5G电力场景下的波束优化法、通信方法及系统

5g电力场景下的波束优化法、通信方法及系统
技术领域
1.本发明涉及一种5g电力场景下的波束优化法、通信方法及系统，属于电力通信技术领域。


背景技术：

2.第五代移动特性技术(5th generation wireless systems,5g)旨在提供高可靠、低时延以及高数据速率的通信服务，以实现更稳定、更高效的无线通信架构。在智能电网建设当中，通过应用5g技术，能够构建配网自动化的通信网络系统，同时满足配网稳定等延时容忍性能需求。同时，业务多样性以及用户数量的增加对通信服务指标和系统提出了更高的要求。为了提供毫秒级超低时延以及功能灵活可编排的通信服务，满足5g场景下电力终端、电网设备、用户爆发式的通信需求，5g场景下端到端的低延时抖动控制是最关键的技术之一。
3.在现有的电力无线通信中，大部分都是基于单天线的基站进行数据传输，同时采用传统的时分多址或者频分多址。虽然单天线系统能够很简单的进行配置以及安装，然而将多天线以及多输入多输出引入到电力场景时，难以满足5g电力场景低时延、高可靠通信的需求。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种5g电力场景下的波束优化法、通信方法及系统，解决了现有通信方法难以满足5g电力场景低时延、高可靠通信需求的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
6.5g电力场景下的波束优化方法，包括：
7.获取目标基站预设范围内的所有通信用户的通信信息，根据各个所述通信用户的通信信息，并计算各个所述通信用户对应的无线信道的可达速率；
8.根据各个所述通信用户对应的所述可达速率，构建各个所述通信用户对应的短包波束形成优化模型；其中，所述短包波束形成优化模型以最大化所有所述通信用户对应的所述可达速率的加权和为优化目标
9.迭代求解各个所述通信用户对应的所述短包波束形成优化模型，获得各个所述通信用户对应的短包波束形成向量。
10.所述通信用户的通信信息包括所述通信用户的坐标和天线角度。
11.根据各个所述通信用户的通信信息，计算各个所述通信用户对应的无线信道的可达速率，包括：
12.根据各个所述通信用户的通信信息，计算各个所述通信用户对应的无线信道系数；
13.根据各个所述通信用户对应的无线信道系数，计算各个所述通信用户对应的无线信道的信干燥比；
14.根据各个所述通信用户对应的所述信干燥比，计算各个所述通信用户对应的无线信道的可达速率。
15.根据各个所述通信用户对应的所述信干燥比，计算各个所述通信用户对应的无线信道的可达速率，包括：
16.根据各个所述通信用户对应的所述信干燥比，计算各个所述通信用户对应的短包传输下的信道散布参数；
17.根据各个所述通信用户对应的所述信干燥比、所述信道散布参数、给定的误码率需求量和传输延时，计算各个所述通信用户对应的无线信道的可达速率。
18.所述信干燥比的计算公式为：
[0019][0020]
其中，m为所述通信用户的数量，hm为所述目标基站与第m个所述通信用户之间的无线信道系数，γm为第m个所述通信用户对应的无线信道的信干燥比，wm为所述目标基站向第m个所述通信用户传输信号之前赋予的信号权重，wj为所述目标基站向第j个所述通信用户传输信号之前赋予的信号权重，σm为所述目标基站向第m个所述通信用户传输信号时的传输噪声。
[0021]
所述可达速率的计算公式为：
[0022][0023]
其中，rm为第m个所述通信用户对应的无线信道的可达速率，γm为第m个所述通信用户对应的无线信道的信干燥比，vm为第m个所述通信用户对应的短包传输下的信道散布参数，bm为分配给第m个所述通信用户的带宽，t为给定的传输延时，εm为第m个所述通信用户对应的给定的误码率需求量，q-1
(
·
)为q方程的反函数。
[0024]
所述通信用户对应的短包传输下的信道散布参数的计算公式为：
[0025]vm
＝1-(1+γm)-2
[0026]
其中，γm为第m个所述通信用户对应无线信道的信干燥比，vm为第m个所述通信用户对应的短包传输下的信道散布参数。
[0027]
所述短包波束形成优化模型包括目标函数和约束条件；
[0028]
其中，所述目标函数为：
[0029][0030]
其中，r
sum
为所述通信用户对应的可达速率的加权和，rm为第m个所述通信用户对应的无线信道的可达速率，um为第m个所述通信用户的性能权重，m为所述通信用户的数量；
[0031]
所述约束条件为：
[0032][0033]rm
≥γm；
[0034]
其中，p
max
为所述目标基站的最大传输功率，wm为所述目标基站向第m个所述通信用户传输信号之前赋予的信号权重，表示wm的共轭转置向量，γm为通信用户速率要求的门限值。
[0035]
迭代求解各个所述通信用户对应的所述短包波束形成优化模型，获得各个所述通信用户对应的短包波束形成向量，包括：
[0036]
采用辅助变量tm和秩1约束下的半正定变量wm，将所有所述通信用户对应的可达速率的加权和转化为两个凹函数相减的形式，得到优化后的所有所述通信用户对应的可达速率的加权和r
sum
为：
[0037][0038]
其中，γm为第m个所述通信用户对应无线信道的信干燥比，γj为第j个所述通信用户对应无线信道的信干燥比，σm为所述目标基站向第m个所述通信用户传输信号时的传输噪声，为定义符号，vm为第m个所述通信用户对应的短包传输下的信道散布参数，bm为分配给第m个所述通信用户的带宽，t为给定的传输延时，εm为第m个所述通信用户对应的给定的误码率需求量，q-1
(
·
)为q方程的反函数；
[0039]
对函数tm和包含wm的凹函数fm(wm)进行一阶泰勒展开，并采用逐次迭代方法，分别获得函数tm和fm(wm)的近似函数；
[0040]
将函数tm和包含wm的凹函数fm(wm)的近似函数带入对应的所述短包波束形成优化模型中，并采用内点法迭代方法对对应的所述短包波束形成优化模型进行求解，获得所述通信用户对应的短包波束形成矩阵；其中，所述内点法迭代方法的结束条件为连续两次迭代过程中输出的所述通信用户对应的可达速率的加权和的差值小于阈值；
[0041]
对所述短包波束形成矩阵进行奇异值分解，获得所述通信用户对应的短包波束形成向量。
[0042]
5g电力场景下的通信方法，应用于目标基站，包括：
[0043]
获取5g电力场景下的波束优化方法中得到的短包波束形成向量；
[0044]
根据所述短包波束形成向量，向预设范围内的各个通信用户传输信号。
[0045]
根据所述短包波束形成向量，向预设范围内的各个通信用户传输信号，包括：
[0046]
将所述短包波束形成向量作为传输权重加到需要传输的信号前，采用时分多址技术，向预设范围内的各个通信用户传输信号。
[0047]
5g电力场景下的波束优化系统，包括：
[0048]
计算模块，获取目标基站预设范围内的所有通信用户的通信信息，根据各个所述通信用户的通信信息，计算各个所述通信用户对应的无线信道的可达速率；
[0049]
优化模型构建模块，根据各个所述通信用户对应的所述可达速率，构建各个所述
通信用户对应的短包波束形成优化模型；其中，所述短包波束形成优化模型以最大化所有所述通信用户对应的所述可达速率的加权和为优化目标；
[0050]
求解模块，迭代求解各个所述通信用户对应的所述短包波束形成优化模型，获得各个所述通信用户对应的短包波束形成向量。
[0051]
优化模型构建模块构建的短包波束形成优化模型包括目标函数和约束条件；
[0052]
其中，所述目标函数为：
[0053][0054]
其中，r
sum
为所述通信用户对应的可达速率的加权和，rm为第m个所述通信用户对应的无线信道的可达速率，um为第m个所述通信用户的性能权重，m为所述通信用户的数量；
[0055]
所述约束条件为：
[0056][0057]rm
≥γm；
[0058]
其中，p
max
为所述目标基站的最大传输功率，wm为所述目标基站向第m个所述通信用户传输信号之前赋予的信号权重，表示wm的共轭转置向量，γm为通信用户速率要求的门限值。
[0059]
5g电力场景下的通信系统，应用于目标基站，包括：
[0060]
短包波束形成向量模块，获取5g电力场景下的波束优化方法中得到的短包波束形成向量；
[0061]
传输模块，根据所述短包波束形成向量，向预设范围内的各个通信用户传输信号。
[0062]
传输模块，将所述短包波束形成向量作为传输权重加到需要传输的信号前，采用时分多址技术，向预设范围内的各个通信用户传输信号。
[0063]
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行5g电力场景下的波束优化方法或通信方法。
[0064]
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行5g电力场景下的波束优化方法或通信方法的指令。
[0065]
本发明所达到的有益效果：本发明通过传输短包来有效降低通信时延，并构建短包波束形成优化模型，该模型以最大化所有所述通信用户对应的所述可达速率的加权和为目标，通过迭代求解各个通信用户对应的短包波束形成优化模型，获得各个通信用户对应的短包波束形成向量，基于短包波束形成向量进行信号传输，能够有效增大电力系统中传输速率、提升传输可靠性以及满足用户低时延的需求。
附图说明
[0066]
图1为本发明波束优化方法的流程图；
[0067]
图2为5g电力场景示意图；
[0068]
图3为本发明通信方法的流程图。
具体实施方式
[0069]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0070]
如图1所示，5g电力场景下的波束优化方法，包括以下步骤：
[0071]
步骤1，获取目标基站预设范围内的所有通信用户的通信信息，根据各个所述通信用户的通信信息，计算各个所述通信用户对应的无线信道的可达速率；
[0072]
步骤2，根据各个所述通信用户对应的所述可达速率，构建各个所述通信用户对应的短包波束形成优化模型；其中，所述短包波束形成优化模型以最大化所有所述通信用户对应的所述可达速率的加权和为优化目标；
[0073]
步骤3，迭代求解各个所述通信用户对应的所述短包波束形成优化模型，获得各个所述通信用户对应的短包波束形成向量。
[0074]
上述方法通过传输短包来有效降低通信时延，并构建短包波束形成优化模型，该模型以最大化所有所述通信用户对应的所述可达速率的加权和为目标，通过迭代求解各个通信用户对应的短包波束形成优化模型，获得各个通信用户对应的短包波束形成向量，基于短包波束形成向量进行信号传输，能够有效增大电力系统中传输速率、提升传输可靠性以及满足用户低时延的需求。
[0075]
以图2中的5g电力场景为例，其中部署了一台与5g电力组网相连基站，同时基站配备了一个多天线阵列单元，共n
t
根天线，同时，在电力无线网中分布了m个单天线用户。为了实现多用户的低延时、高可靠的通信需求，基站通过多天线阵列单元利用空分多址技术实现频分复用增益。
[0076]
基站侧的通信方法可以如下：
[0077]
收集目标基站预设范围内的所有通信用户的通信信息，即收集m个通信用户的需求、分布、坐标、天线角度等。
[0078]
由于采用空分多址技术，那么基站会在每一个传输信号之前增添一个权重，即传输信号可以表示为其中wm为向第m个通信用户传输信号之前增添的权重，xm为向第m个通信用户传输的信号。
[0079]
因此在考虑采用时分多址技术服务用户的情况下，构建基站与通信用户之间的传输链路，可根据各个通信用户的通信信息，计算各个通信用户对应的无线信道系数，根据各个通信用户对应的无线信道系数，可进一步计算计算各个通信用户对应的无线信道的信干燥比，具体计算公式可以为：
[0080][0081]
其中，m为通信用户的数量，hm为目标基站与第m个通信用户之间的无线信道系数，γm为第m个通信用户对应的无线信道的信干燥比，wm为目标基站向第m个通信用户传输信号
之前赋予的信号权重，wj为目标基站向第j个通信用户传输信号之前赋予的信号权重，σm为目标基站向第m个通信用户传输信号时的传输噪声，此外，表示第m个通信用户接受信号中的噪声项。
[0082]
为了消除通信中多用户之间的干扰，这里利用短包波束形成方案；可根据各个通信用户对应的所述信干燥比，计算各个通信用户对应的短包传输下的信道散布参数，可根据通信用户对应的所述信干燥比、所述信道散布参数、给定的误码率需求量和传输延时，计算各个通信用户对应的无线信道的可达速率，具体计算公式可以为：
[0083][0084]
其中，rm为第m个所述通信用户对应的无线信道的可达速率，vm为第m个所述通信用户对应的短包传输下的信道散布参数，vm＝1-(1+γm)-2
，γm为第m个所述通信用户对应的无线信道的信干燥比，bm为分配给第m个所述通信用户的带宽，t为给定的传输延时，εm为第m个所述通信用户对应的给定的误码率需求量，q-1
(
·
)为q方程的反函数，t表示时间。
[0085]
为保证5g电力场景下所有用户性能的公平性，引入用户权重，根据各个通信用户对应的所述可达速率，可构建各个通信用户对应的短包波束形成优化模型。
[0086]
该模型以短包波束形成优化模型以以最大化所有所述通信用户对应的所述可达速率的加权和为优化目标，考虑了基站传输功率约束和基站向通信用户提供的服务质量要求约束，具体用公式可以表示为：
[0087]
目标函数：
[0088][0089]
其中，r
sum
为通信用户对应的可达速率的加权和，um为第m个所述通信用户的性能权重，系统通过um来控制和调整用户之间性能的公平性，m为所述通信用户的数量；
[0090]
约束条件：
[0091]
1)电力场景中基站的传输功率小于最大传输基站功率；
[0092][0093]
其中，p
max
为目标基站的最大传输功率，wm为目标基站向第m个通信用户传输信号之前赋予的信号权重，表示wm的共轭转置向量；
[0094]
2)基站向用户提供的服务应满足用户的最低服务质量要求；
[0095]rm
≥γm[0096]
其中，γm为通信用户速率要求的门限值。
[0097]
对上述模型进行迭代求解，获得优选的短包波束形成向量，即各个通信用户对应的短包波束形成向量，具体过程可以如下：
[0098]
s1)采用辅助变量tm和秩1约束下的半正定变量wm，将所有通信用户对应的可达速率的加权和转化为两个凹函数相减的形式，得到优化后的所有所述通信用户对应的可达速率的加权和r
sum
；
[0099]
引入半正定变量同时增加秩1约束rank(wm)＝1；
[0100]
引入辅助变量tm处理复杂的散布变量，即其中为定义符号；
[0101]
可将目标函数转化为两个凹函数相减的形式：
[0102][0103]
其中，包含wm的凹函数γj为第j个所述通信用户对应无线信道的信干燥比；
[0104]
s2)对函数tm和包含wm的凹函数fm(wm)进行一阶泰勒展开，采用逐次迭代方法，分别获得函数tm和fm(wm)的近似函数，分别记为和
[0105]
s3)将近似函数带入对应的短包波束形成优化模型中，并采用内点法迭代方法对对应的短包波束形成优化模型进行求解，获得通信用户对应的短包波束形成矩阵，即优选的短包波束形成矩阵其中，内点法迭代方法的结束条件为连续两次迭代过程中输出输出的通信用户对应的可达速率的加权和的差值小于阈值；
[0106]
s4)对优选的短包波束形成矩阵进行奇异值分解，获得通信用户对应的短包波束形成向量，即优选的短包波束形成向量
[0107]
基站可根据获得的短包波束形成向量进行信号传输。
[0108]
上述方法通过传输短包来有效降低通信时延，并构建短包波束形成优化模型，该模型以最大化所有所述通信用户对应的所述可达速率的加权和为目标，以用户通信质量为约束，旨在保证满足用户误码率和传输时间要求基础上，最大化系统通信性能，在设计短包波束形成的过程中，根据基站传输功率约束和基站向用户提供的服务质量要求约束不断迭代优化，获得优选的短包波束形成向量，从而可基于优选的短包波束形成向量进行信号传输，算法复杂度低，计算时间短，能够有效增大电力系统中传输速率、提升传输可靠性以及满足用户低时延的需求。
[0109]
基于相同的技术方案，本发明还公开了上述方法相应的软件系统，5g电力场景下的波束优化系统，包括：
[0110]
计算模块，获取目标基站预设范围内的所有通信用户的通信信息，根据各个所述通信用户的通信信息，计算各个所述通信用户对应的无线信道的可达速率。
[0111]
优化模型构建模块，根据各个所述通信用户对应的所述可达速率，构建各个所述通信用户对应的短包波束形成优化模型；其中，所述短包波束形成优化模型以最大化所有所述通信用户对应的所述可达速率的加权和为优化目标。
[0112]
短包波束形成优化模型包括目标函数和约束条件；
[0113]
其中，所述目标函数为：
[0114][0115]
其中，r
sum
为所述通信用户对应的可达速率的加权和，rm为第m个所述通信用户对应的无线信道的可达速率，um为第m个所述通信用户的性能权重，m为所述通信用户的数量；
[0116]
所述约束条件为：
[0117][0118]rm
≥γm；
[0119]
其中，p
max
为所述目标基站的最大传输功率，wm为所述目标基站向第m个所述通信用户传输信号之前赋予的信号权重，表示wm的共轭转置向量，γm为通信用户速率要求的门限值。
[0120]
求解模块，迭代求解各个所述通信用户对应的所述短包波束形成优化模型，获得各个所述通信用户对应的短包波束形成向量。
[0121]
上述5g电力场景下的波束优化系统中各模块的数据处理流程与方法的一致，这里不重复描述了。
[0122]
基于上述方法，本发明还公开了如图3所示的5g电力场景下的通信方法，包括：
[0123]
a1)获取5g电力场景下的波束优化方法中得到的短包波束形成向量；
[0124]
a2)将所述短包波束形成向量作为传输权重加到需要传输的信号前，即采用时分多址技术，向预设范围内的各个通信用户传输信号，用户接收到信号后进行解码，即可获得自身期望的信号。
[0125]
基于上述通信方法，本发明还公开了相应的软件系统，5g电力场景下的通信系统，应用于目标基站，包括：
[0126]
短包波束形成向量模块，获取5g电力场景下的波束优化方法中得到的短包波束形成向量；
[0127]
传输模块，将所述短包波束形成向量作为传输权重加到需要传输的信号前，采用时分多址技术，向预设范围内的各个通信用户传输信号。
[0128]
基于相同的技术方案，本发明还公开了一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行5g电力场景下的通信方法的指令。
[0129]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机
可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0130]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0131]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0132]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0133]
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。