CN104320169B - 多用户3d‑mimo系统中三维波束赋形设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多用户3D‑MIMO系统中三维波束赋形设计方法，包括以下步骤：1)根据用户在3D场景中的分布模型，计算基站到用户直视径的顶角的概率密度函数，并根据顶角的概率密度函数来设计出在多用户MIMO系统中的多用户调度算法；2)基站向用户发送信号时，其配置的平面天线阵列中的每一个天线端口都服务一个单独的用户，这些天线端口上所施加的预编码为3GPP标准中建议的预编码，同时服务的用户由多用户调度算法从所有用户中选择；3)基站天线阵列的配置由所设计的多用户调度算法来决定，施加在每个天线端口上的预编码中使用的电子下倾角由采用的基站天线阵列的配置来决定，最终实现最大化系统吞吐量的目的。本发明极大地提高了3D‑MIMO系统的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种多用户3D-MIMO系统中三维波束赋形设计方法。
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。相比于其他技术，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。然而，以往的大多数研究都在传统二维信道模型下研究三维波束赋形，使用的天线模型也只是天线方向图已经固定天线端口，而并非实际中的有源天线系统组成的平面天线阵列。忽略了用户在空间的三维分布特性，仅通过调整基站天线下倾角来提升系统吞吐量的做法在三维场景中的效果并不理想。因此，需要结合适用于3D-MIMO系统的完整的三维系统的特点，特别是其中使用的平面天线阵列的特性，来设计高效的三维波束赋形方案。
发明内容
本发明的目的是在3GPP组织最新提出的3D信道模型基础上，应用平面天线阵列的特点，为单小区多用户蜂窝系统提出了一种多用户3D-MIMO系统中三维波束赋形设计方法，该方法有效的降低了系统多用户间干扰，大幅度提升了系统整体吞吐量。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
多用户3D-MIMO系统中三维波束赋形设计方法，包括以下步骤：
1)根据用户在3D场景中的分布模型，计算基站到用户直视径的顶角的概率密度函数，并根据顶角的概率密度函数来设计出在多用户MIMO系统中的多用户调度算法；
2)基站向用户发送信号时，其配置的平面天线阵列中的每一个天线端口都服务一个单独的用户，这些天线端口上所施加的预编码为3GPP标准中建议的预编码，同时服务的用户由多用户调度算法从所有用户中选择；
3)基站天线阵列的配置由所设计的多用户调度算法来决定，施加在每个天线端口上的预编码中使用的电子下倾角由采用的基站天线阵列的配置来决定，最终实现最大化系统吞吐量的目的。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，应用被提出于3GPP标准中新的3D场景中用户的分布规律，计算用户直视径的顶角的概率密度函数。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，该系统中的多用户调度算法，应该满足以下条件：
其每次同时调度的用户其顶角之差为θd，应该满足θd的期望尽可能大，即
max E(θd) (1)
其中，E()表示取数学期望，同时，应该在满足以上条件下使得所有θd尽可能接近，即
其中，表示所有θd的方差。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，具体包括如下的步骤：
2-1)基站使用设计的多用户调度算法选择每个时间间隔上同时调度的用户；
2-2)基站使用一个M×N个天线元素组成的矩形天线阵列，每个天线阵列的一列作为一个单独的天线端口，服务同时调度的其中一个用户；
2-3)每个天线端口中第m个天线元素使用的预编码ωm为
其中，M为天线阵列的行数，λ为载波波长，m为天线元素的序号，dv为阵列的行间距，θetilt为使用的电子下倾角，π为圆周率，同一个天线端口中所有天线元素使用的预编码中的电子下倾角都相同，不同的端口使用的预编码中的电子下倾角不同。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，具体包括如下的步骤：
3-1)基站所使用的天线阵列为M×N个天线元素组成的矩形天线阵列，天线阵列配置中的M应该满足：
其中，表示向下取整，θM表示天线阵列主瓣宽度的二分之一，最优的θM是满足下面超越方程的唯一解：
其中，S(θM)是θM的函数，代表和天线阵列主瓣宽度相关的物理量，通过表达式为：计算；
ln()表示取自然对数，E()表示数学期望，θd为每次同时调度的用户其顶角之差；
3-2)同一个天线端口中所有天线元素使用的预编码中的电子下倾角θetilt都相等，应该满足
θetilt＝θz+Δθ (5)
其中，θz为该天线端口服务用户的顶角，Δθ为调整角，应该满足
Δθ＝θM-θd (6)
其中，θd为每次同时调度的用户其顶角之差，θM是由下列公式计算：
其中，λ为载波波长，dv为阵列的行间距，M为天线阵列的行数。
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三维波束赋形方案，本发明中分析了用户分布和用户调度算法对波束赋形效果的影响，给出了最优方法，从而极大地提高了3D-MIMO系统的整体性能。
附图说明
图1是平面天线阵列模型图。
图2是单个天线端口波束赋形示意图。
图3是该波束赋形方案的系统整体模型图。
图4是不同电子下倾角下系统宽带信干噪比对比图。
图5是不同天线模型和配置下用户速率对比图。
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M行N列的天线元素所组成的，行之间和列之间的距离分别为dV和dH。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，这些元素都携带着相同的信息。与传统的WINNER等信道不同，在新的三维系统模型协议中，天线元素而不是天线端口的方向图被协议给定。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，单个天线元素在垂直方向上的方向图被设定为：
θ3dB＝65°,SLAV＝30
其中，θ3dB表示垂直方向3dB波束宽度，SLAV表示垂直方向上天线元素最大衰减。
协议中规定在天线阵列中，每K个天线将组成一个天线端口，其中的每个元素都将被一个预编码ωm加权。通常规定K＝1或者K＝M，在后一种情况下，天线阵列中一列M个天线元素将被组成一个天线端口，整个天线阵列有N个端口。
图2所示为一个天线端口在预编码ωm加权后，向一个用户传输信号的情况。此时使用的是协议中建议的预编码：
其中，M为天线阵列的行数，λ为载波波长，m为天线元素的序号，dv为阵列的行间距，π为圆周率，θetilt是定义在0°到180°之间的电子下倾角，其中90°表示于天线阵列平面。同一个天线端口中的天线元素使用的预编码ωm都有着相同的电子下倾角θetilt。这样的预编码使得每一个天线元素的相位逐渐改变，我们设第m个天线元素的相位为偏移为exp(-j(m-1)αdV)，因此整个天线端口的增益效果可以被表示为F(θ)
其中，θ是电波传播的路径和水平面之间的俯仰角。当一个天线端口向一个用户直射发送信息时，用户的俯仰角θe就等于θ，因此由等比数列求和公式，可以计算得到F(θ)为
使用的预编码ωm与所假设的相位差exp(-j(m-1)αdV)相比，可以得到关系式
当表达式
成立时，有端口的方向性增益最大，此时有
图3是整个系统的模型图。这是一个单小区多用的下行MIMO系统，其中有一个配有二维天线阵列的基站和Numu个用户，用户都配有一根全向天线。我们设xi和yi分别为在系统中的第i个用户到基站在水平面x轴和y轴上的相对距离，设基站和用户i的高度分别为h0和hi。设用户的顶角θz，是图中z轴正半轴向基站到用户直视径的角度，其范围在0°到180°之间，并且根据几何关系有
顶角θz可以由用户的地理位置计算得到，即
用户在新的场景下的三维分布也在协议中提出了。在之前模型中，所有用户的高度都为1.5m，这种情况下很难进行三维的波束赋形因为用户在俯仰角域中相距太近了，无法有效区分波束。而提出的新的三种场景中，用户在水平面上依旧是均匀分布如前，但是现在只有20％的用户处于室外用户，高度为1.5m。而其他的室内都被认为在高楼中，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。这样，用户的位置被限制在了一定的区域内，包括与基站间最小距离的，与基站的最大距离，用户的最小高度，用户的最大高度。这样，由设定的用户分布模型，可以计算出用户的顶角θz的分布，并求出其概率密度函数fΘ(θz)。
在该多用户系统中，基站使用每一个天线端口服务一个用户，并同时调度多个用户，通常天线阵列选用K＝M，即每一列都为一个端口，共N个端口服务N个用户。为了使得基站向用户传输信号后用户的接收信干噪比(SINR)最大，那么首先应该尽量放大有用信号的接收功率。由天线元素组成的天线端口方向图的特性可以得知，这个天线端口使用的预编码的电子下倾角和这个天线服务的用户的顶角应该有如下关系时可以是接收有用信号的功率最大：
这时天线端口的方向图的主瓣会对准这个服务用户，有用信号增益最大，显然在基站只服务单用户时这种方案是最优的。然而，现在同时服务的用户不止一个，同时服务多用户时不同的用户之间的信号会造成用户间的干扰。在接收功率最大的情况下并不一定能够保证信干噪比也最大。因此需要在保持大的信号功率的同时尽量降低干扰的功率，这样才能使得用户SINR最大。
根据天线端口的方向图我们可以发现，其主瓣与二次函数非常相似。因此，利用二次函数的特点——在中间区域平缓而在两侧陡峭，我们可以通过调整天线端口的下倾角来降低干扰。当两个用户的顶角相差非常小的时候，我们用θetilt＝θz的策略会造成严重的干扰，此时将电子下倾角在原有的基础上偏移一个小的角度，称为调整角Δθ，由天线端口方向图的特点可知这会使得用户接收的信号功率略微减小而收到的干扰信号大大减弱。利用这个办法，我们可以非常简单的调整用户的下倾角就获得非常大的信干噪比增益。该方案用公式表示即
θetilt＝θz±Δθ
其中，正负号表示对原来顶角的调整，调整的方向为远离其他用户下倾角的方向。电子下倾角根据服务用户位置和顶角的不同，将会有一个最优的取值使得用户的信干噪比最大。
同时，在方案中，基站天线的配置M，对三维波束赋形的性能有着较大的影响。因此M的取值，根据用户在场景中的分布特性不同，也将会有一个最优的取值。
用户调度算法对于用户的影响很大，在方案中，最优的用户调度算法由用户在场景中的分布决定，最优的用户调度算法符合一定的目标函数。最优的基站配置和最优的电子下倾角，都与最优的用户调度算法有关。
图4是系统在不同下倾角方案下的宽带信干噪比的累积分布函数仿真图。如果射S为调度用户的集合那么用户i的宽带SINR可以表示
其中，j代表干扰用户，Pn代表接收噪声。宽带SINR是衡量系统性能的重要指标。
使用蒙特卡洛仿真，选用多名用户在协议中定义的新的场景3D-Uma中使用不同的下倾角进行传输，得到了不同情况下的宽带SINR的累积分布函数曲线对比。结果显示如果我们使用不同的常数调整角，那么系统的性能会有非常大的差异。然而不论怎样的常数调整角Δθ都比不上我们使用的最优电子下倾角(最优调整角)，在最优的电子下倾角情况下，系统性能最大化。
图5是在不同的天线配置情况下系统用户平均和速率的累计概率密度对比图。当基站的天线使用不同的配置的时候，实际上对系统的性能也有较大的影响。可以看出在图中的仿真条件下，天线配置M在某一个值时达到系统性能最优，这个值即最优的M值。同时可以看到，与传统使用的天线端口(AP)相比，系统性能的提升是非常大的。同时这也说明该方案是由多个因素共同决定的，方案的全局最优解将是在最优的用户调度算法下使用最优的天线配置，同时使用最优点电子下倾角。
Claims (5)
1.多用户3D-MIMO系统中三维波束赋形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据用户在3D场景中的分布模型，计算基站到用户直视径的顶角的概率密度函数，并根据顶角的概率密度函数来设计出在多用户MIMO系统中的多用户调度算法；
2)基站向用户发送信号时，其配置的平面天线阵列中的每一个天线端口都服务一个单独的用户，这些天线端口上所施加的预编码为3GPP标准中建议的预编码，同时服务的用户由多用户调度算法从所有用户中选择；
3)基站天线阵列的配置由所设计的多用户调度算法来决定，施加在每个天线端口上的预编码中使用的电子下倾角由采用的基站天线阵列的配置来决定，最终实现最大化系统吞吐量的目的。
2.根据权利要求1所述的多用户3D-MIMO系统中三维波束赋形设计方法，其特征在于，步骤1)中，应用被提出于3GPP标准中新的3D场景中用户的分布规律，计算用户直视径的顶角的概率密度函数。
3.根据权利要求1所述的多用户3D-MIMO系统中三维波束赋形设计方法，其特征在于，步骤1)中，该系统中的多用户调度算法，应该满足以下条件：
其每次同时调度的用户其顶角之差为θd，应该满足θd的期望尽可能大，即
maxE(θd) (1)
其中，E()表示取数学期望，同时，应该在满足以上条件下使得所有θd尽可能接近，即
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>i</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，表示所有θd的方差。
4.根据权利要求1所述的多用户3D-MIMO系统中三维波束赋形设计方法，其特征在于，步骤2)中，具体包括如下的步骤：
2-1)基站使用设计的多用户调度算法选择每个时间间隔上同时调度的用户；
2-2)基站使用一个M×N个天线元素组成的矩形天线阵列，每个天线阵列的一列作为一个单独的天线端口，服务同时调度的其中一个用户；
2-3)每个天线端口中第m个天线元素使用的预编码ωm为
<mrow>
<msub>
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<mi>m</mi>
</msub>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，M为天线阵列的行数，λ为载波波长，m为天线元素的序号，dv为阵列的行间距，θetilt为使用的电子下倾角，π为圆周率，同一个天线端口中所有天线元素使用的预编码中的电子下倾角都相同，不同的端口使用的预编码中的电子下倾角不同。
5.根据权利要求4所述的多用户3D-MIMO系统中三维波束赋形设计方法，其特征在于，步骤3)中，具体包括如下的步骤：
3-1)基站所使用的天线阵列为M×N个天线元素组成的矩形天线阵列，天线阵列配置中的M应该满足：
其中，表示向下取整，θM表示天线阵列主瓣宽度的二分之一，最优的θM是满足下面超越方程的唯一解：
<mrow>
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其中，S(θM)是θM的函数，代表和天线阵列主瓣宽度相关的物理量，通过表达式为：
计算；
ln()表示取自然对数，E()表示数学期望，θd为每次同时调度的用户其顶角之差；
3-2)同一个天线端口中所有天线元素使用的预编码中的电子下倾角θetilt都相等，应该满足
θetilt＝θz+Δθ (5)
其中，θz为该天线端口服务用户的顶角，Δθ为调整角，应该满足
Δθ＝θM-θd (6)
其中，θd为每次同时调度的用户其顶角之差，θM是由下列公式计算：
<mrow>
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<mi>M</mi>
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