一种大规模天线系统中波束宽度优化方法及切换方法技术方案

本申请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，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

【技术实现步骤摘要】
一种大规模天线系统中波束宽度优化方法及切换方法
本专利技术涉及无线通讯
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，为定值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大规模天线系统中波束宽度优化方法，其特征在于，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

【技术特征摘要】
1.一种大规模天线系统中波束宽度优化方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的大规模天线系统中波束宽度优化方法，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的大规模天线系统中波束宽度优化方法，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的大规模天线系统中波束宽度优化方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天魁，耿立茹，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11