基于有源天线三维波束模型的LTE异构网络干扰协调方法

摘要

本发明公开了一种基于有源天线三维波束模型的LTE异构网络干扰协调方法，在有源天线三维波束覆盖LTE异构网络中，宏基站采用内外2波束的3D天线进行覆盖，femtocell仍采用传统的全向天线进行热点覆盖，将小区从内到外划分为3个区域，最里面的区域中的宏用户采用内波束进行覆盖，最外面的区域采用外波束进行覆盖，中间环状区域采用2个波束联合处理来提供服务，这样避免干扰，并针对区域中的femtocell进行分簇复用，从而提高femtocell用户的总吞吐量，针对宏小区中的用户，提出一种波束优化算法，进行小区中内外波束的下倾角调整和资源分配，提高了小区边缘宏用户的吞吐量和小区中宏用户的总吞吐量，改善了边缘用户的吞吐量性能。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于有源天线三维波束模型 的LTE异构网络干扰协调方法。

背景技术

在蜂窝网络中，估计有2/3的语音业务和90％以上的数据业务发生在室内。 因此，对于移动运营商来说，为话音、视频以及高速数据业务提供良好的室内 覆盖变得日益重要。正是在这种情况下，业界提出了femtocell技术，也称为 家庭基站技术。Femtocell不用连接到蜂窝核心网，具有安装简单、自配置自由 化、即插即用的特点，和现存的宏基站采用同频组网方式。

在宏蜂窝网络中，引入了femtocell技术，会带来很多优势，但是也会给宏 蜂窝网络带来许多技术挑战。其中，最关键的问题是femtocell与宏蜂窝网络的 干扰管理问题，直接影响到femtocell网络的性能。由于femtocell使用的频段与 现有的宏蜂窝网络使用的授权频段相同，femtocell与宏小区之间的同频干扰将 会直接影响两个网络的性能，同时，femtocell部署的随机性和大规模性，使得 femtocell之间的同频干扰也变得尤为严重。

在LTE-A技术后续演进中，有源天线波束赋形技术在3GPP标准中提出， 可以提高系统的容量。有源天线系统不仅有水平方向的天线阵元，同时也有垂 直方向的天线阵元，每一个天线阵元都有一个独立的射频单元，可以灵活地控 制波束的水平和垂直方向。

当宏基站采用有源天线技术(AAS)进行配置后，即采用LTE三维(3D) 垂直扇区模型，将小区中心和边缘区域分别采用内外2个波束分别进行覆盖， 有效调整内外波束的下倾角，可以提高系统的容量。不过，在LTE异构网络中， 引入了AAS 3D波束模型，宏基站和femtocell之间的干扰就会变得更复杂，不 仅要考虑内外波束的同频干扰，也需要考虑宏小区和微小区的跨层干扰。因此， 针对AAS 3D波束模型的LTE异构网络，需要采用一种有效的干扰协调策略进 行干扰控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于有源天线三维波束模型的LTE异构网络干 扰协调方法，采用AAS 3D波束进行小区覆盖，旨在解决基于AAS 3D波束覆 盖的LTE异构网络中的宏基站和femtocell之间的跨层干扰问题以及内外波束间 的同频干扰问题。通过优化小区中宏用户的功率和调整内外小区的3D波束的 下倾角，减小内外波束间的同频干扰问题，提升小区中宏用户的性能；同时， 有效控制宏小区和femtocell小区之间的干扰并对femtocell进行分簇复用，提高 femtocell用户的总吞吐量。采用本发明，可以提升小区的总吞吐量和小区边缘 宏用户的吞吐量，并保证小区边缘宏用户的公平性。

本发明是这样实现的，一种基于有源天线三维波束模型的LTE异构网络干 扰协调方法，该基于有源天线三维波束模型的LTE异构网络干扰协调方法采用 AAS 3D波束覆盖的LTE异构网络中，宏基站采用内外2波束的3D天线进行 覆盖，femtocell仍采用全向天线进行热点覆盖；将小区从内到外划分为3个区 域，最里面的区域中的宏用户采用内波束进行覆盖，最外面的区域采用外波束 进行覆盖，中间环状区域采用2个波束联合处理来提供服务，并针对区域中的 femtocell进行分簇复用，进行小区中内外波束的下倾角调整和资源分配；

具体包括以下步骤：

步骤一，将小区从里到外依次分为3个区域，最里面区域是采用完全的内 波束进行覆盖，中心的环形区域采用内外2个波束的联合传输进行传输数据， 最外面区域采用外波束进行覆盖；最里面区域为第一区域，中心的环形区域为 第二区域，最外面区域为第三区域；

步骤二，基于门限距离，计算第一区域和第三区域中的联合区域中的每个 femtocell的干扰指示函数和femtocell的干扰度；

步骤三，对第一区域和第三区域中的联合区域中的每个femtocell进行分簇；

步骤四，建立femtocell到用户的信道模型，并基于3D天线模型构建宏基 站到用户的信道增益模型；

步骤五，建立3个区域中宏用户和femtocell用户的信噪比和吞吐量模型；

步骤六，通过最大化小区中宏用户的总吞吐量，进行3D波束优化。

进一步，该基于有源天线三维波束模型的LTE异构网络干扰协调方法的步 骤包括：

步骤一，将小区从里到外依次分为3个区域，第一区域是采用完全的内波 束进行覆盖，第二区域采用内外2个波束的联合传输进行传输数据，第三区域 采用外波束进行覆盖；

步骤二，基于门限距离R_th，计算第一区域和第三区域中的联合区域中的 每个femtocell的干扰指示函数e(ν_i,ν_j),j∈S_F和femtocell的干扰度d_G(ν_i)；

步骤三，将第一区域和第三区域中的联合区域中的femtocell进行分簇；

步骤四，建立femtocell到用户的信道模型，并基于3D天线模型构建宏基 站到用户的信道增益模型；

步骤五，建立3个区域中宏用户和femtocell用户的信噪比和吞吐量模型；

步骤六，针对进行小区宏用户吞吐量进行优化，提出3D波束优化算法。

进一步，步骤一具体包括：

第一步，划分中心区域和边缘区域，第一区域为中心区域，中心区域范围 为0～r米，边缘区域范围为r～R米，本发明中的边缘区域包括第二区域和第 三区域；

第二步，第一区域完全由下倾角为θ₁的3D天线内波束进行覆盖，第三区 域完全由下倾角为θ₂的3D天线外波束进行覆盖，第二区域中用户由内外2个 波束联合进行传输数据。

进一步，步骤二具体包括：

第一步，用femtocell之间的干扰指示函数e(ν_i,ν_j),j∈S_F来表示femtocell 之间的干扰情况：

$e(v_i,v_j)=\left(\begin{array}{cc}1& R(i,j)<R_{\mathrm{th}}\\ 0& R(i,j)\ge R_{\mathrm{th}}\end{array}\right);$

其中，R_th表示门限距离，R(i,j)表示第i个femtocell与第j个femtocell之 间的距离，S_F表示参与分簇的femtocell集合，|S_F|表示集合S_F中femtocell的数 目，并规定e(ν_i,ν_i)＝0，即femtocell自身之间数不存在碰撞干扰的；

第二步，计算每个femtocell的干扰度，用d_G(ν_i)表示：

$d_G\left(v_i\right)=\underset{j=1,j\ne i}{\overset{\left|S_F\right|}{\Sigma }}e(v_i,v_j);$

d_G(ν_i)＝0，则ν_i是一个孤立点，即0度节点，意味着该femtocell与其余的 femtocell均不存在同频碰撞干扰。

进一步，步骤三具体包括：

第一步，初始化分簇数目l＝1，依据每个femtocell的e(ν_i,ν_j)，将第一区域 和第三区域中femtocell，并用V表示参与分簇的femtocell集合，S表示所有没 有干扰的节点(0度节点)集合；

第二步，根据集合V中的femtocell元素构建femtocell的干扰矩阵A(G)，并 计算每个femtocell的干扰度d_G(ν_i)；

第三步，此时干扰矩阵A(G)中有干扰元素，令即返回最 大干扰的femtocell数目为i，同时令d_G(ν_i)＝0，即将A(G)矩阵中第i行第i列的 元素均置为0，并将节点ν_i记录到初始为空集的集合B中，这样不断将最大干扰 元素记录到集合B中，并将干扰矩阵中该元素所在行和列置零，直到A(G)中无 干扰元素为止，这样得到只有剩余节点构成的一组分簇结果R'_l，l＝l+1；

第四步，不能满足矩阵A(G)为全0矩阵且B为空集，则令集合V为集合B， 同时令B为空集，并返回第二步重新构建新干扰矩阵A(G)，得到新的分簇结果 R'_l；如果满足矩阵A(G)为全0矩阵且B为空集，此时集合V不为空集，则V中节 点自成一组；

第五步，将初始的0度节点的集合S集合分配到包含femtocell数目最少的 那组簇中，并结束femtocell分簇算法。

进一步，步骤四具体包括：

第一步，宏基站采用3D波束进行小区覆盖，其水平辐射模型和垂直辐射 模型可以表示如下：

其中，A_E,H(φ)和A_E,V(θ)分别表示水平方向和垂直方向的天线增益，表示 用户的水平角，表示水平半功率波束宽度(HPBW)；A_m表示前后向增益，θ 表示用户的垂直仰角，θ_etilt表示天线的下倾角；θ_3dB表示垂直半功率波束宽度， SLA_v表示旁瓣电平限制；

因此，宏基站到用户的3D天线增益表示如下：

其中，G_E,Max表示该单振子辐射元的最大方向增益(dB)；

第二步，宏基站采用3D天线模型，这样宏基站和femtocell到用户的信道 增益表示为：

其中，α_u,n,M为宏基站到用户u在第n个子载波上的频率选择性瑞利衰落， 为宏基站到用户u的3D天线功率增益，S_u,M为对数阴影衰落，L_u,M则为 宏基站到用户的路径损耗；

第三步，femtocell采用传统的天线，这样femtocell到用户的增益表示为：

G_k,n,f＝(α_k,n,f)²A_fS_k,f/L_k,f；

其中，α_k,n,f为femtocell基站到用户k在第n个子载波上的频率选择性瑞利 衰落，A_f为femtocell天线的增益，S_k,f为对数阴影衰落，L_k,f则为femtocell到 用户k的路径损耗。

进一步，步骤五具体包括：

第一步，在内波束覆盖的区域第一区域中的宏用户和femtocell用户的信噪 比表示为：

${\mathrm{SINR}}_{u_1,n,M}^I=\frac{p_1{G}_{u_1,n,M}^I\left({\theta }_1\right)}{\underset{f\in A_n}{\Sigma }{p}_f{G}_{u_1,n,f}^I+{\sigma }^2};$

${\mathrm{SINR}}_{k_1,n,f}^I=\frac{p_f{G}_{k_1,n,f}^I}{\underset{f^{\prime }\in A_n,f^{\prime }\ne f}{\Sigma }{p}_f{G}_{u_1,n,f^{\prime }}^I+p_1{G}_{k_1,n,M}^I\left({\theta }_1\right)+{\sigma }^2};$

上式中，p₁表示内波束中宏基站的发射功率，表示宏基站内波束 到第一区域中宏用户u₁的信道增益，p_f为femtocell的发射功率，表示 femtocell到其服务的FUE用户k₁的信道增益，A_n表示使用子载波n的femtocell 的集合，σ²为高斯白噪声；

第二步，在内外波束之间的第二区域中，由于采用JP方式进行数据传输， 对于第二区域中的宏用户，这2个波束都传输有用信号；对于第二区域中的 femtocell用户，宏基站的这2个波束信号都是干扰信号；这样在第二区域中 MUE和FUE的信噪比如下：

${\mathrm{SINR}}_{u_2,n,M}^C=\frac{p_1{G}_{u_2,n,M}^C\left({\theta }_1\right)+(P-p_1)G_{u_2,n,M}^C\left({\theta }_2\right)}{\underset{f\in A_n}{\Sigma }{p}_f{G}_{u_2,n,f}^C+{\sigma }^2}$

${\mathrm{SINR}}_{k_2,n,f}^C=\frac{p_f{G}_{k_2,n,f}^C}{\underset{f^{\prime }\in A_n,f^{\prime }\ne f}{\Sigma }{p}_f{G}_{k_2,n,f^{\prime }}^C+p_1{G}_{u_2,n,M}^C\left({\theta }_1\right)+(P-p_1)G_{u_2,n,M}^C\left({\theta }_2\right)+{\sigma }^2};$

公式中，表示宏基站内波束到第二区域中宏用户u₂的信道增益， 表示宏基站外波束到用户u₂的信道增益，表示Femtocell到FUE 用户k₂的信道增益，P表示宏基站分配一个资源块的最大功率；

第三步，在外波束覆盖的区域，第三区域中MUE和FUE的信噪比，和第 一区域中信噪比类似，表示如下：

${\mathrm{SINR}}_{u_3,n,M}^E=\frac{(P-p_1)G_{u_3,n,M}^E\left({\theta }_2\right)}{\underset{f\in A_n}{\Sigma }{p}_f{G}_{u_3,n,f}^E+{\sigma }^2}$

${\mathrm{SINR}}_{k_3,n,f}^E=\frac{p_f{G}_{k_3,n,f}^E}{\underset{f^{\prime }\in A_n,f^{\prime }\ne f}{\Sigma }{p}_f{G}_{k_3,n,f^{\prime }}^E+\left({P-p}_1\right)G_{k_3,n,M}^E\left({\theta }_2\right)+{\sigma }^2};$

公式中，表示宏基站外波束到第三区域中宏用户u₃的信道增益， 表示femtocell到宏用户u₃的信道增益，表示femtocell到FUE用户k₃的信道增益，表示宏基站外波束到FUE用户k₃的信道增益；

第四步，计算所有的用户的速率得到系统中宏用户总的吞吐量R^M和 femtocell总的吞吐量和R^F，表示如下：

$\left(\begin{array}{c}{R}^M=B(\underset{u_1=1}{\overset{U_1}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N_m}{\Sigma }}{\alpha }_{u_1,n}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{u_1,n,M}^I)+\underset{u_2=1}{\overset{U_2}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N-N_m}{\Sigma }}{\beta }_{u_2,n}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{u_2,n,M}^C)\\ +\underset{u_3=1}{\overset{U_3}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N_m}{\Sigma }}{\gamma }_{u_3,n}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{u_3,n,M}^E))\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{R}^F=B(\underset{k_1=1}{\overset{K_1}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N_m}{\Sigma }}{\gamma }_{k_1,n}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{k_1,n,f}^I)+\underset{k_2=1}{\overset{K_2}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N-N_m}{\Sigma }}{\nu }_{k_2,n}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{k_2,n,f}^C)\\ +\underset{k_3=1}{\overset{K_3}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N_m}{\Sigma }}{\omega }_{k_3,n}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{k_3,n,f}^E))\end{array}\right)$

其中，B为每个用户所使用的资源带宽，N_m为第一区域中用户可以使用的 载波总数，U₁,U₂,U₃分别是3个区域中宏用户的总数目，K₁,K₂,K₃为3个区域 中的femtocell用户总数，表示载波指示函数， 每个用户最多分配到一个资源块，取1表示表示分配到载波资源；否则，表示 没有分配到载波资源。

进一步，步骤六具体包括：

第一步，初始化功率p₁和内外波束下倾角θ₁,θ₂，根据已分好簇的femtocell， 并确定femtocell对宏用户的干扰并计算迭代次数n＝0时的宏基站的总吞吐量 $R_0^M;$

第二步，计算宏基站对femtocell的干扰，并按照信噪比由高到低的顺序， 依次进行femtocell用户和宏用户的载波资源的分配：