[发明专利]多小区多用户3D-MIMO波束赋形方法

说明书

多小区多用户3D‑MIMO波束赋形方法，本发明将3D信道分成两个独立的2D信道，分别进行赋型，在水平维度上，利用矩阵运算使得目标用户对其他用户的干扰最小，竖直维度上利用经济学中博弈论的思想，让目标用户自身信息量最大，并同时使得泄漏到同小区或邻小区用户上的信息尽可能最小，最终达到所有用户的总系统容量最大。

技术领域

本发明属于无线电传输技术领域，具体涉及到一种多小区多用户3D-MIMO波束赋形方法。

背景技术

随着5G时代的到来，数据流量进入了一个大爆炸的时代，在未来的移动通信行业内，对于更高数据量的需求成为了一个亟待解决的问题，MassiveMIMO的出现使得数据的增长得到一定的缓和，但这并不是最终的解决方案，由此，对于移动通信的研究从传统的2D-MIMO转入了3D-MIMO。

3D-MIMO相比传统2D-MIMO而言，在水平维度的基础上增加了竖直维度，使得天线不仅能在水平维度上的传输进行自由的切换，也能在竖直维度上进行切换。针对于3D-MIMO波束赋形方案主要有4种。基于克罗内克积的3D预编码(波束赋形)设计，在得出3D信道相关矩阵可以很好地近似等于水平维和垂直维信道相关矩阵的克罗内克积的前提下。选取水平维信道相关矩阵的特征向量作为水平维预编码矩阵，选取垂直维信道相关矩阵的特征向量作为垂直维预编码矩阵，利用克罗内克积得出3D预编码矩阵。基于点积的预编码(波束赋形)设计，其设计思路源于SVD算法，将3D信道矩阵等效成一列，对该列中的第一行向量做奇异值分解，所有行向量奇异值分解的集合即为水平预编码矩阵；同样，将3D信道矩阵等效成一行，对该行中的第一列向量做奇异值分解，所有列向量奇异值分解的集合即为垂直预编码矩阵。3D预编码矩阵即为水平预编码矩阵和垂直预编码矩阵的点积。等价信道的预编码[7](波束赋形)设计，将信道矩阵等效成一行，该行中每一列向量作为基站与用户之间的子信道，对所有子信道进行奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)，选取主特征向量的集合作为垂直维预编码矩阵。水平维预编码等效矩阵为信道矩阵与垂直维预编码矩阵的乘积，3D预编码矩阵为垂直预编码矩阵和水平预编码矩阵的乘积。这三种预编码设计方案所得到的方案，都要针对本方案设计出3D编码码本，也就是说当前的2D编码码本是不可用的，且算法中对矩阵进行分解的步骤较为复杂；信道分离的预编码(波束赋形)设计方案，将3D信道模型等效成两个独立的2D信道模型，一部分进行水平维预编码的设计，另一部分进行垂直维预编码的设计，3D预编码即为两种预编码的结合。但此方案中分别对垂直维和水平维进行波束赋形的算法仍使用的是传统2D波束赋形算法中的MMSE算法，造成了赋型方案不能完全适应3D-MIMO信道。

发明内容

本发明提供一种设计合理、均衡资源分配、防止信息泄露和干扰的多小区多用户3D-MIMO波束赋形方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：多小区多用户3D-MIMO波束赋形方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)建立系统模型

采用M个小区基站和每个小区基站联系有K个用户终端建立模型，M和K的取值均为有限正整数，B_m表示第m小区基站联系的用户终端集合，第m小区基站对该小区中第k个用户终端发出的信号为：

式中，H_m，k是第m个小区和该小区第k个用户终端之间的信道函数，w_m，k是第m个小区中第k个用户终端的波束赋形矢量，S_m，k是第m小区基站向第k个用户终端发送的复数信号，k∈B_m，H_i，k是第i个小区和该小区第k个用户终端之间的信道函数，i≠m，N_m，k是第m小区基站与第k个用户终端形成信道中的加性高斯白噪声，N_m，k服从(0，1)的正态分布；

第m小区中第k个用户终端对接收到的信号波束赋形后输出信号为：