根据权利要求8所述的三维小区分裂系统，其特征在于：

所述系统还包括：导向矢量单元，与向量集合单元相连，用于获得UCyA的天线导向矢量，包括：

水平维导向矢量子单元，用于获得水平维导向矢量：设位于扇区(i，j)的用户到达基站天线的水平角度为

该天线阵列的阵元数为N_tx×N_ty，N_tx表示水平维均匀圆形阵列的阵元数，N_ty表示竖直维均匀线阵的阵元数，获得水平维均匀圆形阵列的导向矢量

${\left(\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right)}_n=\exp \left(\mathrm{j\&zeta;}\cos (\&PartialD;-{\mathrm{\&psi;}}_{n-1})\right),n=1,...,N_{\mathrm{tx}},$

式中，ψ_l＝2πl/N表示第l+1个均匀圆形阵列天线阵元与参考阵元，即第1个天线阵元间的相位差，ζ＝kr，k＝2π/λ表示波数，r表示均匀圆形阵列的半径；

竖直维导向矢量子单元，用于获得竖直维导向矢量：设位于扇区(i，j)的用户到达基站天线的竖直角度为θ_j，该天线阵列的阵元数为N_tx×N_ty，N_tx表示水平维均匀圆形阵列的阵元数，N_ty表示竖直维均匀线阵的阵元数，获得竖直维均匀线阵的导向矢量ULA(θ_j)：

(ULA(θ_j))_n＝exp(j(n-1)kd cos(θ_j))，n＝1，...，N_ty，

式中，d表示以波长为单位的天线阵元间距，k＝2π/λ表示波数，λ表示波长；

导向矢量获得子单元，用于获得UCyA天线阵列的导向矢量：

$\mathrm{UCyA}{({\&PartialD;}_i,{\mathrm{\&theta;}}_j)}_{\mathrm{UCyA}}=\mathrm{vec}\left({\mathrm{ULA}}^T\left({\mathrm{\&theta;}}_j\right)\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right)\right);$

所述向量集合单元包括：

水平维子单元，用于采用快速循环赋值方法生成水平维波束赋形向量集合W_H，包括：

凸优化模块，用于利用凸优化模型求解生成波束赋形向量：记

表示所有水平维扇区的主瓣水平维指向角度，UCA_H＝{UCA_i|i＝1，...，N_H}为基于

的天线导向矢量集合，其中UCA_i表示基于

的天线水平维导向矢量；

以最小化波束w₁对相邻扇区的干扰为优化目标、波束w₁对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成波束赋形向量w₁的公式为：

$\begin{array}{c}\min \left\{\underset{1<i\&le;N_x}{\max }\left({\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_i\right){w^T}_{1,H}\right|}^2\right)\right\}\\ s.t.{\left|\mathrm{UCA}\left({\&PartialD;}_1\right){w^T}_{1,H}\right|}^2==1;\end{array}$

循环位移模块，用于根据循环位移关系生成剩余波束赋形向量：

w_i，H＝rol_right(w_1，H，floor((i-1)*(2π/N_tx)))，w_i，H，i＝1，...，N_H，

式中rol_right表示将w_1，H循环右移运算floor((i-1)*(2π/N_tx))位，N_ty为水平维天线阵列阵元个数，floor表示下取整；

水平维集合模块，用于将所有波束赋形向量集合成水平维波束赋形向量集合W_H＝{w_i，H|i＝1，...N_H}；

所述向量集合单元还包括：

竖直维子单元，用于利用凸优化生成竖直维波束赋形向量集合W_V，包括：

凸优化模块，用于利用凸优化模型求解生成波束赋形向量，记θ＝{θ_j|j＝1，...，N_V}表示所有竖直维扇区的主瓣竖直维指向角度ULA_V＝{ULA_j|j＝1，...，N_V}为基于θ的天线导向矢量集合，其中ULA_j表示基于θ_j的天线竖直维导向矢量；

以最小化波束w_j，V，j＝1，...，N_V对相邻扇区的干扰为优化目标，波束w_i，V，j＝1，...，N_V对本小区的响应最大为限制条件，利用凸优化模型求解生成所有波束赋形向量w_j，V，j＝1，...，N_V：

$\min \left(\underset{n\&NotEqual;j,n=1,...,N_V}{\max }\left({\left|w_{j,V}\mathrm{ULA}\left({\mathrm{\&theta;}}_n\right)\right|}^2\right)\right)$

s.t.|w_j，VULA(θ_j)|²＝＝1

竖直维集合模块，用于将所有波束赋形向量集合成竖直维波束赋形向量集合W_V＝{w_j，V|j＝1，...N_V}。

10.根据权利要求9所述的三维小区分裂系统，其特征在于：

所述三维小区分裂单元包括：

三维向量集合子单元，用于将水平维波束赋形向量集合W_H和竖直维波束赋形向量集合W_V直积生成最终的三维波束赋形向量集合W_3D：

W_3D＝{w_i，j|i＝1，...，N_H，j＝1，...，N_V}， $w_{i,j}=w_{j,V}^T{w}_{i,H},w_{i,H}\&Element;W_H,w_{j,v}\&Element;W_V;$

三维小区分裂子单元，用于对于扇区(i，j)采用波束赋形向量w_i，j对其进行波束赋形，实现三维小区分裂。

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