[发明专利]多用户3D‑MIMO系统中三维波束赋形设计方法

说明书

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 Generation Partnership 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θ_d，应该满足θ_d的期望尽可能大，即

max E(θ_d)(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θ_d尽可能接近，即

其中，表示所有θ_d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ω_m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，d_v为阵列的行间距，θ_etilt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，θ_M表示天线阵列主瓣宽度的二分之一，最优的θ_M是满足下面超越方程的唯一解：

其中，S(θ_M)是θ_M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；