一种用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法技术

本发明专利技术公开了一种用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法，基于5G协议的波束管理流程，引入虚拟用户概念，基站可以服务邻小区的用户，并将该邻小区用户看作本小区的虚拟用户进行求解计算，将多小区协作问题转化为单小区波束管理问题，设计了一套适用于5G用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法，目的是在多小区多用户协作场景下，当用户持续移动时，通过本方案的波束分配算法和功率分配算法，设计一种低复杂度的波束分配方案，将波束分配和功率分配过程独立开来，使得最后小区边缘用户在移动过程中的平均速率能够实现最大化，中心用户的通信质量也能得到有效保障。中心用户的通信质量也能得到有效保障。中心用户的通信质量也能得到有效保障。

【技术实现步骤摘要】
一种用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法


[0001]本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法。

技术介绍

[0002]毫米波Massive MIMO可以通过波束赋形技术对无线信号进行处理，产生方向性波束传输数据信息，波束的宽度越窄，方向性越好，信号增益也越大，然而同时也带来了一个问题，假设发送端的波束和接收端的波束方向没有实现对准，则数据不能被正确接收，偏离太大还可能导致通信链路中断，中断后的链路恢复以及波束的重新对准是需要深入研究的问题。
[0003]在5G标准化过程中，3GPP提出了波束管理的概念，波束管理是指基站和用户间采用L1/L2过程来确定一组用于上下行传输的gNB(5G基站)/UE波束，即实现发送端和接收端之间的波束对准、波束跟踪和波束恢复的过程。无论UE处于空闲模式的初始接入阶段，还是处于连接模式的数据传输阶段，都需要进行波束管理操作。在空闲状态下，UE对gNB的扫描波束进行测量，实现初始接入和波束对准；在连接状态下，UE对gNB的发送波束进行测量，进行波束调整和波束跟踪。
[0004]根据波束是否被预先设定可以将波束管理分为基于码本的波束管理技术和基于非码本的波束管理技术，基于码本的波束管理技术可分为波束扫描、波束测量、波束上报、波束恢复和波束跟踪，基于非码本的波束管理技术可分为波束追踪和波束切换。由于基于码本的波束管理技术更为广泛，且实用性比较高，因此本文重点研究基于码本的波束管理技术。
[0005]下面以下以下行传输为例，介绍基于码本的波束管理技术过程。波束扫描是指在初始阶段，基站向用户发送不同方向的波束，波束测量是指用户在接收到这些不同方向的波束后对接收信号的质量进行测量，波束上报是指用户将波束测量阶段测量的结果上报给基站，波束恢复是指链路中断以后重新建立通信链路的过程，波束切换则是指在用户移动过程中由于位置的改变使得收发端动态调整波束的过程。
[0006]现有多小区多用户波束选择方案中引入“关联因子”和“虚拟用户”的概念，以二进制变量表示波束与用户是否关联，设定每个小区中每个波束只能服务于一个用户，将小区中波束选择问题变成通过关联因子求解的问题。并且将小区边缘需要多个基站同时服务的用户拆分为本小区用户和邻小区服务的“虚拟用户”，同时考虑小区间协作，通过解耦，将多小区波束选择问题化解为独立单小区波束选择问题。现有技术具有以下缺陷：
[0007]1、现有方案仅考虑了用户初始接入下的波束选择问题，没有考虑移动场景下用户的波束选择和波束切换问题。
[0008]2、现有方案先综合考虑单/多波束服务用户，再将多波束分配到单小区进行优化，没有考虑到单波束服务用户和多波束服务用户之间的区别。
[0009]3、现有方案在设计连续变量(功率)和离散变量(波束关联因子)时采用联合设计
方案，这种设计方式容易使得用户不能获得最优分配。

技术实现思路

[0010]本专利技术针对上述问题，设计一种用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0012]本专利技术提供的一种用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法，包括以下步骤：
[0013]S1.多小区多用户系统在初始接入过程后每个用户获得最优波束匹配对；
[0014]S2.每隔时间间隔Ts进行一次波束扫描，计算每个小区用户位置；
[0015]S3.在每个小区内，通过用户位置信息对小区内用户建立初始用户
‑
波束配对；
[0016]S4.将每个小区的中心用户和边缘用户进行分组，并保存步骤S3中未分配的波束；
[0017]S5.计算每个小区内边缘用户是否具有辅助小区，若有辅助小区则标记该小区ID，若没有辅助小区则等待功率分配；
[0018]S6.将各小区中心用户的初轮匹配波束和步骤S4中未分配的波束组成新的波束集，然后对各小区中心用户和该小区的虚拟用户通过用户位置采用协作波束分配算法进行波束分配；
[0019]S7.对各小区内边缘用户和中心用户采用基于博弈论的功率分配算法；
[0020]S8.收发波束对配对和功率分配完成，基站和用户间继续进行数据传输。
[0021]进一步地，步骤S1多小区多用户系统模型为MIMO下行链路独立网络，小区数量为L，每个小区半径为R，基站端有N
t
根发射天线，发送波束数为M，各小区用户数为K，每个用户接收天线数为N
r
。
[0022]进一步地，在每次波束匹配过程中满足以下要求：
[0023]1)每个基站中发送波束数大于该小区用户数；
[0024]2)每个发送波束最多只能服务一个用户；
[0025]3)在每个小区内部划分小区中心用户群和小区边缘用户群，小区中心用户只能被本小区基站服务，小区边缘用户被本小区或邻小区基站服务，当小区边缘用户被邻小区基站服务时，最多只能由一个邻小区基站对其进行服务；
[0026]4)每个基站的发送波束彼此正交；
[0027]5)不同小区采用不同载频进行传输，用户具有在多个载频下接收信息的能力，通过频域带通滤波器，保证不同小区之间的信号不会发生干扰。
[0028]进一步地，步骤S6中协作波束分配算法具体为：
[0029]S61：计算每个基站l与用户k之间的距离d
l,k
，当d
l,k
＞d1，则该用户k为小区边缘用户；d1为每个小区边缘用户距离门限值，用来判断第l个小区的第k个用户是否为该小区的边缘用户；
[0030]S62：计算每个边缘用户与其他基站的距离d
l',k
，并对全部距离值进行降序排序；当mind
l',k
＞d2，该边缘用户无第二基站，也无需挑选辅助波束。当假设与边缘用户k最短距离的基站为BSl'，则该边缘用户的第二基站为BSl'，d2为小区边缘用户与第
二基站的最远距离，用来判断该边缘用户是否能找到第二基站；
[0031]S63：定义选择基站l
′
作为第二基站的边缘用户集合US
l
′
；
[0032]S64：每个小区运行，为每个小区的每个用户分配一个波束；
[0033]S65：确定每个小区需要重新分配波束的用户与波束集合；
[0034]S66：每个小区执行新的波束选择算法。
[0035]进一步地，步骤S66新的波束选择算法为：
[0036]对新的用户集合T
nu
中每个用户在新的波束集合中获取波束矩阵Γ，若T
nu
中有x1个元素，有x2个元素，则矩阵Γ的维度是x1*x2；
[0037]S66.2：T
nu
中每个UE根据波束矩阵Γ对中每个波束进行降序排序，作为自己选择波束的优先级；
[0038]S66.3：中每个波束对根据Γ对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.多小区多用户系统在初始接入过程后每个用户获得最优波束匹配对；S2.每隔时间间隔Ts进行一次波束扫描，计算每个小区用户位置；S3.在每个小区内，通过用户位置信息对小区内用户建立初始用户
‑
波束配对；S4.将每个小区的中心用户和边缘用户进行分组，并保存步骤S3中未分配的波束；S5.计算每个小区内边缘用户是否具有辅助小区，若有辅助小区则标记该小区ID，若没有辅助小区则等待功率分配；S6.将各小区中心用户的初轮匹配波束和步骤S4中未分配的波束组成新的波束集，然后对各小区中心用户和该小区的虚拟用户通过用户位置采用协作波束分配算法进行波束分配；S7.对各小区内边缘用户和中心用户采用基于博弈论思想的双层功率分配算法；S8.收发波束对配对和功率分配完成，基站和用户间继续进行数据传输。2.根据权利要求1所述的用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法，其特征在于，步骤S1多小区多用户系统模型为MIMO下行链路独立网络，小区数量为L，每个小区半径为R，基站端有N
t
根发射天线，发送波束数为M，各小区用户数为K，每个用户接收天线数为N
r
。3.根据权利要求1所述的用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法，其特征在于，在每次波束匹配过程中满足以下要求：1)每个基站中发送波束数大于该小区用户数；2)每个发送波束最多只能服务一个用户；3)在每个小区内部划分小区中心用户群和小区边缘用户群，小区中心用户只能被本小区基站服务，小区边缘用户被本小区或邻小区基站服务，当小区边缘用户被邻小区基站服务时，最多只能由一个邻小区基站对其进行服务；4)每个基站的发送波束彼此正交；5)不同小区采用不同载频进行传输，用户具有在多个载频下接收信息的能力，通过频域带通滤波器，保证不同小区之间的信号不会发生干扰。4.根据权利要求1所述的用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法，其特征在于，步骤S6中协作波束分配算法具体为：S61：计算每个基站l与用户k之间的距离d
l，k
，当d
l，k
＞d1，则该用户k为小区边缘用户；S62：计算每个边缘用户与其他基站的距离d
l'，k
，并对全部距离值进行降序排序。当mind
l'，k
＞d2，该边缘用户无第二基站，也无需挑选辅助波束；当假设与边缘用户k最短距离的基站为BSl'，则该边缘用户的第二基站为BSl'；S63：定义选择基站l'作为第二基站的边缘用户集合US
l'
；S64：每个小区运行，为每个小区的每个用户分配一个波束；S65：确定每个小区需要重新分配波束的用户与波束集合；S66：每个小区执行新的波束选择算法。5.根据权利要求4所述的用户移动场景下多小区协作波束选择及管理方法，其特征在于，步骤S66新的波束选择算法为：S66.1：对新的用户集合T
nu
中每个用户在新的波束集合中获取波束矩阵Γ，若T
nu
中
有x1个元素，有x2个元...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立华，陈艺苑，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：