一種多小區ofdma網絡下魯棒性的三維波束賦形方法
2023-09-23 18:36:50
一種多小區ofdma網絡下魯棒性的三維波束賦形方法
【專利摘要】本發明涉及一種多小區OFDMA網絡下魯棒性的三維波束賦形方法，屬於通信【技術領域】，包括以下步驟：首先根據信道誤差模型，利用機會約束優化方法，將不確定的約束條件轉化為概率模型，然後利用衰落信道的統計分布，將概率約束條件轉換為確定的約束條件，最後提出了一種分布式波束賦形算法以達到優化基站發射功率的目的。對比現有技術，本發明在非完美的信道情況下，考慮3D?MIMO中用戶在水平方向與垂直方向的角度的影響，利用分布式的算法在保證用戶的服務質量的同時，最小化基站的發射總功率，從而達到節約資源的目的。
【專利說明】—種多小區OFDMA網絡下魯棒性的三維波束賦形方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及一種三維波束賦形方法，特別涉及一種多小區正交頻分多址接入(OFDMA)網絡下魯棒性的三維波束賦形(3D MIMO Beamforming)方法，屬於通信【技術領域】。
【背景技術】
[0002]新一代移動通信系統(如LTE，WiMAX)普遍採用正交頻分多址(OFDMA)技術，希望頻率復用因子儘可能接近I以提高頻譜效率。降低復用因子加劇了小區間共信道幹擾(CCI)，使其成為制約系統容量的瓶頸。近年來提出的基站協作技術通過共享多小區用戶信息，協同調整多個基站的物理層與鏈路層參數以降低CCI，理論性能顯著優於傳統的抑制CCI方法。
[0003]隨著智慧型手機的普及以及無線多媒體應用的快速增長，無線數據的需求也大幅增力口。MIMO技術可以在不增加帶寬以及發送功率的情況下，提高系統的信道容量，因而成為無線通信領域中研究的最廣泛的技術之一。現有的MMO技術大多只考慮水平天線模式或方位角分量，而忽略了垂直天線模式或下傾角，這並不符合實際的無線信道情況。3D MIMO由於其更大的自由度，實現了信道和天線模型的三維化，更加貼切地反映了實際的MMO信道，因而成為未來無線通信系統的候選技術之一。
[0004]與傳統的波束賦形技術相比，三維波束賦形(3D MIMO Beamforming)技術可以進一步減小小區間的幹擾，並且可以通過下傾角的自適應調整減小導頻信號間的幹擾，因而獲得了越來越多的關注。三維波束賦形(3D MIMO Beamforming)既在水平方向，又在垂直方向形成波束，充分發掘空間三維自由度，進而提高系統吞吐量和頻率效率，滿足日益增長的數據業務的需求，是MMO技術未來很有潛力的方向之一。如圖1所示，傳統的2DBeamforming，可以區分水平方向的用戶UE2和UE3，但是當用戶UEl和UE2在相同的水平方向時，傳統的Beamforming無法對用戶進行區分,但是這兩個用戶到基站的豎直角度不相同，所以可以通過豎直方向波束對用戶進行區分，如UE4和UE5。
[0005]三維波束賦形(3D MIMO beamforming)要求基站知道完美的信道狀態信息(Channel state informat1n, CSI)。但是在實際場景下,基站很難獲得完美的信道狀態信息。一方面，因為信道狀態信息通常是由信道估計和信道反饋來獲得的，然而有限的反饋或者時延都會導致信道不準確。另外，用戶的快速移動以及信道的時變特性也會影響信道估計的精度。信道估計的不準確性會產生信道估計誤差，這將大大降低系統的性能。另一方面，在3D MIMO中，需要估計額外的系統參數，增加了一個自由度，因而獲得可靠的CSI更加困難。因此，三維波束賦形的魯棒性設計成為了一個關鍵性問題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為解決3D MIMO中存在的信道估計誤差問題，提出了一種多小區OFDMA網絡下三維波束賦形的魯棒性設計方法，應用該方法，可以在信道估計有誤差並且保證接收端用戶服務質量(QoS)的前提下，魯棒性地使基站總功率最小。
[0007]本發明方法的思想是首先根據信道誤差模型，利用機會約束優化方法，將不確定的約束條件轉化為概率模型，然後利用衰落信道的統計分布，將概率約束條件轉換為確定的約束條件，最後提出了一種分布式波束賦形算法以達到優化基站發射功率的目的。
[0008]本發明方法是通過如下技術方案實現的:
[0009]一種多小區OFDMA網絡下魯棒性的三維波束賦形方法，包括以下步驟:
[0010]步驟1，首先網絡中各基站定期根據自身服務用戶UE的位置(一定的方位角Φ和下傾角Θ)根據下式計算水平天線增益αη(φ)和垂直天線增Sav(0):
【權利要求】
1.一種多小區OFDMA網絡下魯棒性的三維波束賦形方法，其特徵在於，包括以下步驟:步驟1、首先網絡中各基站定期根據自身服務用戶UE的位置(一定的方位角Φ和下傾角Θ)根據下式計算水平天線增益Αη(Φ)和垂直天線增益Αν(θ):
其中φ 3dB和Θ 3dB分別表示水平波束和垂直波束的3dB帶寬，Am是最大前後衰減，SLAv是旁瓣衰減，91&表示發送端的下傾角； 然後根據下式計算三維天線的增益:
Α(Φ, Θ ) = -min {- [Ah ( Φ) +Av ( Θ ) ], Aj ； (2) 步驟2、各基站定期與周圍基站進行協作通信，相互交換此時各子載波上的發射功率；各基站根據自身服務用戶的位置和其他幹擾基站的位置計算其他幹擾基站到其自身服務用戶的的信道增益及三維天線增益； 步驟3、各基站定期計算其在各子載波上的發射功率，發射功率計算公式如下:
其中p:』_為第m個基站在第η個子載波上的可分配的最大發射功率，λ mk為第m個基站用來約束基站與其第k個用戶能夠正常通信的拉格朗日乘子，nm為第m個基站的用來約束總功率受限的拉格朗日乘子，Y mk表示第m個基站服務的第k個用戶的目標信幹噪比，該信幹噪比是可以保證用戶正常通信的信
幹噪比的最小值，
式中5表示第j個基
站在其第η個子載波上的發射功率，第k個用戶能夠接收到信號的基站總數為M，該值是為用戶k提供服務的基站以及對用戶k造成幹擾的基站數目之和，表示在第η個子載波上第j個基站對第m個基站服務的第k個用戶的信道增益的均值，Α(Φ, 0)Jmk表示第j個基站對第m個基站服務的第k個用戶的天線增益，Kk表示在第η個子載波上，第m個基站服務的第k個用戶的加性高斯白噪聲，其均值為O,方差為CJ=； 步驟4、各基站根據步驟2得到的信息以及步驟3計算出的其在各子載波上的發射功率構建發射功率矩陣P，記為
其中N表示基站的子載波個
數，M表示基站數量；然後根據下式更新本基站的拉格朗日乘子λΛ和Jlm，並使迭代次數t加1:
其中，(X)+= max{0, X}，α和β分別表示λ 和Ii111的步長，且a和β均大於O，其值的選擇應保證λΛ和Jim的收斂性； 然後將更新後的拉格朗日乘子代入(9)式更新發射功率進而更新發射功率矩陣，如此循環往復的更新拉格朗日乘子和功率矩陣，直到發射功率矩陣P(t)收斂，即滿足|P(t+l)-P (t) I I≤δ，其中P(t)表示第t次根據(9)式計算得到的功率矩陣，δ表示收斂精度，此時的功率矩陣P (t+Ι)即為各基站在其各子載波上的優化發射功率；然後基站按照此時的功率值分配其在不同子載波上的發射功率。
【文檔編號】H04B7/06GK104079335SQ201410322952
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月8日 優先權日:2014年7月8日
【發明者】邢成文, 周園, 費澤松, 匡鏡明 申請人:北京理工大學