一种大规模天线系统中波束宽度优化方法及切换方法与流程

本发明涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种大规模天线系统中波束宽度优化方法及切换方法。

背景技术

近年来，随着智能手机和平板电脑的广泛使用，各种应用的业务量猛增，移动数据应用加速增长，这使得移动通信系统蜂窝网络面临重大挑战。然而现阶段广泛应用的6ghz以下的微波频段无法提供足够的频谱资源，系统容量限制将无法进一步满足高速率业务的需求，因此30-300ghz的毫米波段受到了广泛重视。尽管其蕴涵丰富可用频谱资源，能够缓解频谱资源稀缺的压力，毫米波段也有一些固有的缺陷。毫米波的路径损失很高、对障碍物的穿透能力很差，使得小区覆盖范围下降。但是这可以通过应用多天线技术克服，利用波束赋形技术获得的高增益可以增大小区覆盖范围、扩充系统容量、减小干扰。同时，毫米波段的短波长也更有利于大规模天线的部署。综上，毫米波大规模天线(massivemimo)系统是新一代移动通信关键技术之一。

由于毫米波系统的路径损耗很大，需要收发双方都使用波束赋形技术，利用高方向性波束对准带来的高增益弥补无线链路传输的损耗。然而，实际上用户可能随时随地发生移动。当用户终端(ue)旋转或移动的时候，ue位置和朝向会发生变化，当前服务波束不再对准，使得传输质量下降，甚至会导致链路中断，影响系统吞吐量和用户体验。而为降低ue移动带来的损失，现有方案大都需要进行接收信号的周期性监测，当检测量低于某一阈值时，则重新搜索合适的收发波束对，在当前波束对完全失效之前进行切换。考虑到毫米波系统的信号传播距离短、波束宽度小，ue的轻微移动或许会造成频繁切换，这会降低系统容量，增大时延，增加开销，同时还会影响通信过程。

因此，如何在保证系统性能的基础上减小切换次数，实现最佳的波束宽度，达到性能与开销的折中，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本申请提供了一种大规模天线系统中波束宽度优化方法及切换方法，以减小切换次数，实现最佳的波束宽度，达到性能与开销的折中。

为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

一种大规模天线系统中波束宽度优化方法，包括如下步骤：获得数据速率c与基站bs的有效波束宽度θbs的关系式；获得用户终端ue前后时刻位置与基站bs位置之间的角度差δα；根据角度差δα确定波束切换概率pswitch和切换开销m；根据数据速率c和切换开销m构建目标函数根据目标函数的约束条件求解目标函数得到后一时刻有效波束宽度θbs的最优值。

如上所述的大规模天线系统中波束宽度优化方法，其中，优选的是，获得数据速率c与基站bs有效波束宽度θbs的关系式包括如下步骤：定义半功率波束宽度为有效波束宽度θbs；将用户终端ue的波束宽度θue固定，将基站bs的有效波束宽度θbs作为变量，并且发射功率pt和噪声n为定值，路径损耗pl与用户终端ue和基站bs之间的距离相关，在低速移动下路径损耗pl视为定值，将简化的波束码本模型中的γdb＝pt+gt(θbs)+gr(θue)-pl-n简化为γdb(θbs)；根据绝对形式的信噪比γ与分贝形式的信噪比γdb的关系式γdb＝10logγ，得到γ(θbs)；根据数据速率c＝log2(1+γ)得到数据速率c＝log2(1+γ(θbs))；其中，gt为基站bs的波束增益，gt(θbs)代表gt是以θbs为自变量的函数；gr为用户终端ue的波束增益，gr(θue)代表gr是以θue为自变量的函数；γdb(θbs)代表γdb是以θbs为自变量的函数；γ(θbs)代表γ是以θbs为自变量的函数。

如上所述的大规模天线系统中波束宽度优化方法，其中，优选的是，获得用户终端ue前后时刻位置与基站bs位置之间的角度差δα包括如下步骤：获得前一时刻用户终端ue至基站bs之间的距离st；获得用户终端ue的移动速度v、前一时刻用户终端ue的移动方向与基站bs水平向外延伸指定方向的夹角β、前一时刻用户终端ue位置与基站bs位置在指定方向的夹角αt；获得后一时刻用户终端ue至基站bs之间的距离获得后一时刻用户终端ue位置与基站bs位置在指定方向的夹角用户终端ue前后时刻位置与基站bs位置之间的角度差δα＝αt+1-αt；根据距离st+1的自变量仅有用户终端ue的移动速度v，夹角αt+1的自变量仅有用户终端ue的移动速度v，得到角度差δα是以v为自变量的函数，即δα(v)；其中，t为用户终端ue移动的指定时间。

如上所述的大规模天线系统中波束宽度优化方法，其中，优选的是，根据角度差δα确定波束切换概率pswitch和切换开销m包括如下步骤：若角度差δα大于有效波束宽度θbs，则进行切换，确定波束切换概率pswitch为1；若角度差δα小于有效波束宽度θbs，则波束切换概率pswitch与角度差δα成正比，与有效波束宽度θbs成反比，确定波束切换概率根据执行一次切换操作所需的切换开销m是定值，得到切换开销m正比于波束切换概率pswitch，即m(θbs,v)∝pswitch(θbs,v)；其中，pswitch(θbs，v)代表pswitch是以θbs和v为自变量的函数，m(θbs，v)代表m是以θbs和v为自变量的函数。

如上所述的大规模天线系统中波束宽度优化方法，其中，优选的是，构建目标函数之前还包括以下步骤：设置优化目标为确定约束条件s.t.γ≥th、vt＜d；其中，th为满足链路质量的最低阈值、d为基站bs的覆盖范围。

如上所述的大规模天线系统中波束宽度优化方法，其中，优选的是，根据数据速率c和切换开销m构建目标函数具体是根据优化目标构建优化函数即为

如上所述的大规模天线系统中波束宽度优化方法，其中，优选的是，根据约束条件求解目标函数包括以下步骤：根据δα＞θbs进行切换，并且切换开销m是定值，得到仅有效波束宽度θbs影响优化函数f(θbs，v)；则求解信噪比γ满足链路质量的最低阈值th时得到的有效波束宽度θbs为后一时刻有效波束宽度θbs的最优值。

如上所述的大规模天线系统中波束宽度优化方法，其中，优选的是，根据约束条件求解目标函数包括以下步骤：

δα＜θbs时，优化函数将分贝形式的信噪比γdb替换绝对形式的信噪比γ得到优化函数为

根据和γdb＝10logγ得到

将定义为a，将定义为b，代入优化函数简化得到

根据切换开销m与波束切换概率pswitch的比值k为定值；根据波束垂直方向的角度为定值，则b为定值；根据θue固定，则gr(θue)为定值，以及根据pt、n、pl为定值，则a为定值；得到为凸函数；

根据凸函数求解得到后一时刻有效波束宽度θbs的最优值。

一种大规模天线系统中波束宽度优化切换方法，包括以下步骤：接收用户终端ue当前时刻运动数据；根据当前时刻运动数据计算用户终端ue位置、当前时刻的移动速度v及移动方向；根据当前时刻用户终端ue位置、当前时刻的移动速度v及移动方向确定用户终端ue下一时刻处于的位置处波束的信噪比；若下一时刻处于的位置处波束的信噪比小于硬门限，则判断用户终端ue前后时刻位置与基站bs位置之间的角度差δα；若角度差δα小于有效波束宽度θbs，则根据凸函数求解得到下一时刻有效波束宽度θbs的最优值；其中，δα(v)是角度差δα关于自变量v的函数；k是切换开销m与波束切换概率pswitch的比值，为定值；其中用户终端ue的波束宽度θue固定，是定值，则gr(θue)为定值，以及发射功率pt、噪声n、路径损耗pl为定值，则a为定值；其中波束垂直方向的角度是定值，π为定值，则b为定值。

如上所述的大规模天线系统中波束宽度优化切换方法，其中，优选的是，还包括以下步骤：若角度差δα大于有效波束宽度θbs，则求解信噪比γ满足链路质量的最低阈值th时得到的有效波束宽度θbs为下一时刻有效波束宽度θbs的最优值。

相对上述背景技术，本发明大规模天线系统中波束宽度优化方法包括：获得数据速率c与基站bs的有效波束宽度θbs的关系式；获得用户终端ue前后时刻位置与基站bs位置之间的角度差δα；根据角度差δα确定波束切换概率pswitch和切换开销m；根据数据速率c和切换开销m构建目标函数根据目标函数的约束条件求解目标函数得到后一时刻有效波束宽度θbs的最优值。本发明提供的大规模天线系统中波束宽度优化方法及切换方法应用于信息中心网络，考虑了移动场景下，移动终端ue运动速度对波束切换开销的影响，直观的推导出二者之间的关系式；权衡考虑用户数据速率和波束切换开销，将二者比值作为优化函数，通过最大化求解得到的有效波束宽度，实现了最佳的波束宽度，减小了切换次数，达到了性能与开销之间的折中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的大规模天线系统中波束宽度优化方法的流程图；

图2是本申请实施例提供的波束模型示意图；

图3是本申请实施例提供的用户终端ue及基站bs移动场景示意图；

图4是本申请实施例提供的用户终端ue及基站bs移动模型示意图；

图5是本申请实施例提供的大规模天线系统中波束宽度优化切换方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本申请提供了一种大规模天线系统中波束宽度优化方法，包括如下步骤：

步骤s110，获得数据速率c与基站bs的有效波束宽度θbs的关系式；

如图2所示，首先，对波束进行建模。将方向性波束的半功率波束宽度覆盖的范围视为波束的有效覆盖范围，将波束的有效覆盖范围视为扇形，每个扇形的角度即为有效波束宽度θbs，且能够覆盖天线的所有辐射范围，忽略相邻波束重叠造成的干扰。其中，半功率波束宽度是3db波束宽度、半功率角，是标识波束的一个参数。

然后，通过波束模型求解数据速率c与有效波束宽度θbs的关系式。请继续参阅图2，具体如下：

在单用户毫米波massivemimo系统中，用户数据速率c只与接收绝对形式的信噪比γ相关，即公式：c＝log2(1+γ)(1)；

在简化的波束码本模型中，分贝形式的信噪比γdb可以表示为：

γdb＝pt+gt(θbs)+gr(θue)-pl-n(2)；

其中，pt为基站bs的发射功率；gt为基站bs的波束增益，gt(θbs)代表gt是以θbs为自变量的函数；gr为用户终端ue的波束增益，gr(θue)代表gr是以θue为自变量的函数；pl为路径损耗；n为噪声。

由于本申请实施例是基于对基站bs侧的波束宽度进行优化而提供的波束宽度优化方法，则将基站bs侧的有效波束宽度θbs作为变量，而将用户终端ue侧的波束宽度视为不变，即固定用户终端ue的波束宽度θue，则以用户终端ue的波束宽度θue为自变量的函数gr(θue也为定值。

还由于路径损耗pl与用户终端ue和基站bs之间的距离相关，而在低速(基于用户终端ue的移动速度相对于毫米波的传输速度而言的)移动下当前时刻用户终端ue和基站bs之间的距离和下一时刻用户终端ue和基站bs之间的距离可以视为未变化，即路径损耗pl视为定值。

综上，由于gr(θue)为定值，路径损耗pl为定值，并且还由于基站bs的发射功率pt和噪声n也为定值，则将公式(2)简化为γdb是以θbs为自变量的函数，即：γdb(θbs)。

根据绝对形式的信噪比γ与分贝形式的信噪比γdb的关系式γdb＝10logγ，得到绝对形式的信噪比γ也是以θbs为自变量的函数，即γ(θbs)；根据数据速率c＝log2(1+γ)得到数据速率c与基站bs的有效波束宽度θbs的关系式为：

c＝log2(1+γ(θbs))(3)

请继续参阅图1，本申请提供的大规模天线系统中波束宽度优化方法，还包括：

步骤s120，获得用户终端ue前后时刻位置与基站bs位置之间的角度差δα；

在单用户毫米波massivemimo系统中，通常基站bs是固定的，用户终端ue为移动的，本申请实施例以基站bs固定，用户终端ue移动进行研究，通过对前一时刻用户终端ue的参数进行研究预测后一时刻用户终端ue的参数，这里的前一时刻就是当前的时刻，后一时刻就是下一时刻。根据用户终端ue当前时刻和下一时刻的场景建立移动模型。图3示出了用户终端ue当前时刻和下一时刻的场景，当前时刻服务波束索引号i，是已知的，下一时刻目标波束的索引号为j，是可以通过预测下一时刻用户终端ue位置推到出来，其中i和j仅起标识的作用。图4示出了建立的移动模型；将基站bs和用户终端ue抽象到一个二维坐标系中；基站bs位于原点o，位置固定；用户终端ue处于移动状态，a点为用户终端ue当前时刻所处的位置，b点为用户终端ue下一时刻所处的位置。

用户终端ue下一时刻的位置可以由当前时刻用户终端ue与基站bs之间的距离、用户终端ue移动方向和ue的速度计算出来。通过用户终端ue(如智能手机)内置加速度计和磁强传感计等传感器可以测量当前时刻用户终端ue与基站bs之间的距离、用户终端ue移动方向和用户终端ue的速度。

如图4所示，首先，获得当前时刻用户终端ue至基站bs之间的距离st，即st＝oa。作为举例，用户终端ue与基站bs之间距离可以通过信号传输的往返传播时间的计算。相比于传统移动通信广泛使用的2.4/5ghz频段，毫米波频段受障碍物绕射可能更小，因此计算结果也较为准确。

继续参阅图4，其次，获得用户终端ue的移动速度v；当前时刻用户终端ue的移动方向与基站bs水平向外延伸指定方向的夹角β，即ab与x轴所形成的夹角；当前时刻用户终端ue位置与基站bs位置在指定方向的夹角αt，即ao与x轴方向的夹角。作为举例，用户终端ue移动方向可以通过内置的传感器测量。测量结果通常由三个维度的参数(x，y，z)组成，其中x为设备相对于磁场北极的移动角度，y是与地面的夹角(y为90度的时候，表示垂直方向)，z表示设备相对于其自身坐标的角度变化(当ue发生旋转的时候，z会改变)。假设用户移动时将用户终端ue(如智能手机)握在手中，可以通过x值预测移动方向。即使用户移动过程中用户终端ue(如智能手机)位置发生变化(如用户将手机从手中放到包中)，也可以通过陀螺仪和加速度计等设备进行角度校准。最后是对于ue速度的测量，可以直接通过加速度计获取。

然后，获得下一时刻用户终端ue至基站bs之间的距离st+1，即st+1＝bo。c点是直线ab与x轴的交点，d和e点分别是b点到x轴的垂点和o点到直线ab的垂点。通过计算得到do＝stsin(β-αt)和bd＝vt-cos(β-αt)，下一时刻ue与bs距离即为：

根据be＝bcsinβ＝vtsinβ-stsinαt，获得下一时刻用户终端ue位置与基站bs位置在指定方向的夹角，也就是下一时刻用户终端ue与x轴夹角为：

根据用户终端ue当前时刻位置与基站bs位置在指定方向的夹角αt和下一时刻用户终端ue位置与基站bs位置在指定方向的夹角αt+1得到用户终端ue前后时刻位置与基站bs位置之间的角度差：δα＝αt+1-αt(6)；

根据距离st+1的自变量仅有用户终端ue的移动速度v，夹角αt+1的自变量仅有用户终端ue的移动速度v，得到角度差δα是以v为自变量的函数，即δα(v)；其中，t为用户终端ue移动的指定时间，是为了研究方便而引入的指定值，该时间值可以根据需求预定不同的值，例如：可以是1ms、1s、2s等。

请继续参阅图1，步骤s130，根据角度差δα确定波束切换概率pswitch和切换开销m。最为举例，首先，进行波束切换概率pswitch的推导，当有效波束宽度θbs大于角度差δα时，有可能不需要切换波束，则波束切换概率pswitch与角度差δα成正比，与有效波束宽度θbs成反比，确定波束切换概率当有效波束宽度小于δα时，一定要进行波束切换，则确定波束切换概率pswitch为1；因此求解的波束切换概率为：

根据执行一次切换操作所需的切换开销m是定值，得到切换开销m正比于波束切换概率pswitch，即m(θbs,v)∝pswitch(θbs,v)；

其中，pswitch(θbs，v)代表pswitch是以θbs和v为自变量的函数，m(θbs，v)代表m是以θbs和v为自变量的函数。

请继续参阅图1，步骤s140，根据数据速率c和切换开销m构建目标函数

为达到用户数据速率c与切换开销m的折中，在构建目标函数之前还设置优化目标,取数据速率c和切换开销m比值的最大值为优化目标，即：

约束条件s.t.γ≥th、vt＜d；(8)

其中，对优化目标的约束条件一为信噪比γ大于满足链路质量的最低阈值th，即γ≥th；约束条件二为保证用户终端ue当前时刻和下一时刻处于同一基站bs覆盖范围中，即vt＜d，d为基站bs的覆盖范围。

本申请实施例基于考虑用户终端ue的移动速度v、有效波束宽度θbs，权衡考虑用户数据速率c与切换开销m，目标函数可以表示为

请继续参阅图1，步骤s150，根据目标函数的约束条件求解目标函数得到下一时刻有效波束宽度θbs的最优值。

由于切换概率pswitch为分段函数，也就是切换开销m为分段函数，因此从下面两个方面考虑求解目标函数：

(1)用户终端ue前后时刻位置与基站bs位置之间的角度差δα(v)大于有效波速宽度θbs时，即δα＞θbs，必定会进行波束切换操作，由于切换开销m是定值，仅有效波束宽度θbs影响优化函数f(θbs，v)，也就是目标函数仅由传输速率c决定，仅与信噪比γ相关，且需满足约束条件。由于有效波束宽度θbs越小，用户传输速率c越大，因此，此种情况下，满足约束条件即可，即求解信噪比γ满足链路质量的最低阈值th时得到的有效波束宽度θbs为下一时刻有效波束宽度θbs的最优值。

(2)移动终端ue前后时刻位置与基站bs位置之间的角度差δα(v)小于有效波束宽度θbs时，即δα＜θbs，此种情况下的切换概率小于1，目标函数比较复杂：

将切换概率pswitch和切换开销m的正比关系即公式(7)带入公式(9)得到：

将分贝形式的信噪比γdb替换绝对形式的信噪比γ得到：

根据和得到公式：

还根据γdb＝10logγ以及公式(12)得到公式：

将定义为a，将定义为b，代入目标函数简化得到

根据切换开销m与波束切换概率pswitch的比值k为定值；根据波束垂直方向的角度为定值，则b为定值；根据θue固定，则gr(θue)为定值，以及根据pt、n、pl为定值，则a为定值；得到为凸函数；也可以将目标函数f(θbs，v)带入凸函数的满足条件同时用自变量θbs，v替换凸函数满足条件中的自变量x和y，进一步的证明了目标函数f(θbs，v)是凸函数。

由于在δα＜θbs时，目标函数f(θbs，v)是凸函数，则即可根据凸函数求解得到下一时刻有效波束宽度θbs的最优值，具体可以根据kkt条件求凸函数的最优解，具体是将公式(8)变形后得到：

约束条件s.t.h(a)＝γ(θbs)-th≥0

n(a)＝d-vt≥0(15)

其中，a为自变量θbs和v的集合，h(a)和n(a)为约束条件；

不等式约束下的拉格朗日函数l表达式为：

l(a，λ，μ)＝f(a)+λh(a)+μm(a)(16)

λ和μ均为约束系数。需要满足的条件为：

λ≥0

μ≥0

μn(a^*)＝0

λh(a^*)＝0

n(a)≥0(17)

其中，a^*为h(a)＝0和n(a)＝0时a的取值。

如图5所示，本申请还提供了一种大规模天线系统中波束宽度优化切换方法，包括以下步骤：

当接收到的信噪比低于软门限时，用户终端ue收集当前时刻用户终端ue的运动数据，可以根据用户终端ue内置的传感器(加速度计和磁强传感计等传感器等)测量用户终端ue的运动数据(当前时刻的移动速度v及移动方向等)，并将测量的运动数据上报至基站bs；

基站bs接收用户终端ue当前时刻运动数据，根据当前时刻运动数据计算当前时刻用户终端ue位置、与基站bs的距离等；

根据当前时刻用户终端ue位置、当前时刻的移动速度v及移动方向预测下一时刻用户终端ue的位置，然后再确定用户终端ue下一时刻处于的位置处波束的信噪比；

若下一时刻用户终端ue处于位置处的波束的信噪比处于软硬门限之间，则暂不切换波束；若下一时刻用户终端ue处于的位置处波束的信噪比小于硬门限，可以根据预测的位置先生成待切波束集合，以便根据后续计算的有效波束宽度从待切换波束集合中选择合适波束，达到减小切换时间的技术效果；将生成的待切换波束集合以及需要预测的信息发送至用户终端ue。

接着，用户终端ue计算前后时刻位置与基站bs位置之间的角度差δα，将计算得到的角度差δα发送至基站bs，基站bs判断用户终端ue前后时刻位置基站bs位置之间的角度差δα，若角度差δα小于有效波束宽度θbs，则根据凸函数求解求解得到下一时刻有效波束宽度θbs的最优值；其中，δα(v)是角度差δα关于自变量v的函数；k是切换开销m与波束切换概率pswitch的比值，为定值；其中θue是定值，gr(θue)为定值，以及pt、n、pl为定值，则a为定值；其中波束垂直方向的角度是定值，则b为定值。

在上述基础上，若角度差δα大于有效波束宽度θbs，则求解信噪比γ满足链路质量的最低阈值th时得到的有效波束宽度θbs为下一时刻有效波束宽度θbs的最优值。

计算得到下一时刻有效波束宽度θbs的最优值后，可以根据下一时刻有效波束宽度θbs的最优值在待切换波束集合中选择合适的波束，执行波束切换的流程，最后结束操作。

本发明提供的大规模天线系统中波束宽度优化方法及切换方法应用于信息中心网络，具有以下优点：

1、考虑了移动场景下，移动终端ue运动速度对波束切换开销的影响，直观的推导出二者之间的关系式；

2、权衡考虑用户数据速率和波束切换开销，将二者比值作为优化函数，通过最大化求解得到的有效波束宽度，实现了最佳的波束宽度，减小了切换次数，达到了性能与开销之间的折中。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。