[发明专利]一种多小区OFDMA网络下鲁棒性的三维波束赋形方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种三维波束赋形方法，特别涉及一种多小区正交频分多址接入(OFDMA)网络下鲁棒性的三维波束赋形(3D MIMO Beamforming)方法，属于通信技术领域。 

背景技术

新一代移动通信系统(如LTE,WiMAX)普遍采用正交频分多址(OFDMA)技术，希望频率复用因子尽可能接近1以提高频谱效率。降低复用因子加剧了小区间共信道干扰(CCI)，使其成为制约系统容量的瓶颈。近年来提出的基站协作技术通过共享多小区用户信息，协同调整多个基站的物理层与链路层参数以降低CCI，理论性能显著优于传统的抑制CCI方法。 

随着智能手机的普及以及无线多媒体应用的快速增长，无线数据的需求也大幅增加。MIMO技术可以在不增加带宽以及发送功率的情况下，提高系统的信道容量，因而成为无线通信领域中研究的最广泛的技术之一。现有的MIMO技术大多只考虑水平天线模式或方位角分量，而忽略了垂直天线模式或下倾角，这并不符合实际的无线信道情况。3D MIMO由于其更大的自由度，实现了信道和天线模型的三维化，更加贴切地反映了实际的MIMO信道，因而成为未来无线通信系统的候选技术之一。 

与传统的波束赋形技术相比，三维波束赋形(3D MIMO Beamforming)技术可以进一步减小小区间的干扰，并且可以通过下倾角的自适应调整减小导频信号间的干扰，因而获得了越来越多的关注。三维波束赋形(3D MIMO Beamforming)既在水平方向，又在垂直方向形成波束，充分发掘空间三维自由 度，进而提高系统吞吐量和频率效率，满足日益增长的数据业务的需求，是MIMO技术未来很有潜力的方向之一。如图1所示，传统的2D Beamforming，可以区分水平方向的用户UE2和UE3，但是当用户UE1和UE2在相同的水平方向时，传统的Beamforming无法对用户进行区分，但是这两个用户到基站的竖直角度不相同，所以可以通过竖直方向波束对用户进行区分，如UE4和UE5。 

三维波束赋形(3D MIMO beamforming)要求基站知道完美的信道状态信息(Channel state information，CSI)。但是在实际场景下，基站很难获得完美的信道状态信息。一方面，因为信道状态信息通常是由信道估计和信道反馈来获得的，然而有限的反馈或者时延都会导致信道不准确。另外，用户的快速移动以及信道的时变特性也会影响信道估计的精度。信道估计的不准确性会产生信道估计误差，这将大大降低系统的性能。另一方面，在3D MIMO中，需要估计额外的系统参数，增加了一个自由度，因而获得可靠的CSI更加困难。因此，三维波束赋形的鲁棒性设计成为了一个关键性问题。 

发明内容

本发明的目的是为解决3D MIMO中存在的信道估计误差问题，提出了一种多小区OFDMA网络下三维波束赋形的鲁棒性设计方法，应用该方法，可以在信道估计有误差并且保证接收端用户服务质量(QoS)的前提下，鲁棒性地使基站总功率最小。 

本发明方法的思想是首先根据信道误差模型，利用机会约束优化方法，将不确定的约束条件转化为概率模型，然后利用衰落信道的统计分布，将概率约束条件转换为确定的约束条件，最后提出了一种分布式波束赋形算法以达到优化基站发射功率的目的。 

本发明方法是通过如下技术方案实现的： 

一种多小区OFDMA网络下鲁棒性的三维波束赋形方法，包括以下步骤： 

步骤1，首先网络中各基站定期根据自身服务用户UE的位置(一定的方位 角φ和下倾角θ)根据下式计算水平天线增益A_H(φ)和垂直天线增益A_V(θ)：