技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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
[0006] 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。
[0007] 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；
[0008] 具体包括以下步骤：
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 步骤四，建立femtocell到用户的信道增益模型，并基于3D天线模型构建宏基站到用户的信道增益模型；
[0013] 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；
[0014] 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。
[0015] 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：
[0016] 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；
[0017] 步骤二，基于门限距离Rth，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dG(νi)；
[0018] 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；
[0019] 步骤四，建立femtocell到用户的信道增益模型，并基于3D天线模型构建宏基站到用户的信道增益模型；
[0020] 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；
[0021] 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。
[0022] 进一步，步骤一具体包括：
[0023] 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；
[0024] 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。
[0025] 进一步，步骤二具体包括：
[0026] 第一步，用femtocell之间的干扰指示函数 来表示femtocell之间的干扰情况：
[0027]
[0028] 其中，Rth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，SF表示参与分簇的femtocell集合，|SF|表示集合SF中femtocell的数目，并规定e(νi,νi)＝0，即femtocell自身之间是不存在碰撞干扰的；
[0029] 第二步，计算每个femtocell的干扰度，用dG(νi)表示：
[0030]
[0031] dG(νi)＝0，则νi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。
[0032] 进一步，步骤三具体包括：
[0033] 第一步，初始化分簇数目l＝1，依据每个femtocell的e(νi,νj)，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；
[0034] 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dG(νi)；
[0035] 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dG(νi)＝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νi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；
[0036] 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；
[0037] 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。
[0038] 进一步，步骤四具体包括：
[0039] 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：
[0040]
[0041]
[0042] 其中， 和AE,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)；Am表示前后向增益，θ表示用户的垂直仰角，θetilt表示天线的下倾角；θ3dB表示垂直半功率波束宽度，SLAv表示旁瓣电平限制；
[0043] 因此，宏基站到用户的3D天线增益表示如下：
[0044]
[0045] 其中，GE,Max表示单振子辐射元的最大方向增益(dB)；
[0046] 第二步，宏基站采用3D天线模型，这样宏基站到用户的信道增益表示为：
[0047]
[0048] 其中，αu,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天线增益，Su,M为对数阴影衰落，Lu,M则为宏基站到用户的路径损耗；
[0049] 第三步，femtocell采用传统的天线，这样femtocell到用户的信道增益表示为：
[0050] Gk,n,f＝(αk,n,f)2AfSk,f/Lk,f；
[0051] 其中，αk,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，Af为femtocell天线的增益，Sk,f为对数阴影衰落，Lk,f则为femtocell到用户k的路径损耗。
[0052] 进一步，步骤五具体包括：
[0053] 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：
[0054]
[0055]
[0056] 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，pf为femtocell的发射功率， 表示femtocell到其服务的FUE用户k1的信道增益，An表示使用子载波n的femtocell的集合，σ2为高斯白噪声；
[0057] 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：
[0058]
[0059]
[0060] 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；
[0061] 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：
[0062]
[0063]
[0064] 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；
[0065] 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RM和femtocell总的吞吐量和RF，表示如下：
[0066]
[0067]
[0068] 其中，B为每个用户所使用的资源带宽，Nm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表示分配到载波资源；否则，表示没有分配到载波资源。
[0069] 进一步，步骤六具体包括：
[0070] 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
[0071] 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：
[0072]
[0073] 其中，γM为宏用户的最低信噪比需求，可以根据最低速率需求计算得到；
[0074] 第三步，将功率p1和下倾角θ1,θ2分别按照下面公式进行迭代：
[0075]
[0076] 其中，pstep和θstep分别表示功率和下倾角的迭代步长， 表示宏用户总的吞吐量RM对功率p1的偏导， 和 表示宏用户总的吞吐量RM分别对下倾角θ1,θ2的偏导数；
[0077] 第四步，计算第n+1次迭代的宏用户总的吞吐量 第n+1次迭代的吞吐量转第五步；否则，返回第二步继续进行算法；
[0078] 第五步，获得最优的 计算出此时的femtocell的用户总的吞吐量和小区总的吞吐量。
[0079] 本发明提供的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。
[0080] 本发明具有以下优点：
[0081] 1.本发明将有源天线3D波束模型应用到LTE异构网络场景中，其中宏基站采用了3D内外2波束进行发射信号，本发明是一种基于AAS的LTE异构网络中的干扰协调方法。
[0082] 2.本发明中将小区从内到外划分为3个区域进行干扰避免，第一区域中宏用户完全由内波束进行服务，第三区域中宏用户完全由外波束进行服务，中间第二区域由两个波束联合提供服务，这样避免波束间的干扰问题，有效进行内外波束中宏用户的频率复用。
[0083] 3.本发明中提出了一种femtocell分簇策略，有效进行femtocell之间的
频谱资源的复用，可以极大提高femtocell用户的总吞吐量。
[0084] 4.本发明中提出了3D波束优化算法，有效进行了小区中宏用户的资源分配和内外波束下倾角的优化，能够改善边缘用户的吞吐量性能，提高了小区边缘用户的吞吐量和系统总的吞吐量。
附图说明
[0085] 图1是本发明
实施例提供的基于有源天线三维波束模型的LTE异构网络干扰协调方法
流程图；
[0086] 图2是本发明实施例提供的femtocell分簇算法的流程图；
[0087] 图3是本发明实施例提供的功率波束优化算法的流程图；
[0088] 图4是本发明实施例提供的系统模型图；
[0089] 图5是本发明实施例提供的femtocell算法和AAS 3D波束算法得到的小区宏用户吞吐量和femtocell吞吐量的与现有的方案的吞吐量的仿真对比图；
[0090] 图6是本发明实施例提供的机制与传统2D天线、以及内外有干扰的3D波束的小区边缘宏用户吞吐量的仿真对比图。
具体实施方式
[0091] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0092] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0093] 如图1所示，本发明实施例的基于有源天线三维波束模型的LTE异构网络干扰协调方法包括以下步骤：
[0094] S101：将小区从里到外依次分为3个区域，最里面区域(第一区域)是采用完全的内波束进行覆盖，中心的环形区域(第二区域)采用内外2个波束的联合传输进行传输数据，最外面区域(第三区域)采用外波束进行覆盖；
[0095] S102：基于门限距离，计算第一区域和第三区域中的每个femtocell的干扰指示函数和femtocell的干扰度；
[0096] S103：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；
[0097] S104：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；
[0098] S105：建立3个区域中宏用户和femtocell用户的信噪比和吞吐量模型；
[0099] S106：通过最大化小区中宏用户的总吞吐量，进行3D波束优化。
[0100] 本发明的工作原理：
[0101] 本发明在采用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。
[0102] 本发明的具体步骤包括：
[0103] 步骤一，将小区从里到外依次分为3个区域，最里面区域(第一区域)是采用完全的内波束进行覆盖，中心的环形区域(第二区域)采用内外2个波束的联合传输进行传输数据，最外面区域(第三区域)采用外波束进行覆盖；
[0104] 步骤二，基于门限距离Rth，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dG(νi)：
[0105] 用femtocell之间的干扰指示函数 来表示femtocell之间的干扰情况：
[0106]
[0107] 其中，Rth表示femtocell之间干扰的距离的门限值，R(i,j)表示第i个femtocell与第j个femtocell之间的距离，SF表示参与分簇的femtocell集合，|SF|表示集合SF中femtocell的数目，并规定e(νi,νi)＝0，即femtocell个体与自身之间不存在同频碰撞干扰；
[0108] 计算每个femtocell的干扰度，用dG(νi)表示：
[0109]
[0110] 如果dG(νi)＝0，则νi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；
[0111] 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：
[0112] 初始化分簇数目l＝1，依据每个femtocell的e(νi,νj)，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；
[0113] 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dG(νi)；
[0114] 如果此时干扰矩阵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dG(νi)＝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νi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；
[0115] 如果不能满足矩阵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；
[0116] 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；
[0117] 步骤四，建立femtocell到用户的信道增益模型，并基于3D天线模型构建宏基站到用户的信道增益模型；
[0118] 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；
[0119] 步骤六，通过最大化小区中宏用户总吞吐量，进行3D波束优化：
[0120] 初始化内波束覆盖范围用户的发射功率p1和下倾角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[0121] 计算宏基站对femtocell的干扰，并按照femtocell用户和宏用户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：
[0122]
[0123] 其中，γM为宏用户的最低信噪比需求，可以根据最低速率需求计算得到；
[0124] 将功率p1和下倾角θ1,θ2分别按照下面公式进行迭代：
[0125]
[0126] 其中，pstep和θstep分别表示功率和下倾角的迭代步长， 表示宏用户总的吞吐量RM对p1的偏导， 和 表示宏用户总的吞吐量RM分别对下倾角θ1,θ2的偏导数；
[0127] 计算第n+1次迭代的宏用户总的吞吐量 如果第n+1次迭代的吞吐量转下一步；否则，返回第二步继续进行算法；
[0128] 获得最优的 计算出此时的femtocell的用户总的吞吐量和小区总的吞吐量。
[0129] 本发明的具体实施例：
[0130] 参见图2，本发明的具体步骤如下：
[0131] 步骤一，将小区从里到外依次分为3个区域，最里面区域(第一区域)是采用完全的内波束进行覆盖，中心的环形区域(第二区域)采用内外2个波束的联合传输进行传输数据，最外面区域(第三区域)采用外波束进行覆盖，具体包括：
[0132] 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；
[0133] 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天线内波束进行覆盖，环状区域(第二区域)中用户由内外2个波束联合进行传输数据；
[0134] 步骤二，基于门限距离Rth，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dG(νi)，具体包括：
[0135] 第一步，用femtocell之间的干扰指示函数 来表示femtocell之间的干扰情况：
[0136]
[0137] 其中，Rth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，SF表示参与分簇的femtocell集合，|SF|表示集合SF中femtocell的数目，并规定e(νi,νi)＝0，即femtocell自身之间是不存在碰撞干扰的；
[0138] 第二步，计算每个femtocell的干扰度，用dG(νi)表示：
[0139]
[0140] 如果dG(νi)＝0，则νi是一个孤立点，即0度节点，意味着该femtocell与其余的femtocell均不存在碰撞干扰；
[0141] 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，具体包括：
[0142] 第一步，初始化分簇数目l＝1，依据每个femtocell的e(νi,νj)，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；
[0143] 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dG(νi)；
[0144] 第三步，如果此时干扰矩阵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dG(νi)＝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νi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；
[0145] 第四步，如果不能满足矩阵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；
[0146] 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；
[0147] 步骤四，建立femtocell到用户的信道增益模型，并基于3D天线模型构建宏基站到用户的信道增益模型，具体包括：
[0148] 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：
[0149]
[0150]
[0151] 其中， 和AE,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)；Am表示前后向增益，θ表示用户的垂直仰角，θetilt表示天线的下倾角；θ3dB表示垂直半功率波束宽度，SLAv表示旁瓣电平限制；
[0152] 因此，宏基站到用户的3D天线增益表示如下：
[0153]
[0154] 其中，GE,Max表示单振子辐射元的最大方向增益(dB)；
[0155] 第二步，宏基站采用3D天线模型，这样宏基站到用户的信道增益表示为：
[0156]
[0157] 其中，αu,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天线增益，Su,M为对数阴影衰落，Lu,M则为宏基站到用户的路径损耗；
[0158] 第三步，femtocell采用传统的天线，这样femtocell到用户的信道增益表示为：
[0159] Gk,n,f＝(αk,n,f)2AfSk,f/Lk,f；
[0160] 其中，αk,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，Af为femtocell天线的增益，Sk,f为对数阴影衰落，Lk,f则为femtocell到用户k的路径损耗；
[0161] 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：
[0162] 第一步，在内波束覆盖的区域(第一区域)中的宏用户和femtocell用户的信噪比可以表示为：
[0163]
[0164]
[0165] 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，pf为femtocell的发射功率， 表示femtocell到其服务的FUE用户k1的信道增益，An表示使用子载波n的femtocell的集合，σ2为高斯白噪声；
[0166] 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(MUE)，这2个波束都传输有用信号；对于第二区域中的femtocell用户(FUE)，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：
[0167]
[0168]
[0169] 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；
[0170] 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，可以表示如下：
[0171]
[0172]
[0173] 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；
[0174] 第四步，计算所有的用户的速率可以得到系统中宏用户总的吞吐量RM和femtocell总的吞吐量和RF，表示如下：
[0175]
[0176]
[0177] 其中，B为每个用户所使用的资源带宽，Nm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表示分配到载波资源；否则，表示没有分配到载波资源；
[0178] 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，具体包括：
[0179] 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
[0180] 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：
[0181]
[0182] 其中，γM为宏用户的最低信噪比需求，可以根据最低速率需求计算得到；
[0183] 第三步，将功率p1和下倾角θ1,θ2分别按照下面公式进行迭代：
[0184]
[0185] 其中，pstep和θstep分别表示功率和下倾角的迭代步长， 表示宏用户总的吞吐量RM对p1的偏导， 和 表示宏用户总的吞吐量RM分别对下倾角θ1,θ2的偏导数；
[0186] 第四步，计算第n+1次迭代的宏用户总的吞吐量 如果第n+1次迭代的吞吐量转第五步；否则，返回第二步继续进行算法；
[0187] 第五步，获得最优的 计算出此时的femtocell的用户总的吞吐量和小区总的吞吐量。
[0188] 结合以下仿真对本发明的应用效果做进一步的说明：
[0189] 1.仿真条件：
[0190] 本发明考虑是单个宏小区的2层蜂窝网络，仿真采用正六边形蜂窝网小区，宏基站位于小区中心，宏小区的半径是500m，femtocell小区的半径是20m；宏基站到用户的路径损耗基于femtocell到用户的路径损耗分别是：
[0191]
[0192] 其中，WL为穿墙损耗，n为穿墙次数；具体仿真参数见表1所示；
[0193] 表1仿真参数设定
[0194]
[0195]
[0196] 2.仿真内容与结果
[0197] 在LTE异构网络场景下对本发明所设计的基于有源天线三维波束模型的LTE异构网络干扰协调方案进行了系统级仿真：
[0198] 2a)图5为本发明的小区中femtocell用户总吞吐量、宏用户总吞吐量以及小区吞吐量与传统机制的对比图；图5中可以看到，采用本方案中femtocell分簇机制可以提高femtocell用户的总吞吐量，采用本方案提出的3D波束优化算法可以提高宏用户的总吞吐量，这样可以提升系统总的吞吐量；
[0199] 2b)图6为本发明提出的机制与传统2D天线、以及内外有干扰的3D波束的小区边缘的宏用户吞吐量的仿真对比图；图6中可以看到，采3D内外2个波束，由于内外用户之间的同频干扰，并不能提升边缘用户的吞吐量，而采用本方案，则可以极大提升小区边缘用户的吞吐量。
[0200] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
