[发明专利]多小区多用户3D-MIMO波束赋形方法

摘要

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。

主权项

1.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，Bm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，Hm，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，wm，k是第m个小区中第k个用户终端的波束赋形矢量，sm，k是第m小区基站向第k个用户终端发送的复数信号，k∈Bm，Hi，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，Nm，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，Nm，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：式中，是第m小区中第k个用户接收端波束赋形矢量的共轭转置，wy_m，k为第m小区基站发送给该小区第k个用户终端的竖直维波束赋形矢量，B_i是第i小区基站联系的用户终端集合，i≠m；(2)水平维波束赋形：让第m小区基站发出的信息落该小区第k个用户终端上，使得泄漏到其他用户上的信息为零，对第m小区基站中第k个用户终端接收到的信号水平维波束赋形，水平维波束赋形方法为第m小区基站与该小区第k个用户终端的水平维度信道函数Hxm，k与该小区第k个用户终端的水平维度波束赋形矢量wxm，k相乘为1，其余小区基站与第m小区中第k个用户终端的水平维度信道函数和第m小区中第k个用户终端的水平维度波束赋形矢量相乘为0；(3)竖直维波束赋形：根据博弈论第m小区基站对该小区第k个用户终端采取策略，第m小区基站对该小区第k个用户终端的自私博弈竖直维波束赋形矢量为第m小区基站调度除第k个用户以外的其他任意一个用户终端的自私博弈的竖直维波束赋形矢量记为则第m小区基站自私博弈情况下的效用函数为：式中，Hy_i，k是第i小区基站与该小区第k个用户终端的竖直维度信道矩阵，是第i小区基站对该小区第n个用户终端的自私博弈竖直维波束赋形矢量；上述效用函数构成的叶斯静态自私博弈对于第m小区基站选定的策略存在贝叶斯纳什均衡，则第m小区基站对该小区第k个用户终端的自私博弈的竖直维波束赋形矢量为：式中，V^max表示矩阵的最大特征值对应的特征向量，为自私博弈矩阵；利他博弈使自身通信链路对其他通信链路造成的干扰最小，则第m小区基站利他博弈情况下的效用函数为：式中，为第m小区基站对该小区第k个用户终端的利他博弈竖直维波束赋形矢量，为第m小区基站调度除第k个用户以外的其他任意一个用户终端的利他博弈竖直维波束赋形矢量，为第i小区基站对该小区第n个用户终端波束赋形矢量的共轭转置；根据利他博弈的贝叶斯纳什均衡，则第m小区基站对该小区第k个用户终端的利他博弈的竖直维波束赋形矢量为：式中，V^min表示矩阵的最小特征值对应的特征向量，为利他均衡矩阵；在竖直维度上的波束赋形力求最大化信号信息，减少相同小区和相邻小区用户终端间干扰，则优化目标函数为：||wym，k≤1||式中wym，k为第m小区中第k个用户终端的竖直方向波束赋形矢量，R为第m小区中第k个用户终端的系统容量；将自私均衡和利他均衡线性组合，得出第m小区中第k个用户终端的竖直方向波束赋形矢量wym，k，组合系数为：式中N_i，u是第i小区基站与第u个用户终端形成信道中的加性高斯白噪声，N_i，u服从(0，1)的正态分布，wy_i，u第i小区中第u个用户终端的竖直方向波束赋形矢量，为第i小区基站对该小区第u个用户终端波束赋形矢量的共轭转置，Hy_i，u是第i小区基站与该小区第u个用户终端的竖直维度信道矩阵；对组合系数β进行估计，利用组合系数β的数学期望代替瞬时组合系数，组合系数β的数学期望为：式中，P为功率、取值为1，αi，u是第i小区基站对该小区第u个用户发射的直通链路信号强度，αm，k是第m小区基站对该小区第k个用户发射的直通链路信号强度；最后，通过迭代求出第m小区中第k个用户终端的竖直方向波束赋形矢量wym，k，迭代步骤如下：S1：将初始波束赋形矢量wym，k设为随机矢量，m＝(1，2，...，M)，k＝(1，2，...，K)；S2：计算出每个用户终端的接收波束赋形矢量Vm，k，并计算第m小区中第k个用户终端的系统容量R；S3：用组合系数估计方法推得的组合系数的数学期望代替组合系数，并计算自私均衡矩阵和利他均衡矩阵，得到新的波束赋形矢量；S4：重复步骤S2和S3，直到第m小区中第k个用户终端的系统容量R收敛为止；(4)3D‑MIMO的波束赋形第m个小区中第k个用户终端的波束赋形矢量：wm，k＝wxm，k×wym，k。