一种垂直扇区劈裂的下倾角优化和功率分配方法

摘要

本发明公开了一种垂直扇区劈裂的下倾角优化和功率分配方法，包括以下步骤：构建下行链路系统，所述下行链路系统包括C个小区，每个小区内分布有K个用户和N个频率资源块；每个小区包括内扇区和外扇区，内扇区和外扇区中均复用的N频率资源块；每个小区覆盖有1个基站，每个基站设置有N

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种垂直扇区劈裂的下倾角优化和功率分配方法。

背景技术

最新LTE-A标准把下行链路和上行链路的数据传输速率的目标分别定为1Gbps和500Mbps，甚至比5G无线系统要求更高。为了达到这样的目标，很多方案被提出来，例如大规模多输入多输出系统(MIMO)，有源天线系统(AAS)等。与大规模MIMO系统不同，AAS不需要在基站(BS)设置数百或者更多的天线。AAS可以形成两个或两个以上的波束，其下倾角可远程调节，而传统天线需要去天线的放置处实地操作。因此，AAS可以在传统扇区里根据网络的实际情况优化下倾角，从而提供了更好的灵活性，可提高系统性能。作为AAS的一个关键特性，垂直扇区劈裂方法能够在传统宏小区中形成新的垂直子扇区，指向每个子扇区的垂直波束具有不同的下倾角，每个子扇区可以复用原来的频率资源，提高了频率资源的利用率。然而，AAS面临的挑战之一是如何将全部的传输功率分给不同的子扇区。另外，裂化成更多的子扇区后，位于小区边缘的用户数量增加，由于受到干扰的影响，这些用户的数据率将会降低。

文献“S.E.Nai,Z.Lei,S.H.Wong,and Y.H.Chew,“Optimizing radionetworkparameters for vertical sectorization via Taguchi’s method,”IEEETrans.Vehi.Tech.,vol.64,2016.”中研究了垂直扇区化的网络参数优化，这些网络参数根据Taguchi方法模型进行调整，但是没有提供数学分析。文献“O.Nuri and C.Yilmaz,“Self-optimization of coverage and capacity inLTE using adaptive antennasystems,”Aalto University,2010”中的性能是基于用户在同一水平面上均匀分布的假设来进行分析的。本发明中所考虑的是用户分布在三维场景。具体为，根据3GPP协议标准“TR36.873Study on 3D channel model for LTE,3GPP Std.,Rev.12.2.0,Jul.2015.”，部分用户均匀分布在同一水平面上，部分用户在高层建筑中。本发明综合考虑垂直扇区劈裂的下倾角和功率分配策略的优化。首先推导得出垂直扇区裂化后系统的解析表达式，然后基于该表达式构造问题，提出了一种优化裂化扇区下倾角和分配功率的方法。本发明方法的性能优于已有的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直扇区劈裂的下倾角优化和功率分配方法，解决了现有技术中垂直劈裂中处于子扇区边缘用户数据率减小的问题。本发明首先推导得出垂直扇区裂化后系统的解析表达式，然后基于该表达式构造问题，提出了一种优化裂化扇区下倾角和分配功率的方法。本发明方法的性能优于已有的方法。

本发明所采用的技术方案是，

一种垂直扇区劈裂的下倾角优化和功率分配方法，包括以下步骤：

步骤1，构建下行链路系统，所述下行链路系统包括C个小区，每个小区内分布有K个用户；每个小区被垂直劈裂成内扇区和外扇区；每个小区复用N个频率资源块；

每个小区覆盖有1个基站，每个基站设置有N_t根发射天线，每个小区的总发射功率为P；

步骤2，设每个小区的总发射功率P被均匀分配给该小区的内扇区和外扇区；

设用户k所在的小区为小区c，当用户k被调度时，通过式(20)得到小区c中内扇区的最优下倾角和外扇区的最优下倾角

其中，k＝1,2,...,K,

R_c为小区c的内扇区或外扇区中的所有频率资源块上的可达数据传输速率之和，v＝0和v＝1，分别代表内扇区和外扇区，n＝1,2,...,N，是从用户k到小区i中的第v个扇区的大尺度信道信息，c＝1,2,...,C，i＝1,2,...,C,i≠c，是小区c的第v个扇区在频率资源块n上分配给用户k的功率；

步骤3，根据步骤2得到的小区c中内扇区的最优下倾角和外扇区的最优下倾角通过式(21)得到小区c中内扇区和外扇区的最优功率：

其中，R_c为小区c的内扇区或外扇区中的所有资源块上的可达数据传输速率之和，v＝0和v＝1，分别代表内扇区和外扇区，n＝1,2,...,N，是从用户k到小区i中的第v个扇区的大尺度信道信息，是小区c的第v个扇区在频率资源块n上分配给用户k的功率，R₀为每个被调度用户的最小数据传输速率，R₀＞6bps。

进一步地，步骤2中通过式(20)得到小区c中内扇区和外扇区的最优下倾角包括：

步骤21，设小区c的外扇区的最优下倾角和小区c的下倾角相同；

步骤22，设定阈值角度φ_th；

步骤23，设若使得式(20)中的R_c取得最大值，则内扇区的最优下倾角

进一步地，步骤3中通过式(21)得到小区c中内扇区和外扇区的最优功率，包括：

步骤31，设小区c中内扇区的用户数为K′；从内扇区的用户中任选一用户作为内扇区用户k′,k′＝1,2,..,K′；

步骤32，若给内扇区用户k′调度的最小资源块数M_k′大于每个内扇区用户的资源块数M₀，则将内扇区用户k′放入集合A中；其中，R_k′为内扇区用户k′在每个资源块上的平均数据率，

步骤33，重复步骤31至32，直至小区c中内扇区的所有用户都被作为内扇区用户k′，得到集合A＝{K_t′,K_t′+1,...,K_i′}；其中K_t′≥1；

步骤34，如果K_t≤k′≤K_i-K_t+1，则给内扇区分配的资源块数量为如果K_i-K_t+1≤k′≤K_i，则给内扇区分配的资源块数量为如果k′≤K_t-1，则分配的资源块数量为M_k′，其中

本发明的有益效果是

本发明与已有方法相比，联合优化了垂直劈裂扇区的下倾角和功率分配策略，与已有的方法相比可以极大地提升系统的整体性能。具体表现为：

1)联合考虑了垂直劈裂扇区的下倾角和功率分配策略，可以为系统提供更好的性能；

2)根据3GPP协议标准，考虑了用户在3维空间分布的一种典型场景；

3)本发明所提出的方法在小区边缘数据率和小区总数据率方面的性能都优于已有方法。

附图说明

图1在不同内扇区下倾角的情况下，系统平均数据传输速率的性能；

图2只考虑垂直扇区下倾角优化的性能曲线；

图3是本发明的方法和只考虑下倾角优化以及未优化下倾角和功率的性能曲线对比图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例提供了一种垂直扇区劈裂中的下倾角优化和功率分配方法，具体包括以下步骤：

步骤1，构建下行链路系统，所述下行链路系统包括C个小区，每个小区内分布有K个用户和N个频率资源块；本实施例中，每个小区被垂直劈裂为两个扇区，分别为内扇区和外扇区，基站天线形成两束具有不同下倾角的垂直波束，分别指向内外两个扇区，内扇区和外扇区均复用N个资源块；

每个小区覆盖有1个基站，每个基站设置有N_t根发射天线，每个小区的总发射功率为P；将一个小区垂直劈裂之后内扇区和外扇区的总发射功率为P；

根据3GPP协议标准“TR 36.873Study on 3D channel model for LTE,3GPPStd.,Rev.12.2.0,Jul.2015.”，针对用户k和c小区内的基站，内

外扇区的水平、垂直以及全部天线方向图可分别建模为如下表达式：

其中，θ_c和θ_3dB分别是c小区的水平波束视轴角和半功率波束宽度。和φ_3dB分别是从用户k到c小区基站的垂直角度，内扇区(v＝0)和外扇区(v＝1)的垂直下倾角以及垂直半功率波束带宽。A_m是前后比，SLV是旁瓣衰减。

假定一个扇区有N个资源块(RBs)，且所有扇区都复用所有的频率资源。当用户k被调度时，c小区的内扇区或外扇区中的资源块n上接收到的信号可以表示为：

其中，是从用户k发送到i小区中第v个扇区基站的大尺度信道信息，并且是总体天线方向图的函数。因此，这也是下倾角的函数。在(4)式中，是从用户k发送到小区i中第v个扇区基站的小尺度信道信息，分别是正规化迫零预编码向量，信号发射功率和用户k'在i小区中第v个扇区中提供服务的基站上的发射信号。是用户k在提供服务的c小区中第v个扇区内资源块n上产生的噪声。噪声服从复高斯分布，

从(4)式可知，当用户k被调度，c小区中内扇区或外扇区中资源块n上的可达数据传输速率可表示为：

根据文献“J.Fan,Z.Xu,and G.Y.Li,“Performance analysis of MU-MIMOindownlink cellular networks,”IEEE Commun.Lett.,vol.19,no.2,pp.223–226,2015.“，表达式(5)可以近似化简为

其中，是噪声功率。

在(6)式中，和是用户k在小区c的内或外扇区资源块n上的信号功率和噪声功率，可分别表示为

和

其中，

且

由于和服从伽玛分布，尺度参数如下

形状参数如下

所以，

且

因此，(6)式可以表示为

小区c中总体可达数据传输速率可表示为

此速率是下倾角和发射功率的函数。

假定所有小区的内扇区和外扇区设有同样的下倾角，指定Φ为下倾角φ^(v)的集合，v＝0和1分别代表内扇区和外扇区。Ρ表示功率的集合，为所有用户在所有小区内外扇区中的资源块上的功率。于是，问题可以构造为

s.t.

φ_m＜φ^(v)＜φ_max(19a)

对于v＝0和1，且有

对于c＝1,...,C。其中，(19a)式中的φ_min和φ_max分别是下倾角的最小值和最大值，(19b)式中的P是一个小区内总发射功率，且会被内外扇区共享。显而易见，如果则用户k没有使用资源块n。

由于(19)-(19b)中的问题是非凸的，故难以实现。因此我们将问题划分为两个子部分，分别是下倾角优化和功率分配部分。首先，我们为每一个垂直扇区搜寻最佳的下倾角，然后通过在用户间重分配功率来优化功率分配，以补偿低数据率的用户。

步骤2，假设总发射功率P被均匀分配给每个小区的内扇区和外扇区；

当用户k被调度时，设用户k所在的小区为小区c，通过式(20)得到小区c中内扇区和外扇区的最优下倾角

其中，R_c为小区c的内扇区或外扇区中的所有资源块上的可达数据传输速率之和，式中，v＝0和v＝1，分别代表内扇区和外扇区，n＝1,2,...,N，是从用户k到小区i中的第v个扇区的大尺度信道信息，是小区c的第v个扇区在频率资源块n上分配给用户k的功率。其中，

为了解决这个问题，可以先寻找一个阈值角度φ_th，来指向内扇区的边界，然后分别在区域φ^(v)∈[φ_min,φ_th]和φ^(v)∈[φ_th,φ_max]搜寻最优的内扇区和外扇区下倾角，以使式(20)中的R_c达到最大。

尽管执行穷尽搜索可以找到最优下倾角，但这种方式耗费时间。因此，我们在这里提出一个子优化下倾角优化算法，包括：

步骤21，设小区垂直劈裂后外扇区的最优下倾角和小区的下倾角相同，传统小区在布置系统时根据小区的参数一次性优化设置下倾角，之后下倾角设置为固定值，不会根据系统中用户的实际分布进行优化。

步骤22，设定阈值角度φ_th；

步骤23，设其中为下倾角可设置的最大值，若使得式(20)中的R_c取得最大值，则内扇区的最优下倾角

步骤3，传统小区的总发射功率被两个垂直扇区共享。此外，当有更多子扇区时，分布在小区边界的用户增多，因次这些用户的性能可能会下降。所以此处提出的功率分配方案是为了确保或补偿那些由于垂直扇区分裂而导致性能下降的用户，尤其是那些内扇区边界上，原先处在小区中心的用户。如果内外扇区的下倾角已经在下倾角优化部分被确定，且均匀数量的资源块被分配给每个被调度的用户。

因此，根据步骤2得到的小区c中内扇区和外扇区的最优下倾角通过式(21)得到小区c中内扇区和外扇区的最优功率：

其中，R_c为小区c的内扇区或外扇区中的所有资源块上的可达数据传输速率之和，式中，v＝0和v＝1，分别代表内扇区和外扇区，n＝1,2,...,N，是从用户k到小区i中的第v个扇区的大尺度信道信息，是小区c的第v个扇区在频率资源块n上分配给用户k的功率，

表示分配给用户k的所有资源块上的总数据率大于R₀，其中R₀为每个被调度用户的最小数据传输速率，R₀大于6bps。

步骤3中通过式(21)得到小区c中内扇区和外扇区的最优功率，包括：

步骤31，设小区c中内扇区的用户数为K′；从内扇区的用户中任选一用户作为内扇区用户k′,k′＝1,2,..,K′；

步骤32，若给内扇区用户k′调度的最小资源块数M_k′大于每个内扇区用户的资源块数M₀，则将内扇区用户k′放入集合A中；其中，R_k′为内扇区用户k′在每个资源块上的平均数据率，

步骤33，重复步骤31至32，直至小区c中内扇区的所有用户都被作为内扇区用户k′，得到集合A＝{K_t′,K_t′+1,...,K_i′}；其中K_t≥1，K′≤K′；

步骤34，如果K_t≤k′≤K_i-K_t+1，则给内扇区用户k′分配的资源块数量为如果K_i-K_t+1≤k′≤K_i，则给内扇区分配的资源块数量为如果k′≤K_t-1，则分配的资源块数量为M_k′。

由于分配给每个用户的功率＝分配给每个用户的资源块数量×每个资源块上的功率，所以得到内扇区用户k′分配的资源块数量，即可得到分配给内扇区用户k′的功率。

上述方法是通过改变分配给用户的资源块数量来控制分配给内扇区边界用户的功率。此外，在提出的算法中，每个资源块上的功率是相同的，但是分配给每一个用户的总功率由该用户使用的资源块数量决定。

实验结果

在LTE-A下行链路蜂窝网络中，我们评估了垂直扇区和传统网络中已经被提出的体系的性能。在这个仿真中，一个有19个小区的传统环绕式布局，小区站间距是500m.该基站总的传输功率设置为46dBm，系统的带宽为10MHz，载波频率为2GHz。我们设置热噪声光谱密度为-174dBm/Hz.除此之外，基站的传输天线数为4，垂直半波功率波束宽度为8度，而最大天线增益，前后比，垂直的旁瓣衰减分别设置为18，25，20dB。天线高度为25米。如果不考虑功率优化，每一个小区会被垂直扇区化为两个功率相等的扇区。用户分布考虑了高层建筑可能出现的情况，50％的用户在同一水平面进行分配，剩余的用户在高层进行分配(高层建筑位于小区边界)。因此，假设在高层建筑的用户接近外扇区，其余用户接近内扇区。

图1描述了在不同内部扇区下倾角的情况下，平均系统数据传输速率的性能。从这个图中可以看出，平均系统数据传输速率先增长到最大值，当内扇区下倾角大于固定外扇区下倾角时平均系统数据传输速率减小。因此该下倾角优化方案是有效的，也可以找到在这个小场景中倾斜搜索区域的优化内扇区下倾角。

图2说明了下倾角优化和统一功率分配的用户吞吐量累计密度函数(CDF)，证明了关于外扇区的小区边缘和整个小区的性能。垂直扇区的功率配置为原来的一半后，外扇区的扇区间干扰减少，从而提高了外扇区的性能。由于垂直扇区后的附加扇区间的干扰，使得内扇区边界用户(垂直扇区前的中心小区用户)的性能恶化。从图中可以得到，垂直扇区有效提高了整个系统的性能但是恶化了小区边界的性能。

图3说明了功率优化之后的用户吞吐量累计密度函数(CDF)。正如前面所提到的，通过调节传输功率，使功率分配补偿了这些扇区边界用户，尤其是内扇区边界用户。从图中可以得到，基于该算法可以提高整个小区和小区边界的性能。