[发明专利]一种全维度天线异构网垂直维度波束成形方法

摘要

本发明公开了一种配置全维度天线异构网中，最大化平均安全速率垂直维度的波束成形方法。该方法首次考虑了基站分布、合法用户分布以及窃听用户分布均采用立体随机分布，推导出了合法用户和窃听用户的信噪比累积分布函数，并根据累积分布函数得到了平均安全速率闭合表达式；从而根据此闭合表达式，计算垂直波束成形矩阵，最大化平均安全速率。

主权项

1.全维度天线配置异构网络基于物理层性能的垂直维度波束成形算法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A，计算宏基站的分布密度λm，并建模为三维独立泊松点过程分布；步骤B，计算宏基站和微基站信号与噪声干扰的比值；步骤C，估计窃听者的分布密度λe，并建模为三维独立泊松点过程分布；步骤D，计算微基站用户的平均安全速率；步骤E，固定微基站和宏基站的密度，计算出全维度天线下倾角最优值。其中，步骤A具体包括：A1，在规划的异构范围之内，统计蜂窝小区中宏基站的个数，并根据异构网覆盖的体积，计算宏基站的分布密度λm；A2，根据宏基站的分布密度λm，构建宏基站的分布函数，其符合三维独立泊松点分布。其中，步骤B具体包括：B1，建立全维度天线的垂直辐射模式，即下倾角与信道衰落幅值的关系，其中φ＜0是基站与接收机间的接收角，φtilt＞0是这个调整角，φ3dB代表3dB波束宽度，AdB是泄露目的小区以外信号的功率；B2，计算微基站服务的合法用户u的信息干扰噪声比，即其中Ip＝∑i∈Φp\{0}Pt|hj,0|2G(rj,0,φtilt)Kdi-(α+1)，Im＝∑k∈ΦmPm|gj,0|2Klj-(α+1)，Pt是微基站的发射功率，Pm是宏基站的发射功率，δ2是噪声功率。其中，步骤C具体包括：C1，根据历史时间数据，估计异构网的窃听者的分布密度λe；C2，根据窃听者的分布密度λe，构建宏基站的分布函数，其符合三维独立泊松点分布。其中，步骤D具体包括：D1，计算窃听用户的窃听信息的最大互信息Ce，其对应的窃听者接收信号的信噪比为γe；D2，计算得到合法用户信干噪比累积分布函数，即 F γ u ( γ u ) = 1 - ∫ r ≥ 0 4 πr 2 exp ( - 4 3 πλr 3 ) exp ( - γ u P t - 1 G - 1 ( r , φ t i l t ) K - 1 r ( α + 1 ) δ 2 ) exp ( - 4 π [ λ p ∫ r ∞ λ e γ u P t - 1 v 2 λ e γ u P t - 1 + ( v / r ) α + 1 d v + λ m ∫ r ∞ λ e γ u P t - 1 v 2 λ e γ u P t - 1 + ( v / r ) α + 1 d v ] ) ; ]]>D3，计算窃听者信干噪比累积分布函数，即 F γ e ( γ u ) = 1 - ∫ r ≥ 0 4 πr 2 exp ( - 4 3 πλr 3 ) exp ( - γ u P t - 1 K - 1 r ( α + 1 ) δ 2 ) exp ( - 4 π [ λ p ∫ r ∞ λ e γ u P t - 1 x 2 λ e γ u P t - 1 + ( x / r ) α + 1 d x + λ m ∫ r ∞ λ e γ u P t - 1 x 2 λ e γ u P t - 1 + ( x / r ) α + 1 d x ] ) ; ]]>D4，计算合法用户的平均安全速率为其中 Λ = ( γ u P t - 1 ) 3 α + 1 [ λ p ( λ s P t ) 3 α + 1 ∫ ( λ s γ u P t - 1 ) 3 α + 1 ∞ 1 1 + λ s γ u P t - 1 G - 1 ( x , φ t i l t ) K - 1 x 3 d x + λ m ( λ s P m ) 3 α + 1 ∫ ( λ s γ u P m - 1 ) 3 α + 1 ∞ 1 1 + λ s γ u P m - 1 K - 1 x 3 d x ] . ]]>其中，步骤E具体包括：E1，固定宏基站的分布密度、微基站的分布密度为常数，并且认为窃听用户分布密度为常数，求取最优的信道衰落值G-1(x,φtilt)；E2，根据衰落值G-1(x,φtilt)，求得最优的下倾角φtilt。