CN106162833B - 基于特高频信号辅助的毫米波微小区选择方法 - Google Patents

基于特高频信号辅助的毫米波微小区选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于特高频信号辅助的毫米波微小区选择方法，其步骤为：1.确定用户所处扇区；2.传输特高频指示信号；3.传输毫米波定位检测信号；4.微基站信息处理；5.判断是否存在可以接纳新用户的毫米波微小区；6.微基站反馈信息；7.判断是否存在满足合法通信条件的毫米波微小区；8.估计用户位置；9.微基站扫描用户；10.判断是否存在满足合法通信条件的毫米波微小区；11.微基站反馈信息；12.建立候选小区列表；13.选择微基站通信；14.宏基站直接与用户通信。本发明可以减少搜索时间，提高搜索效率，实现毫米波微小区快速选择的目标。

Description

基于特高频信号辅助的毫米波微小区选择方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于特高频UHF(Ultra High Frequency)信号辅助的毫米波微小区选择方法。本发明适用于异构网，特高频UHF信号基站，根据对用户波束搜索所得到的信息选择毫米波信号传输基站，并发送特高频UHF信号告知用户接入的毫米波信号传输基站建立通信。
背景技术
近年来，无线通信网络主要使用400MHz～3GHz频段来实现用户基站与用户之间的通信，该频段能够平衡覆盖区域范围能力和处理大量用户的能力，有助于无线网络的广泛应用。其中300MHz～3GHz频段被称为特高频UHF，其波长范围1～10分米，又称分米波。随着用户对移动带宽访问需求的增加，该频段已经不能满足高速数据传输要求，引入新的频段是十分必要的。30GHz以上频段被称为毫米波，毫米波通信技术能够实现电子设备的超高速数据无线传输。同时毫米波具有路径损耗大、通信距离较短的特点。为了增加毫米波通信的距离，毫米波通信需要使用高增益天线阵列实现用户的高速数据传输。该技术具有波束窄和定向性等特征，使用此技术，如果用户不在定向天线方向图的指向范围内，则无法找到用户，产生所谓的“阴影现象”。因此，在实际应用中，常常采用由UHF频段和毫米波协作通信的异构网络增强覆盖效果。
Antonio Capone等人在其发表的论文“Context Information for Fast CellDiscovery in mm-wave 5G Networks”(in European Wireless 2015)中提出一种利用UHF信号为用户选择毫米波微小区的方法。该方法通过特高频小区使用UHF信号与用户建立通信，确定用户的位置信息。毫米波微小区按照用户的位置信息发送定向窄波束指向用户。当用户的位置信息不正确时，毫米波微小区沿着用户的大致方向进行窄波束遍历搜索，遍历所有可能的波束指向确定通信的波束。该方法存在的不足之处是，当UHF信号确定的用户位置信息不准确时，所有的毫米波微小区仍然需要遍历搜索与用户建立通信，特高频小区根据建立通信的反馈信息为用户选择接入的毫米波微小区。由于遍历搜索花费的时间冗长，导致毫米波微小区的选择方法效率低下。
华为技术有限公司在其申请的专利文件“一种毫米波相控阵波束对准方法及通信设备”(专利申请号：CN 201310023438.7，公开号：103052086 A)中提出了一种毫米波相控阵波束对准方法。该方法通过毫米波微小区与用户通过UHF频段通信链路进行通信，确定搜索角度。毫米波微小区在搜索角度指示的方向上发射毫米波信号对用户进行搜索。用户在搜索角度指示的方向上接收到毫米波信号后发送反馈信息。毫米波微小区在接收到反馈信息后，与用户在搜索角度指示的方向上实现毫米波相控阵波束对准。该方法存在的不足是，当UHF信号确定的波束指向错误时，仍然需要遍历毫米波波束确定用户所在的通信指向角度，导致选择毫米波微小区花费的时间冗长。同时，每个毫米波微小区都需要与宏基站建立通信确定搜索角度，当毫米波微小区过多时，确定搜索角度的开销过大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于特高频信号辅助的毫米波微小区选择方法，以解决搜索用户时延过大，在多个毫米波微小区存在时，搜索开销过大，搜索效率低下的问题，实现毫米波微小区快速选择的目标。
本发明实现的基本思路是：在UHF信号辅助的情况下，对用户使用先宽波束后窄波束两级搜索方法，通过用户位置估计快速地发现用户。
为实现上述目的，本发明实现步骤如下：
(1)确定用户所处扇区：
(1a)按照扇区划分方法，宏基站将特高频信号的覆盖范围均分为多个扇区；
(1b)宏基站依次使用不同扇区接收用户发送的特高频UHF请求接入信号，利用接收信号功率计算公式，计算使用不同扇区时的特高频UHF请求接入信号接收功率；
(1c)宏基站从所有的扇区中选取接收功率最大的扇区，将该扇区作为用户所处的扇区；
(2)传输特高频指示信号：
(2a)宏基站向用户发送特高频UHF指示信号；
(2b)宏基站向用户所处扇区内的微基站发送特高频UHF指示信号；
(3)传输毫米波定位检测信号：
(3a)按照指示信号响应方法，用户发送全向毫米波定位检测信号；
(3b)按照指示信号响应方法，微基站生成毫米波宽波束扫描接收毫米波定位检测信号；
(4)微基站处理信息：
(4a)按照接收信号功率计算公式，微基站计算各宽波束下的定位检测信号接收功率；
(4b)微基站选择满足接收功率条件的毫米波微小区；
(4c)微基站将对准满足接收功率条件毫米波微小区的宽波束，确定为毫米波微小区的通信波束；
(5)微基站判断是否存在可以接纳新用户的毫米波微小区，若是，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(14)；
(6)微基站反馈信息：
按照微基站反馈信息方法，微基站向宏基站反馈信息；
(7)宏基站判断是否存在满足合法通信条件的毫米波微小区，若是，则执行步骤(12)，否则，执行步骤(8)；
(8)估计用户位置：
(8a)按照定位检测信号接收功率从大到小的顺序，宏基站对用户所处扇区内的所有微基站排序；
(8b)宏基站从排序中选择前两个微基站，将排序中第一个微基站记为微基站1，第二个微基站记为微基站2，利用估计用户位置方程组，估计用户位置；
(8c)宏基站向毫米波基站发送用户位置信息；
(9)微基站扫描用户：
(9a)微基站生成直接指向用户位置的窄波束，以该波束为中心用窄波束扫描接用户所在扇区接收定位检测信号；
(9b)按照接收信号功率计算公式，微基站计算各窄波束下的定位检测信号接收功率；
(10)微基站判断是否存在满足合法通信条件的毫米波微小区，若是，执行步骤(11)，否则，执行步骤(14)；
(11)微基站反馈信息：
按照微基站反馈信息方法，微基站向宏基站反馈信息；
(12)建立候选小区列表：
宏基站根据微基站反馈的信息，建立候选小区列表；
(13)选择微基站通信：
(13a)宏基站按照定位检测信号接收功率从大到小的顺序，对候选小区列表中的毫米波微小区进行排序；
(13b)从排序中选择第一个毫米波微小区，宏基站确定该毫米波微小区所属的微基站；
(13c)宏基站通知已确定的微基站，指示微基站与用户建立通信；
(14)宏基站直接与用户通信。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一、由于本发明采用用户位置估计方法，克服了现有技术在特高频信号无法正确确定波束指向的前提下，遍历毫米波波束确定用户所在的通信指向角度，导致选择毫米波微小区花费的时间冗长的缺点，使得本发明可以在利用直接指向窄波束的前提下进行窄波束扫描，实现毫米波微小区快速选择的目标。
第二、由于本发明采用毫米波微小区选择方法，克服了现有技术在毫米波微小区过多的前提下，每个毫米波微小区都需要与宏基站建立通信确定搜索角度，搜索时间过大的缺点，使得本发明可以实现减少搜索时间，提高搜索效率的目标。
附图说明
图1为本发明的应用场景图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明中毫米波宽波束的覆盖空间的波束方向示意图；
图4为本发明中估计用户位置方法的示意图；
图5为本发明中毫米波窄波束的覆盖空间的波束方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参照附图1，本发明应用场景为多小区场景，宏基站A的覆盖范围称为宏小区，在宏小区范围内有5个微基站，分别是微基站B、C、D、E、F，微基站覆盖范围称为微小区。用户处于扇区a中，扇区a覆盖3个微基站，分别是微基站B、C、D。
参照附图2，对本发明实现的具体步骤进行具体描述。
步骤1，确定用户所处扇区。
按照扇区划分方法，宏基站A将特高频信号的覆盖范围均分为多个扇区。
扇区划分方法是指，从6扇区，9扇区，12扇区中任选一种，将基站覆盖范围角度均分为多个区域，每个区域作为一个扇区。
宏基站A依次使用不同扇区接收用户发送的特高频UHF请求接入信号，利用接收信号功率计算公式，计算使用不同扇区时的特高频UHF请求接入信号接收功率。
接收信号功率计算公式如下：
P＝10lg(abs(y))2
其中，P表示信号接收功率，lg(·)表示将功率单位由瓦特W转换为分贝dB，(abs(y))2表示接收信号绝对功率，abs(y)表示接收信号幅度，y表示接收信号。
宏基站A从所有的扇区中选取接收功率最大的扇区a，将扇区a作为用户所处的扇区。
步骤2，传输特高频指示信号。
宏基站A向用户发送特高频UHF指示信号。
宏基站A向扇区a内的微基站B、C、D发送特高频UHF指示信号。
步骤3，传输毫米波定位检测信号。
按照指示信号响应方法，用户发送全向毫米波定位检测信号。
指示信号响应方法是指，判断对特高频UHF指示信号进行响应的接收端的类型，若接收端类型为用户，则接收端根据指示发送全向毫米波定位检测信号，若接收端类型为微基站，则接收端根据指示生成毫米波宽波束扫描接收毫米波定位检测信号。
参照附图3，生成毫米波宽波束，毫米波宽波束主瓣权值幅度为1，波束宽度为30度，旁瓣幅度相对于主瓣忽略不计。按照指示信号响应方法，微基站B、C、D分别使用毫米波宽波束扫描接收毫米波定位检测信号。
指示信号响应方法是指，判断对特高频UHF指示信号进行响应的接收端的类型，若接收端类型为用户，则接收端根据指示发送全向毫米波定位检测信号，若接收端类型为微基站，则接收端根据指示生成毫米波宽波束扫描接收毫米波定位检测信号。
步骤4，微基站处理信息。
按照接收信号功率计算公式，微基站B、C、D分别计算各宽波束下的定位检测信号接收功率。
接收信号功率计算公式如下：
P＝10lg(abs(y))2
其中，P表示信号接收功率，lg(·)表示将功率单位由瓦特W转换为分贝dB，(abs(y))2表示接收信号绝对功率，abs(y)表示接收信号幅度，y表示接收信号。
微基站B、C、D选择满足接收功率条件的毫米波微小区。
接收功率条件如下，
Pth≥-174+10·lg(RB)
其中，Pth表示微基站的定位检测信号接收功率，lg(·)表示将功率单位由瓦特W转换为分贝dB操作，RB表示带宽。
微基站B、C、D将对准满足接收功率条件毫米波微小区的宽波束，确定为毫米波微小区的通信波束。
步骤5，微基站判断是否存在可以接纳新用户的毫米波微小区，若是，则执行步骤6，否则，执行步骤14。
步骤6，微基站反馈信息。
按照微基站反馈信息方法，可以接纳新用户的微基站B、D向宏基站A反馈信息。
微基站反馈信息方法如下，微基站将选择出的毫米波微小区的小区识别号ID、微基站的检测定位信号接收功率以及满足接收功率条件的波束码本信息反馈给宏基站。
步骤7，宏基站A判断是否存在满足合法通信条件的毫米波微小区。所述的合法通信条件如下：
-4dB≤Pth≤20dB
其中，Pth表示微基站的定位检测信号接收功率。
若是，则执行步骤12，否则，执行步骤8。
步骤8，估计用户位置。
按照定位检测信号接收功率从大到小的顺序，宏基站A对用户所处扇区a内的所有微基站排序。
参照附图4，宏基站A从排序中选择前两个微基站，分别毫米波为微基站B、D。将微基站B记为微基站1，微基站D记为微基站2，利用估计用户位置方程组，估计用户位置。
估计用户位置方程组如下：
其中，y表示用户位置的纵坐标，tan表示求斜率操作，θ1表示微基站1的波束指向角度，x表示用户位置的横坐标，x1表示微基站1位置的横坐标，y1表示微基站1位置的纵坐标，θ2表示微基站2的波束指向角度，x2表示微基站2位置的横坐标，y2表示微基站2位置的纵坐标。
宏基站向选择的毫米波基站B、D发送用户位置信息。
步骤9，微基站扫描用户。
参照附图5，微基站B、D分别生成直接指向用户位置的窄波束，波束主瓣权值幅度为1，波束宽度15度，旁瓣幅度相对于主瓣忽略不计。以该波束为中心用窄波束扫描用户所在扇区接收定位检测信号。
按照接收信号功率计算公式，微基站B、D分别计算各窄波束下的定位检测信号接收功率。
接收信号功率计算公式如下：
P＝10lg(abs(y))2
其中，P表示信号接收功率，lg(·)表示将功率单位由瓦特W转换为分贝dB，(abs(y))2表示接收信号绝对功率，abs(y)表示接收信号幅度，y表示接收信号。
步骤10，微基站判断是否存在满足合法通信条件的毫米波微小区。所述的合法通信条件如下：
-4dB≤Pth≤20dB
其中，Pth表示微基站的定位检测信号接收功率。
若是，执行步骤11，否则，执行步骤14。
步骤11，微基站反馈信息。
按照微基站反馈信息方法，微基站B、D向宏基站A反馈信息。
所述的微基站反馈信息方法如下，微基站将选择出的毫米波微小区的小区识别号ID、微基站的检测定位信号接收功率以及满足接收功率条件的波束码本信息反馈给宏基站。
步骤12，建立候选小区列表。
宏基站A根据微基站反馈的信息，建立候选小区列表。
步骤13，选择微基站通信。
宏基站A按照定位检测信号接收功率从大到小的顺序，对候选小区列表中的毫米波微小区进行排序。
宏基站A从排序中选择第一个毫米波微小区，确定该毫米波微小区所属的微基站。
宏基站A通知已确定的微基站，指示微基站与用户建立通信。
步骤14，宏基站A直接与用户通信。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于特高频信号辅助的毫米波微小区选择方法，包括步骤如下：
(1)确定用户所处扇区：
(1a)按照扇区划分方法，宏基站将特高频信号的覆盖范围均分为多个扇区；
(1b)宏基站依次使用不同扇区接收用户发送的特高频UHF请求接入信号，利用接收信号功率计算公式，计算使用不同扇区时的特高频UHF请求接入信号接收功率；
(1c)宏基站从所有的扇区中选取接收功率最大的扇区，将该扇区作为用户所处的扇区；
(2)传输特高频指示信号：
(2a)宏基站向用户发送特高频UHF指示信号；
(2b)宏基站向用户所处扇区内的微基站发送特高频UHF指示信号；
(3)传输毫米波定位检测信号：
(3a)按照指示信号响应方法，用户发送全向毫米波定位检测信号；
(3b)按照指示信号响应方法，微基站生成毫米波宽波束扫描接收毫米波定位检测信号；
所述的指示信号响应方法是指，判断对特高频UHF指示信号进行响应的接收端的类型，若接收端类型为用户，则接收端根据指示发送全向毫米波定位检测信号，若接收端类型为微基站，则接收端根据指示生成毫米波宽波束扫描接收毫米波定位检测信号；
(4)微基站处理信息：
(4a)按照接收信号功率计算公式，微基站计算各宽波束下的定位检测信号接收功率；
所述的接收功率条件如下，
Pth≥-174+10·lg(RB)
其中，Pth表示微基站的定位检测信号接收功率，lg(·)表示将功率单位由瓦特W转换为分贝dB操作，RB表示带宽；
(4b)微基站选择满足接收功率条件的毫米波微小区；
(4c)微基站将对准满足接收功率条件毫米波微小区的宽波束，确定为毫米波微小区的通信波束；
(5)微基站判断是否存在可以接纳新用户的毫米波微小区，若是，则执行步骤(6)，否则，执行步骤(14)；
(6)微基站反馈信息：
按照微基站反馈信息方法，微基站向宏基站反馈信息；
(7)宏基站判断是否存在满足合法通信条件的毫米波微小区，若是，则执行步骤(12)，否则，执行步骤(8)；
所述的合法通信条件如下：
-4dB≤Pth≤20dB
其中，Pth表示微基站的定位检测信号接收功率；
(8)估计用户位置：
(8a)按照定位检测信号接收功率从大到小的顺序，宏基站对用户所处扇区内的所有微基站排序；
(8b)宏基站从排序中选择前两个微基站，将排序中第一个微基站记为微基站1，第二个微基站记为微基站2，利用估计用户位置方程组，估计用户位置；
所述的估计用户位置方程组如下：
其中，y表示用户位置的纵坐标，tan表示求斜率操作，θ1表示微基站1的波束指向角度，x表示用户位置的横坐标，x1表示微基站1位置的横坐标，y1表示微基站1位置的纵坐标，θ2表示微基站2的波束指向角度，x2表示微基站2位置的横坐标，y2表示微基站2位置的纵坐标；
(8c)宏基站向毫米波基站发送用户位置信息；
(9)微基站扫描用户：
(9a)微基站生成直接指向用户位置的窄波束，以该波束为中心用窄波束扫描接用户所在扇区接收定位检测信号；
(9b)按照接收信号功率计算公式，微基站计算各窄波束下的定位检测信号接收功率；
(10)微基站判断是否存在满足合法通信条件的毫米波微小区，若是，执行步骤(11)，否则，执行步骤(14)；
所述的合法通信条件如下：
-4dB≤Pth≤20dB
其中，Pth表示微基站的定位检测信号接收功率；
(11)微基站反馈信息：
按照微基站反馈信息方法，微基站向宏基站反馈信息；
(12)建立候选小区列表：
宏基站根据微基站反馈的信息，建立候选小区列表；
(13)选择微基站通信：
(13a)宏基站按照定位检测信号接收功率从大到小的顺序，对候选小区列表中的毫米波微小区进行排序；
(13b)从排序中选择第一个毫米波微小区，宏基站确定该毫米波微小区所属的微基站；
(13c)宏基站通知已确定的微基站，指示微基站与用户建立通信；
(14)宏基站直接与用户通信。
2.根据权利要求1所述的基于特高频信号辅助的毫米波微小区选择方法，其特征在于，步骤(1a)中所述的扇区划分方法是指，从6扇区，9扇区，12扇区中任选一种，将基站覆盖范围角度均分为多个区域，每个区域作为一个扇区。
3.根据权利要求1所述的基于特高频信号辅助的毫米波微小区选择方法，其特征在于，步骤(1b)、步骤(4a)、步骤(9b)中所述的接收信号功率计算公式如下：
P＝10lg(abs(y))2
其中，P表示信号接收功率，lg(·)表示将功率单位由瓦特W转换为分贝dB操作，abs(y)表示接收信号幅度，y表示接收信号。
4.根据权利要求1所述的基于特高频信号辅助的毫米波微小区选择方法，其特征在于，步骤(6)、步骤(11)中所述的微基站反馈信息方法如下，微基站将选择出的毫米波微小区的小区识别号ID、微基站的检测定位信号接收功率以及满足接收功率条件的波束码本信息反馈给宏基站。
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