一种定位辅助通信波束优化方法和系统

本发明属于无线通信，具体涉及一种定位辅助通信波束优化方法和系统。

背景技术：

1、近年来，随着增强现实、虚拟现实、超高清视频等室内高速通信服务的增多，互联网流量的巨大增长导致对无线带宽产生巨大的需求。在5g无线通信中，sub-6ghz低频段的频谱资源已经无法满足高速率传输业务的需求。毫米波频段在30ghz-300ghz之间拥有丰富的可用带宽，可以提供千兆比特的数据率以及毫秒级的时延，受到了工业界和学术界的广泛关注。但是，由于毫米波频段高、传播损耗严重，导致通信链路质量急剧下降，限制了它的覆盖范围，降低了传输速率。因此，需要采用波束成形技术来补偿毫米波通信中严重的信道衰减以及减少干扰。

2、波束成形技术是一种需要通过一系列的波束扫描操作来建立波束链路，从而将信号以能量集中和定向方式发送给无线终端的技术，广泛应用于雷达系统和通信系统中。现有的波束扫描方法主要有穷举搜索、迭代搜索以及上下文信息辅助搜索。穷举搜索方案是基站/用户按照一定的顺序扫描所有角空间，从中找到最佳波束方向，该方法需要大量的搜索时延和功耗，尤其是在窄波束场景中更为明显。迭代搜索方法则是利用宽波束来缩小扫描扇区，并逐渐缩小波束宽度，从而确定最佳的波束方向，该方法也需要较高的搜索时间。上下文信息辅助搜索方法则是利用上下文信息来缩小波束搜索空间，加速搜索进程，然而，该方法容易受到上下文信息准确性的影响，实施过程较为复杂。

3、此外，在复杂多变的室内环境中，各种障碍物将会破坏用户终端和毫米波基站之间的波束链路，导致需要不断进行波束搜索来重建新的链路，占用了数据传输时间，降低传输数据率。

4、针对以上问题，公开号为cn111446999a的专利文献公开了基于多臂强盗的位置辅助波束对准方法及其系统，包括：获取接收器的位置信息；根据位置信息选择视距(line ofsignt，los)路径的多个los波束，形成los子集；从剩余的波束中选择多个拥有最大上置信界(upper confidence bound，ucb)值的非视距(non line of sight，nlos)路径的多个nlos波束，形成nlos子集；在波束对准期间，根据los子集和nlos子集中的所有路径的信道状态，选择具有最大路径增益的多个波束；在数据传输期间，通过选择的波束并行传输数据流，并获得波束的ucb奖励值；基于ucb奖励值，更新波束的平均回报。但是该发明没有分析位置信息准确性对波束对准时延的影响，在复杂的实际环境下适用性较差，且该发明采用的发射器和接收器均为具有线性阵列天线的系统，不适用于配置简单天线的移动设备，限制了物联网场景中的应用范围。

5、公开号为cn104486775a的专利文献公开了基于用户位置的跟踪预测的有源天线阵列波束优化方法，包括：根据用户位置的历史信息对移动用户位置进行预测和跟踪，并且，根据预测的位置信息计算出用户的垂直仰角和水平方位角，实现基站波束到用户的波束对准。但是该发明需要建立移动用户的运动模型和测量模型，实现方法较为复杂，特别是在移动用户的运动状态较为复杂的情况下，建立的模型不够准确容易引起较大的预测误差，从而降低波束对准效率，降低系统吞吐量性能。

6、因此，如何利用定位信息辅助波束搜索、保证用户终端快速接入毫米波网络至关重要，另外，还需要优化波束宽度，平衡波束搜索时延以及波束成形增益，以降低波束搜索时延，增加数据传输时间，提高毫米波通信的传输数据率。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种定位辅助通信波束优化方法和系统，采用双连接异构网络系统，根据用户终端的定位信息及定位误差来缩小波束搜索空间，采用最大化传输数据率优化波束宽度，从而降低波束搜索时延，提高毫米波通信的传输数据率。

2、为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供的一种定位辅助通信波束优化方法，包括以下步骤：

4、步骤1：采用双连接异构网络系统将用户终端接入sub-6ghz接入点和毫米波基站，sub-6ghz接入点和毫米波基站分别接入控制中心，基于用户终端的信号到sub-6ghz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，并计算定位误差，sub-6ghz接入点将位置信息和定位误差传入控制中心；

5、步骤2：在控制中心中，采用接收信号强度的准则以及位置信息选择为用户终端服务的毫米波基站，并将位置信息和定位误差发送给所述毫米波基站；

6、步骤3：在选定的毫米波基站中，根据定位误差计算波束扫描角度，基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描；

7、步骤4：波束扫描完成后，毫米波基站与用户终端之间建立起波束链路，开始进行数据传输，若在数据传输过程中，波束链路被破坏，则返回步骤2，控制中心重新选择毫米波基站，进行后续操作以建立新的波束链路，实现数据传输。

8、本发明的技术构思为：针对现有技术中，采用定位信息辅助波束成形技术补偿波束对准过程中信道估计复杂且不准确的问题，提出了采用双连接异构网络系统，将用户终端连接到sub-6ghz接入点以及毫米波基站中，通过sub-6ghz接入点采集用户终端的位置信息，并计算定位损失；接着将位置信息和定位损失上传到控制中心，根据接收信息强度的准则和位置信息选择最优毫米波基站进行服务；在服务毫米波基站中，基于用户的定位损失计算波束扫描角度，由于本发明技术方案中考虑了用户终端的定位误差，因此得到的波束扫描角度相较于传统的利用定位信息辅助波束成形更加完备；最后，为了保证波束扫描的高效以及平衡波束成形增益，本发明进一步采用了最大化通信传输数据率对波束宽度进行优化，以用户终端的位置信息为中心，根据得到的波束扫描角度进行高质量的波束扫描。

9、进一步的，所述的用户终端为至少包含两根全向天线的装置，其中一根全向天线用于接入sub-6ghz频段，另一根全向天线用于接入毫米波频段，用户终端包括手机、电脑或平板。

10、进一步的，所述的sub-6ghz接入点配备了用于对用户终端信号进行定位和信号传输的若干根全向天线，sub-6ghz接入点包括蜂窝基站和wifi接入点。

11、进一步的，所述的毫米波基站配备了具有波束转向能力的均匀线性阵列天线和波束形成单元。

12、进一步的，所述的基于用户终端的信号到sub-6ghz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，具体为：

13、采用往返时间方法，sub-6ghz接入点对接收到的来自用户终端的信号进行多次往返时间定位交互，并计算平均往返时间值，得到到达时间根据到达时间计算sub-6ghz接入点和用户终端之间的距离c表示光速；

14、采用修正多信号分类算法，sub-6ghz接入点对接收到的来自用户终端的信号进行角度估计，得到到达角

15、根据距离和到达角估计用户终端的位置信息，用公式表示为：

16、

17、其中，(xs,ys)表示sub-6ghz接入点的位置信息，表示用户终端的位置信息。

18、所述的定位误差，具体为用户终端位置估计的均方根误差，用公式表示为：

19、

20、其中，rmse表示用户终端位置估计的均方根误差，(x,y)表示用户终端的真实位置，τ和θ为真实的到达时间和到达角，是到达角的估计误差的方差，是到达时间的估计误差的方差。

21、进一步的，所述的波束扫描角度，用公式表示为：

22、φ＝2arctan(rmse/r)

23、其中，φ表示波束扫描角度，r表示毫米波基站与用户终端之间的距离。

24、进一步的，所述的基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，具体为：

25、建立毫米波基站与用户终端之间的传输信号模型和波束方向图模型，根据据简化后的波束方向图模型得到波束成形增益g，用公式表示为：

26、

27、其中，gm表示主瓣增益，表示主瓣的波束宽度，gs表示旁瓣增益，表示旁瓣的波束宽度，波束空间为2π；

28、基于香农定理，根据得到的波束成形增益g，采用接收信噪比来计算用户终端的传输数据率，接收信噪比snr和传输数据率r用公式表示为：

29、

30、

31、其中，pt表示发射功率，β表示单位距离的路径损耗增益，α表示路径损耗指数，h0为信道增益向量，r表示毫米波基站到用户终端之间的距离，服从概率密度分布函数r0表示用户终端与服务毫米波基站之间的最小距离，λp表示毫米波基站的部署密度，表示噪声功率，表示归一化噪声，ψ表示时分复用比例因子，b表示毫米波带宽，τl表示定位时间比例因子，tp表示毫米波基站发送波束训练包以及等待用户终端回复的时间，t表示一个定位辅助波束成形帧的时长；

32、在保障用户服务质量以及扫描时延的约束条件下，通过最大化传输数据率优化波束宽度，涉及到的优化模型用公式表示为：

33、

34、s.t.r≥γmin

35、

36、其中，s.t.表示约束条件，γmin表示约束条件下的最低传输数据率要求；

37、采用优化模型对传输数据率进行优化，得到最优波束宽度，用公式表示为：

38、

39、其中，表示最优波束宽度，w{·}为第零分支的朗博函数，a＝1-τl，都是与无关的正常数。

40、进一步的，所述的根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描，具体为：

41、毫米波基站在波束扫描角度范围内的每一个方向发送训练信号；

42、用户终端接收训练信号，并将接收到的snr值反馈给服务毫米波基站；

43、在服务毫米波基站完成波束扫描后，根据用户终端反馈的snr值确定最大snr值对应的波束方向，即为最优发射波束方向。

44、第二方面，为实现上述发明目的，本发明还提供了一种定位辅助通信波束优化装置，包括定位模块，毫米波基站选择模块，波束扫描模块，数据传输模块；

45、所述定位模块用于采用双连接异构网络系统将用户终端接入sub-6ghz接入点和毫米波基站，sub-6ghz接入点和毫米波基站分别接入控制中心，基于用户终端的信号到sub-6ghz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，并计算定位误差，sub-6ghz接入点将位置信息和定位误差传入控制中心；

46、所述毫米波基站选择模块用于在控制中心中，采用接收信号强度的准则以及位置信息选择为用户终端服务的毫米波基站，并将位置信息和定位误差发送给所述毫米波基站；

47、所述波束扫描模块用于在选定的毫米波基站中，根据定位误差计算波束扫描角度，基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描；

48、所述数据传输模块用于波束扫描完成后，毫米波基站与用户终端之间建立起波束链路，开始进行数据传输，若在数据传输过程中，波束链路被破坏，则返回毫米波基站选择模块，控制中心重新选择毫米波基站，进行后续操作以建立新的波束链路，实现数据传输。

49、本发明的有益效果如下：

50、(1)本发明利用用户终端的位置信息以及定位误差来辅助毫米波基站缩小波束扫描范围，不仅降低算法实现复杂度，还有效降低波束搜索时延；

51、(2)为了进一步提升波束扫描效率，本发明还提出采用最大化传输数据率来优化波束宽度，平衡了波束搜索时延和波束成形增益之间的性能影响，极大程度上提升了毫米波通信的传输数据率；

52、(3)本发明采用低频段传输可靠、覆盖范围广以及高频段传输速率快的双连接异构网络系统，将用户终端接入sub-6ghz接入点和毫米波基站，有利于毫米波基站快速可靠地获得用户终端的定位信息并进行波束扫描，从而保障用户终端快速接入毫米波通信网络，进一步提升了系统的传输数据率。