CN107040935B - 一种减少垂直扇区分裂后产生新干扰的自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少垂直扇区分裂后产生新干扰的自适应方法，具体为划定内、外扇区，计算吞吐量和值，调节下倾角，更新吞吐量和值，更新下倾角，调节垂直HPBW。本发明方法利用有源天线系统实现垂直扇区分裂，合理地将某一扇区划分为内、外子扇区，能够动态调节内、外子扇区的下倾角和垂直HPBW参数，复用了原小区的时频资源，提升了系统的SINR性能，有效地提高了网络系统容量。

Description

一种减少垂直扇区分裂后产生新干扰的自适应方法

技术领域

本发明涉及一种减少垂直扇区分裂后产生新干扰的自适应方法，属于移动通信技术领域。

背景技术

为了满足数据速率的爆炸式增长需求，运营商及研究人员提出了许多的可能解决方案，在这些潜在的解决方案中，定向天线和MIMO技术尤其受到各方的重视。定向天线有无源和有源两种类型，后者可以根据需求动态调节天线方向图而前者参数一般是固定不变的。

有源天线系统在每一个传输时隙都能够改变定向天线方向图。在有源天线阵列情况下，所有天线单元都存在与之关联的独立收发器组件，通过控制相位，角度，和单个天线单元的延迟使得有源天线系统的波束在垂直面上实现电调。随着城市密集地区用户量和业务量的增加，现有的小区结构已不能满足需求，这种情况下需要蜂窝技术实现覆盖区域系统容量的增加，常用的方法有：小区分裂，覆盖区分区域以及扇区分裂。有源天线系统的出现，将小区的分裂从传统的水平分裂引入到了垂直方向的分裂形式。有源天线系统共用一套天线辐射单元并行方式形成不止一个波束，使得在原扇区物理空间区域内有不同波束在服务该扇区中用户，从而完成垂直扇区分裂，把原小区分为内、外子扇区，并且它们都有不同的小区ID。垂直扇区分裂后的子扇区都是相互独立的，相当于分裂后的内、外子扇区复用了原小区的时频资源，有效地提高了网络系统容量。

但垂直扇区化技术存在缺陷。天线形成多个波束之后，用户受到来自其它波束的干扰，天线下倾角值设置不当会对邻子扇区造成干扰。分裂为两个子扇区后，原小区的中心用户可能会成为两个子扇区的边缘用户，在扇区分裂过程中这部分用户的性能可能会有所下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种减少垂直扇区分裂后产生新干扰的自适应方法，解决原小区的中心用户在扇区分裂过程中性能可能会有所下降的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种减少垂直扇区分裂后产生新干扰的自适应方法，包括以下步骤：

1)将小区内用户划定归属，将用户分为簇A和簇B，簇A属于内扇区，簇B属于外扇区；

2)计算吞吐量总和T1；

3)调节内、外扇区的下倾角；

4)更新吞吐量总和，利用步骤3)调节后的内、外扇区的下倾角重新计算内、外扇区信干噪比，得到更新后的内、外扇区吞吐量总和T2，判断T2的大小，如果T2小于T1则跳到步骤6)，如果T2大于等于T1且|T2-T1|＞σ，则执行步骤5)；如果T2大于等于T1，且|T2-T1|≤σ，则执行步骤6)；；

5)更新簇A和簇B的中心点俯仰角；

6)调节内、外扇区的垂直HPBW。

前述的步骤1)中，小区内用户划定归属具体如下：

1-1)、选取初始中心点，

首先计算用户的俯仰角：

其中，θ_n为小区内第n个用户的俯仰角，h_BS为基站端天线高度，h_UE为UE天线高度，d_n为小区内第n个用户到基站的距离；

然后，利用公式计算得到小区中所有用户的俯仰角平均值，即中心点用户俯仰角，N为小区内用户总数；

再选择初始分类簇中心点，将小区用户分为两簇，簇A和簇B的中心点俯仰角分别为μ₁和μ₂，

μ₁＝(θ_mid+θ_min)/2，μ₂＝(θ_mid+θ_max)/2

其中，θ_min为所有用户中最小的俯仰角，θ_max为所有用户中最大的俯仰角；

1-2)、以系统用户吞吐量最大化建立关于μ₁和μ₂的目标函数f_total，

其中，B为系统带宽，M为小区垂直分裂后的子扇区数，小区分裂为内、外扇区2个子扇区，则M＝2，N_m为子扇区m中的用户数，m＝1,2，m＝1表示内扇区，m＝2表示外扇区，

SINR_m,n(μ₁,μ₂)为子扇区m中第n个用户的信干噪比，

其中，P_m为子扇区m的天线发射功率，σ为预设阀值，G_m,n为子扇区m中第n个用户的信道增益，P_j为子扇区j的天线发射功率，G_j,n为子扇区j中第n个用户的信道增益，

G_m,n＝(pathloss_m,n-A_m)×shadowloss_m,n

其中，pathloss_m,n为子扇区m中的第n个用户的大尺度衰落，shadowloss_m,n为子扇区m中的第n个用户的阴影衰落，A_m为天线增益；

1-3)、计算小区的第n个用户分别以俯仰角μ₁和μ₂作为下倾角时得到的信道增益G'_m,n，

其中，G'_m,n＝(pathloss'_m,n-A_m)×shadowloss'_m,n，m＝1,2

pathloss'_m,n为小区中的第n个用户以俯仰角μ_m作为下倾角时的大尺度衰落，shadowloss'_m,n为小区中的第n个用户以俯仰角μ_m作为下倾角时的阴影衰落，

当G'_1,n≥G'_2,n时，小区中第n个用户属于内扇区，当G'_1,n＜G'_2,n时，小区中第n个用户属于外扇区。

前述的步骤2)中，根据簇A和簇B中心点俯仰角μ₁和μ₂分别计算内、外扇区用户的信干噪比，求得内、外扇区吞吐量总和T1：

前述的步骤3)中，调节内、外扇区的下倾角，具体为：

3-1)、基于固定天线下倾角和垂直HPBW参数对LTE组网性能进行分析，设置内扇区下倾角初始值为17°，外扇区下倾角初始值为9°和垂直HPBW初始值为6.5°；

3-2)、计算用户俯仰角：

其中，θ_m,n为第m个子扇区的第n个用户的俯仰角值，m＝1表示内扇区，m＝2表示外扇区，d_m,n为第m个子扇区的第n个用户到基站的距离；

3-3)、计算用户信干噪比：

3-4)、根据公式k_m,n＝log₁₀(SINR_m,n)确定每个用户对应的加权系数；

3-5)、计算下倾角：

其中，m＝1表示内扇区，m＝2表示外扇区，即ν₁为内扇区的下倾角，ν₂为外扇区的下倾角。

前述的步骤5)中，更新簇A和簇B的中心点俯仰角，具体为：将内、外扇区的下倾角ν₁和ν₂分别赋值给μ₁和μ₂，返回步骤1-3)重新进行用户归类，继续循环；K次后没有得到分簇结果，则退出循环并根据用户俯仰角将用户分为两簇；K为设置的循环次数。

前述的步骤6)中，调节内、外扇区的垂直HPBW，具体为：

6-1)、计算内、外扇区临界处俯仰角，两扇区的覆盖临界处通过俯仰角划分，内扇区覆盖的右边界，外扇区的左边界为θ_divide：

其中，为内扇区用户最大俯仰角和内扇区用户最小俯仰角，为外扇区用户最大俯仰角和外扇区用户最小俯仰角；

6-2)、计算内扇区左边界和外扇区右边界俯仰角，

内扇区左边界俯仰角由内扇区用户最大俯仰角和小区能够覆盖的最大俯仰角θ_left取平均，即：

外扇区右边界俯仰角由外扇区用户最小俯仰角和小区能够覆盖的最小俯仰角θ_right取平均，即：

6-3)、计算内、外扇区的垂直HPBW，

内扇区的垂直HPBWθ_3dB内为：

外扇区的垂直HPBWθ_3dB外为：

其中，SLA_ν为天线旁瓣的最大衰落值。

本发明的有益效果是：

本发明利用有源天线系统实现垂直扇区分裂，合理地将某一扇区划分为内、外子扇区，能够动态调节内、外子扇区的下倾角和垂直HPBW参数，复用了原小区的时频资源，提升了系统的SINR性能，有效地提高了网络系统容量。

附图说明

图1是本发明的自适应子扇区划分和参数调节流程图；

图2是本发明的有源天线组网技术中小区垂直分裂场景图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图2描绘了有源天线组网技术中小区垂直分裂场景模型，扇区为正六边形网格。多小区结构搭建完成时，将原来一个基站3个扇区分裂为1个基站6个扇区，即3*2的扇区模型，每个扇区有独立的扇区ID号。这里的一个基站3个扇区，其实就是一个基站三个小区，然后每个小区垂直分裂后形成内外扇区，所以分裂后为1个基站6个扇区。假设内、外扇区天线发射功率相等。天线模型采用TR 36.814中天线增益模型。垂直方向天线增益A_V(θ)计算公式如下：

其中：θ为用户俯仰角，θ_3dB表示有源天线波束的垂直HPBW，SLA_v表示天线旁瓣的最大衰落值，值为20dB，θ_etilt为天线下倾角。

假设系统参数如表1所示：

表1：系统参数

表中，PL表示路径损耗，d_{BS_UE}表示UE到基站的距离

依据图2所示的系统场景，对本发明所提出的方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的减少垂直扇区分裂后产生新干扰的自适应方法，包括以下步骤：

步骤一、将小区内用户划定归属。用户的划定归属方法基于经典的K-means聚类算法思想，以系统用户吞吐量最大化建立目标函数，以信道增益作为判断相似度的依据，将用户分为簇A和簇B，簇A属于内扇区，簇B属于外扇区。

划定用户归属具体为：

1-1、初始中心点的选取。首先计算用户的俯仰角：

其中，θ_n为小区内第n个用户的俯仰角，h_BS为基站端天线高度，h_UE为UE天线高度，d_n为第n个用户到基站的距离。

然后，利用公式得到小区中所有用户的俯仰角平均值，即中心点用户俯仰角，N为小区内用户总数。

再选择初始分类簇中心点，将小区用户分为两簇，簇A和簇B中心点俯仰角分别为μ₁和μ₂，

μ₁＝(θ_mid+θ_min)/2，μ₂＝(θ_mid+θ_max)/2

其中，θ_min为所有用户中最小的俯仰角，θ_max为所有用户中最大的俯仰角。

1-2、建立目标函数。以系统用户吞吐量最大化建立关于μ₁和μ₂的目标函数f_total，

其中，B为系统带宽，M为小区垂直分裂后的子扇区数，小区分裂为内、外扇区2个子扇区，则M＝2，N_m为子扇区m中的用户数，m＝1,2，m＝1表示内扇区，m＝2表示外扇区，

SINR_m,n(μ₁,μ₂)为子扇区m中第n个用户的信干噪比，

P_m为子扇区m的天线发射功率，σ为预设阀值，G_m,n为子扇区m中第n个用户的信道增益，P_j为子扇区j的天线发射功率，G_j,n为子扇区j中第n个用户的信道增益，

G_m,n＝(pathloss_m,n-A_m)×shadowloss_m,n

pathloss_m,n为子扇区m中的第n个用户的大尺度衰落，shadowloss_m,n为子扇区m中的第n个用户的阴影衰落，A_m为天线增益。

1-3、用户归类。计算小区的第n个用户分别以俯仰角μ₁和μ₂作为下倾角时得到的信道增益G'_m,n

其中，G'_m,n＝(pathloss'_m,n-A_m)×shadowloss'_m,n，m＝1,2

pathloss'_m,n为小区中的第n个用户以俯仰角μ_m作为下倾角时的大尺度衰落，shadowloss'_m,n为小区中的第n个用户以俯仰角μ_m作为下倾角时的阴影衰落，A_m为天线增益。

当G'_1,n≥G'_2,n时，小区中第n个用户属于内扇区，当G'_1,n＜G'_2,n时，小区中第n个用户属于外扇区。

将所有用户分为簇A和簇B，簇A属于内扇区，簇B属于外扇区。

步骤二、吞吐量总和计算。根据簇A和簇B中心点的俯仰角μ₁和μ₂分别计算内、外扇区用户的信干噪比，求得内、外扇区吞吐量总和T1：

步骤三、调节下倾角，重新确定内、外扇区的下倾角ν₁和ν₂。

调节下倾角具体为：

3-1、扇区划分，下倾角和垂直半功率波瓣宽度(HPBW)初始化。由步骤一将原小区分为独立的内、外扇区。基于固定天线下倾角和垂直HPBW参数对LTE组网性能进行分析，设置内扇区下倾角初始值为17°，外扇区下倾角初始值为9°和垂直HPBW初始值为6.5°。

3-2、计算用户俯仰角：

其中，θ_m,n为第m个子扇区的第n个用户的俯仰角值，m＝1表示内扇区，m＝2表示外扇区。h_BS为基站端天线高度，h_UE为UE天线高度，d_m,n为第m个子扇区的第n个用户到基站的距离。

3-3、计算用户信干噪比：

式中，SINR_m,n(μ₁,μ₂)为扇区m中第n个用户的信干噪比，

3-4、分配加权因子。为了使得波束更加对准中心用户，将用户的信干噪比取对数作为加权系数，根据公式k_m,n＝log₁₀(SINR_m,n)确定每个用户对应的加权系数。

3-5、计算波束下倾角：

其中，m＝1表示内扇区，m＝2表示外扇区，即ν₁为内扇区的下倾角，ν₂为外扇区的下倾角。

步骤四、吞吐量总和更新。利用新的内、外扇区的下倾角ν₁和ν₂重新计算内、外扇区信干噪比，求得新的内、外扇区吞吐量总和T2，判断T2的大小，如果T2小于T1则跳到步骤六，如果T2大于等于T1则执行步骤五。

步骤五、更新μ₁和μ₂，

当|T2-T1|＞σ时，将内、外扇区的下倾角ν₁和ν₂分别赋值给μ₁和μ₂，返回步骤一的步骤1-3)重新进行用户归类，继续循环；K次后没有得到分簇结果，则退出循环并根据用户俯仰角将用户分为两簇。当|T2-T1|≤σ，执行步骤六。

步骤六、调节内、外扇区的垂直HPBW，具体为：

6-1、计算内、外扇区临界处俯仰角。两扇区的覆盖临界处通过俯仰角划分，内扇区覆盖的右边界，外扇区的左边界为θ_divide：

其中，为内扇区用户最大俯仰角和内扇区用户最小俯仰角，为外扇区用户最大俯仰角和外扇区用户最小俯仰角。

6-2、计算内扇区左边界和外扇区右边界俯仰角。未分裂时小区能够覆盖的最大和最小俯仰角分别为θ_left和θ_right。定义内扇区波束覆盖左边界俯仰角为θ_left,1，外扇区波束覆盖右边界俯仰角为θ_right,2。

内扇区左边界俯仰角由内扇区用户最大俯仰角和小区能够覆盖的最大俯仰角θ_left取平均，即：

外扇区右边界俯仰角由外扇区用户最小俯仰角和小区能够覆盖的最小俯仰角θ_right取平均，即：

6-3、计算内、外扇区的垂直HPBW，

内扇区的垂直HPBWθ_3dB内为：

外扇区的垂直HPBWθ_3dB外为：

其中，SLA_ν为天线旁瓣的最大衰落值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种减少垂直扇区分裂后产生新干扰的自适应方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将小区内用户划定归属，将用户分为簇A和簇B，簇A属于内扇区，簇B属于外扇区；

所述将小区内用户划定归属，具体如下：

1-1)、选取初始中心点，

首先计算用户的俯仰角：

其中，θ_n为小区内第n个用户的俯仰角，h_BS为基站端天线高度，h_UE为UE天线高度，d_n为小区内第n个用户到基站的距离；

然后，利用公式计算得到小区中所有用户的俯仰角平均值，即中心点用户俯仰角，N为小区内用户总数；

再选择初始分类簇中心点，将小区用户分为两簇，簇A和簇B的中心点俯仰角分别为μ₁和μ₂，

μ₁＝(θ_mid+θ_min)/2，μ₂＝(θ_mid+θ_max)/2

其中，θ_min为所有用户中最小的俯仰角，θ_max为所有用户中最大的俯仰角；

1-2)、以系统用户吞吐量最大化建立关于μ₁和μ₂的目标函数f_total，

其中，B为系统带宽，M为小区垂直分裂后的子扇区数，小区分裂为内、外扇区2个子扇区，则M＝2，N_m为子扇区m中的用户数，m＝1,2，m＝1表示内扇区，m＝2表示外扇区，

SINR_m,n(μ₁,μ₂)为子扇区m中第n个用户的信干噪比，

其中，P_m为子扇区m的天线发射功率，σ为预设阀值，G_m,n为子扇区m中第n个用户的信道增益，P_j为子扇区j的天线发射功率，G_j,n为子扇区j中第n个用户的信道增益，

G_m,n＝(pathloss_m,n-A_m)×shadowloss_m,n

其中，pathloss_m,n为子扇区m中的第n个用户的大尺度衰落，shadowloss_m,n为子扇区m中的第n个用户的阴影衰落，A_m为天线增益；

1-3)、计算小区的第n个用户分别以俯仰角μ₁和μ₂作为下倾角时得到的信道增益G'_m,n，

其中，G'_m,n＝(pathloss'_m,n-A_m)×shadowloss'_m,n，m＝1,2

pathloss'_m,n为小区中的第n个用户以俯仰角μ_m作为下倾角时的大尺度衰落，shadowloss'_m,n为小区中的第n个用户以俯仰角μ_m作为下倾角时的阴影衰落，

当G'_1,n≥G'_2,n时，小区中第n个用户属于内扇区，当G'_1,n＜G'_2,n时，小区中第n个用户属于外扇区；

2)计算吞吐量总和T1；

根据簇A和簇B中心点俯仰角μ₁和μ₂分别计算内、外扇区用户的信干噪比，求得内、外扇区吞吐量总和T1：

3)调节内、外扇区的下倾角；具体为：

3-1)、基于固定天线下倾角和垂直HPBW参数对LTE组网性能进行分析，设置内扇区下倾角初始值为17°，外扇区下倾角初始值为9°和垂直HPBW初始值为6.5°；

3-2)、计算用户俯仰角：

其中，θ_m,n为第m个子扇区的第n个用户的俯仰角值，m＝1表示内扇区，m＝2表示外扇区，d_m,n为第m个子扇区的第n个用户到基站的距离；

3-3)、计算用户信干噪比：

3-4)、根据公式k_m,n＝log₁₀(SINR_m,n)确定每个用户对应的加权系数；

3-5)、计算下倾角：

其中，m＝1表示内扇区，m＝2表示外扇区，即ν₁为内扇区的下倾角，ν₂为外扇区的下倾角；

4)更新吞吐量总和，利用步骤3)调节后的内、外扇区的下倾角重新计算内、外扇区信干噪比，得到更新后的内、外扇区吞吐量总和T2，判断T2的大小，如果T2小于T1则跳到步骤6)，如果T2大于等于T1，且|T2-T1|＞σ，则执行步骤5)；如果T2大于等于T1，且|T2-T1|≤σ，则执行步骤6)；

5)更新簇A和簇B的中心点俯仰角；具体为：将内、外扇区的下倾角ν₁和ν₂分别赋值给μ₁和μ₂，返回步骤1-3)重新进行用户归类，继续循环；K次后没有得到分簇结果，则退出循环并根据用户俯仰角将用户分为两簇；K为设置的循环次数；

6)调节内、外扇区的垂直HPBW，具体为：

6-1)、计算内、外扇区临界处俯仰角，两扇区的覆盖临界处通过俯仰角划分，内扇区覆盖的右边界，外扇区的左边界为θ_divide：

其中，为内扇区用户最大俯仰角和内扇区用户最小俯仰角，为外扇区用户最大俯仰角和外扇区用户最小俯仰角；

6-2)、计算内扇区左边界和外扇区右边界俯仰角，

内扇区左边界俯仰角由内扇区用户最大俯仰角和小区能够覆盖的最大俯仰角θ_left取平均，即：

外扇区右边界俯仰角由外扇区用户最小俯仰角和小区能够覆盖的最小俯仰角θ_right取平均，即：

6-3)、计算内、外扇区的垂直HPBW，

内扇区的垂直HPBWθ_3dB内为：

外扇区的垂直HPBWθ_3dB外为：

其中，SLA_ν为天线旁瓣的最大衰落值。