基于有源天線陣列模型的多播系統(tǒng)無線資源優(yōu)化分配方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術領域，尤其涉及一種基于有源天線陣列模型的多播系統(tǒng) 無線資源優(yōu)化分配方法。
【背景技術】
[0002] 在未來移動通信中，隨著移動用戶數(shù)量的不斷增加以及終端數(shù)據(jù)流量的不斷增 長，需要在現(xiàn)有的LTE網絡中引入新的技術來更有效的利用無線資源。在LTE-A技術后續(xù) 演進中，有源天線波束賦形技術在3GPP標準中提出，作為一種可以提高頻譜效率的有效技 術，有源陣列天線已經開始應用于基站。傳統(tǒng)的LTE系統(tǒng)采用無源天線，由于天線的電子 下傾角是固定不變的，所以無需資源的使用局限于水平域內，有源陣列天線可以在水平域 和垂直域內對天線波束進行方向性調整，因此可以在整個空間域內有效的利用資源。資源 分配在優(yōu)化網絡性能方面起著關鍵的作用，目前對資源分配的研究已經有了一定的成果。 X. Zhang，X. S. Shen和L. Xie等人提出了一種低復雜度的次優(yōu)化的資源分配算法來提高傳 輸效率。K. N. Patel和H. K. shah提出了基于效用函數(shù)的比例公平算法。然而，上述的工作 未考慮有源陣列天線的應用。另外，對于資源有限的無線網絡，當大量用戶同時請求相同的 內容是，會出現(xiàn)資源嚴重短缺。多播技術是一個可以有效提高頻譜利用率的技術，一次多播 傳輸可以將相同的內容傳輸給多個用戶，從而實現(xiàn)頻帶資源在用戶間的共享。對多播系統(tǒng)， 資源分配機制有了一定的研究，Y. Wang，X. Liu和B. Lin等人使用拉格朗日對偶方法解決分 層編碼多播網絡中的最優(yōu)化多播資源分配問題。上述文獻中，大部分的研究都是針對傳統(tǒng) 的無源天線系統(tǒng)進行的研究，無法適用于有源陣列天線的LTE系統(tǒng)。W. Zhang和Y. Wang等 人進行3D MHTO中干擾協(xié)調的研究，考慮部分聯(lián)合傳輸（JT)技術建立多小區(qū)多波束的優(yōu)化 模型，從而進行功率、資源塊和下傾角的聯(lián)合優(yōu)化。然而，該研究并不適用于多播系統(tǒng)。
[0003] 現(xiàn)有的基站存在有源陣列天線實現(xiàn)對用戶群的精確對準問題以及用戶群級的波 束載波分配問題。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于有源天線陣列模型的多播系統(tǒng)無線資源優(yōu)化分 配方法，旨在解決基站有源陣列天線實現(xiàn)對用戶群的精確對準問題以及用戶群級的波束載 波分配問題。
[0005] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于有源天線陣列模型的多播系統(tǒng)無線資源優(yōu)化分配 方法，所述基于有源天線陣列模型的多播系統(tǒng)無線資源優(yōu)化分配方法包括：
[0006] 基于用戶的位置信息以及當前時間段內統(tǒng)計到的視頻請求信息，對用戶進行聚類 處理；
[0007] 根據(jù)用戶聚類結果，根據(jù)每個用戶群的位置信息，計算出每個用戶群中心位置的 水平方位角和垂直仰角；
[0008] 基站天線波束實現(xiàn)對用戶群的精確對準；
[0009] 采用有源天線波束賦形模型，基站對每個用戶群有一個特定波束，即對每個用戶 群設置一個特定的電子下傾角和垂直半功率帶寬的波束，確定基站到用戶的信道增益模 型；
[0010] 基于最大化吞吐量的目標，提出多播系統(tǒng)的載波資源分配模型；
[0011] 提出用戶群分簇算法，根據(jù)用戶群的位置信息，對用戶群進行分簇處理；
[0012] 基于最大化吞吐量的載波分配算法。
[0013] 本發(fā)明可以實現(xiàn)有源陣列天線波束對用戶群位置的精確對準，通過最大化小區(qū)吞 吐量，進行波束載波的復用和分配，提升了系統(tǒng)的吞吐量和頻譜效率。
[0014] 進一步，所述基于用戶的位置信息以及當前時間段內統(tǒng)計到的視頻請求信息，對 用戶進行聚類處理包括用戶的位置信息用當前的位置坐標來描述：
[0015]li= (xi,y;)；
[0016] 其中Xl，yi分別表示用戶i的橫縱坐標值。對于用戶i，構建一個內容請求頻率向 量：
[0017] ]!,=(n,nl2, . . . ,nl c)；
[0018] 其中。表示用戶i請求內容c的次數(shù)，每個用戶對應一個內容請求向量，該向量 反映了用戶的內容請求偏好；
[0019] 基于用戶的位置信息和內容請求偏好信息對用戶進行聚類，具有相似內容請求偏 好且位置相近的用戶分到一個多播組，使用余弦相似度準則來計算兩個用戶間的相似度， 用如下公式計算：
[0020]
[0021] 其中0是一個0-1之間的權重系數(shù)；
[0022] 使用K-Means聚類方法，對小區(qū)內所有的用戶D進行聚類，Ui= {1 nj表示用戶 i的聚類信息，聚類的目的是將原始用戶分成C類D = {Di，…，DJ，數(shù)學模型上是對下式求 最小值：
[0023]
[0024] 其中y k為用戶群的中心；
[0025] 所述基于用戶的位置信息以及當前時間段內統(tǒng)計到的視頻請求信息，對用戶進行 聚類處理具體步驟如下：
[0026] 步驟一，從D中隨機取C個用戶，作為C個用戶群的中心；
[0027] 步驟二，根據(jù)相似度的計算公式，計算剩下的用戶到C個用戶群中心的相似度，將 用戶劃分到相似度最高的用戶群；
[0028] 步驟三，根據(jù)聚類結果，更新C個用戶群的中心Yk= {lk，nk}，用如下公式：
[0029]
[0030]
[0031] 其中叫是一個0-1之間的權重系數(shù)，重復步驟二和步驟三，直到聚類中心不再發(fā) 生變化。
[0032] 進一步，所述根據(jù)用戶聚類結果，根據(jù)每個用戶群的位置信息，計算出每個用戶群 中心位置的水平方位角和垂直仰角具體包括：
[0033] 采用有源天線波束賦形模型，基站對每個用戶群有一個特定波束，即對每個用戶 群設置一個特定的電子下傾角和垂直半功率帶寬的波束，基站坐標為原點〇 (〇, 〇,hbs)，用戶 群k的質心為Y k，位置坐標為（xk，yk，zk)，垂直仰角和水平方位角為(終，爲）；
[0034] 基于聚類后的用戶群位置信息，用戶群質心的水平方向角和垂直仰角通過下面的 公式求出：
[0035]
[0037] 顯然，垂直仰角和水平方位角的取值范圍為9iG(〇, 3〇，約;
[0038] 所述基站天線波束實現(xiàn)對用戶群的精確對準具體包括：
[0039] 步驟一，將調整波束的電子下傾角、電子水平角和半功率帶寬，使波束的輻射方向 對準用戶群的中心位置，使半功率帶寬范圍覆蓋用戶群中的所有用戶，基站到用戶的下傾 角和水平角將調整為：
[0040]
[0041] 其中，％和0k為基站基于用戶聚類結果，利用用戶群的中心位置計算出來的用 戶群中心的水平方位角和垂直仰角；
[0042] 步驟二，確定波束寬度，用戶群的覆蓋區(qū)域為一個圓點在用戶群中心的圓形，則該 圓形區(qū)域的半徑為該用戶群中離中心位置最遠的用戶與中心的距離，即：
[0043]
[0044] 其中（xk，yk)為用戶群k的中心的坐標。則第k個波束的垂直半功率帶寬為：
[0045]
[0046] 進一步，所述采用有源天線陣列的天線模型，并確定基站到用戶的信道增益模型 具體包括：
[0047] 步驟一，根據(jù)每個用戶的位置信息以及所屬的用戶群波束，計算出每個用戶位置 的實際水平方位角和垂直仰角，計算出用戶i相對于基站的水平方位角g和垂直仰角0，， 若用戶i屬于多播組k，則用戶i的實際水平方位角和垂直仰角等于：
[0048]
[0049] 步驟二，有源天線陣列的天線模型：
[0050] 3D天線增益模型采用3GPP標準中提出的有源天線陣列輻射模型，天線增益模型 表示如下：
[0051]
[0052] 其中，為為下傾角為0時的有源天線單陣元的天線增益模型，p和0為用戶 實際位置上的方位角和垂直仰角，P為陣列天線的相關系數(shù)，'"和^"^分別為權值因子和 用戶偏移相位，分別表示如下：
[0053]
[0055] 其中，0etllt表示天線波束的下傾角，仏_表示天線的水平轉向角，針對不同的用 戶群，天線的L tllt和的配置不同；
[0056] 步驟三，基站到用戶的信道增益模型，采用多播信道增益模型，在一個多播組中的 用戶以相同的速率接受數(shù)據(jù)，基站的傳輸速率超過了該群中的某個用戶的最大承受速率， 則這個用戶將不能正常解碼該數(shù)據(jù)，基站以用戶群中最小的速率傳輸數(shù)據(jù)，因此用戶群k 中基站到用戶的等效信道增益等于該用戶群中用戶的最差信道增益，即：
[0057]
[0058] 其中表示用戶i (i e Dk)在載波n上的信道增益，由3部分組成： 快衰落、基站到用戶的路徑損耗和用戶的3D天線增益，如下表達式：
[0059]
J
[0060] 其中，F(xiàn)和PL分別表示快衰落和路徑損耗，gf(劣表示第k個波束到用戶 i的3D天線增益；