CN106533557B - 一种基于波束形成技术降低毫米波通信能量损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束形成技术降低毫米波通信能量损耗的方法。其实现方案是：综合考虑以下四种波束形成技术，模拟波束形成技术(ADF)，数字波束形成技术(DBF)，混合波束形成技术(HBF)以及相移网络结构下的波束形成技术(PSN)，在不同应用场合下，获得四种技术在初始化小区搜索发送信号的所需的时间延迟，同时获得移动终端所消耗的功率，最终通过计算分别得到四种波束形成技术的能量消耗，并选择出能量消耗最小的波束形成技术。另一方面，通过改进主同步信号的时隙结构，缩小主同步信号的发送时延，从而提高带宽，达到进一步降低毫米波通信能量损耗的目的。本发明解决了现阶段毫米波技术能量消耗过大的问题，可用于5G毫米波通信网络。

Description

一种基于波束形成技术降低毫米波通信能量损耗的方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于波束形成技术降低毫米波通信能量损耗的方法，可用于5G毫米波通信网络。

背景技术

由于毫米波技术带宽高，传输容量大，成为当今5G通信系统中的研究热点，但是毫米波技术存在高损耗的问题，因此应用范围一直受到限制。尤其在小区基站的初始化搜索过程中，当移动终端进入一个小区时需要一定的时间搜索基站，获得基站的位置。若移动终端使用毫米波技术搜索基站，会非常消耗能量，而且在现有的移动终端中，很少有终端设备能够提供这么多的能量。毫米波技术的高损耗问题急需解决。

现阶段解决毫米波技术损耗过大问题的主流技术是波束形成技术，波束形成技术是天线技术与数字信号处理技术的结合，目的是用于定向信号的传输或接收。基站及移动终端通过天线阵列设备进行通信。波束形成技术使用智能天线阵列自动调节各个天线发射的信号相位，接收端则通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在的位置，而不向其它方向扩散，从而降低传输信息的损耗。波束形成技术有模拟波束形成技术ABF，数字波束形成技术DBF和混合波束形成技术HBF，还有一种为了降低ABF方向性延迟而提出的新型波束形成技术，即相移网络波束形成技术PSN。不同类型的波束形成技术在不同情况下能量损耗不同，DBF可以使基站在同一时刻向不同方向发射通过智能天线阵列形成加强信号，但是同时也需要多个射频链对发射信号进行射频耦合，所以消耗的功率最多，射频链是指与天线进行信息发送和接收的模块，能够通过耦合技术控制天线的发送方向；使用ABF时，基站在同一时刻只能朝一个方向发送信号，所用用时最长，但由于不需要射频链，功率消耗反而很少；HBF和PSN两种技术则结合了DBF和ABF各自的优点，可以在同一时刻向多个方向发送信号，而发送的方向数由射频链的可利用数量决定，因此消耗的功率可以达到最小。四种波束形成技术各有其特点，但是由于不同的波束形成技术特点不同，在不同应用场合下的能量损耗也不同，而目前没有形成一套系统的选择方案，能在不同应用场合选择最优的波束形成技术。

同时，如果能科学地改进毫米波技术的传输信号结构，也可以进一步降低能量损耗。在初始化小区搜索的过程中，移动终端的主同步信号起主要作用。但在现阶段技术中，主同步信号结构与其他信号结构并无太大不同。通过改进主同步信号的信号结构，进一步降低能量损耗，则是降低毫米波技术损耗的另一个出发点，但在现有技术中，对于主同步信号结构的改进并没有确定明确的方向。

发明内容

本发明针对不同波束形成方法选择和主同步信号改进的问题，提出了一种基于波束形成技术降低毫米波通信能量损耗的方法，通过结合选择最优的波束形成技术和改进主同步信号时隙结构，形成最优波束形成技术方法，有效降低5G毫米波技术在小区初始化搜索基站时的能量损耗。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明全面考虑了不同波束形成技术在不同情况下的特点，针对不同应用场合，设定不同指标，分别获得ABF、HBF、DBF和PSN在不同指标下的能量损耗，并对能量损耗结果进行比较，选择能量损耗最低的波速形成技术，这样就可以使移动终端在不同应用场合选择最合适的波束形成技术。

2.本发明提出了一种实用且构造简单的改进性信号时隙结构，能够有效降低毫米波通信中的能量损耗，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述能量损耗计算的流程图；

图2为本发明所述方法中改进后主同步信号的时隙结构图；

图3为本发明的仿真实验各波束形成技术时延；

图4为本发明的仿真实验各波束形成技术功耗；

图5为本发明的仿真实验nCI情况下各波束形成技术能量损耗；

图6为本发明的仿真实验ClnD情况下各波束形成技术能量损耗；

图7为本发明的仿真实验ClD情况下各波束形成技术能量损耗；

图8为本发明的仿真实验k值的选取。

具体实施方式

本发明所述方法综合考虑以下四种波束形成技术：模拟波束形成技术ADF，数字波束形成技术DBF，混合波束形成技术HBF以及相移网络结构下的波束形成技术PSN，选择最优波束形成方法，构造新的主同步信号的时隙结构，从而降低小区初始化搜索基站时的能量损耗。由于移动终端用于初始化搜索基站所消耗的能量等于其功率损耗与所花费时间的乘积，所以本发明将首先获得不同波束形成技术的功率损耗和时间延迟，接着得到其能量损耗。

如图1所示，一种基于波束形成技术降低毫米波通信能量损耗的方法，具体步骤如下：

步骤一：获取初始化搜索基站的时间延迟。

搜索基站的时间延迟包括移动终端搜索基站发射原始同步信号所需的时间和GPS定位情况下GPS定位所需要的时间。获取初始化搜索基站的时间延迟包括两个步骤。

(1-1)获取移动终端搜索基站发射原始同步信号所需的时间。

移动终端是移动用户的终端设备，由移动用户控制，与基站间建立双向的无线电话电路并进行通话。在初始化搜索基站的过程中，移动终端需要通过搜索基站向每一个方向发送的射频信号来获得同步信息，这部分时间延迟由移动终端需要搜索的移动终端和基站之间的信道总数和搜索每一个信道所花费的时间决定。按如下步骤进行：

(1-1-1)获得搜索一个信道时所花费的时间T_PSS。移动终端为了接收到基站发送的初始同步信号，需要从各个方向搜索未知位置的基站所发来的信号，设移动终端搜索每一个方向所需的时间为T_PSS。T_PSS与主同步信号的副载波带宽B_SC成反比，有如下关系:比如副载波带宽为15kHz，那么搜索时延就为5ms；若副载波带宽上升至250KHz，那么搜索时延便降为0.3ms。

(1-1-2)获得扫描点个数N_D。扫描点个数N_D指移动终端采用不同波束形成技术搜索基站所需的信道个数，基站和移动终端的天线阵列大小以及波束形成技术的类型共同决定不同方向下的扫描点个数N_D。对于模拟波束形成技术ABF，扫描点个数为基站的天线阵列大小N_BS与移动终端的天线阵列大小N_MS的乘积；对于数字波束形成技术DBF，由于DBF可以在同一时刻向不同方向发射信号，其扫描点个数等于基站的天线阵列大小N_BS，而与移动终端的天线阵列大小无关；混合波束形成技术HBF和相移网络波束形成技术PSN的扫描点个数还与移动端射频链的可利用数量N_RF有关，射频链的可利用数量N_RF指在同一时刻，运用射频的耦合特性，波束形成技术可以向多少个不同的方向发送信号。HBF和PSN的N_D＝N_BS×N_MS/N_RF。

(1-1-3)获得移动终端搜索基站发来的原始同步信号所需的时间t₁，其中t₁＝N_D×T_pss。

(1-2)获取GPS定位所需要的时间。

GPS定位所需要的时间是指移动终端用于GPS定位所花费的时间。移动终端需要通过GPS定位与所在小区中的基站取得联系。定位的方法分为三种，第一种情况是不使用GPS定位，移动终端向所有基站可能坐落的方向进行全方位信号发射，称为non CI,简称nCI；第二种情况是在移动终端自身已经储备GPS定位信息下，其可以直接向基站发送信息，而不需要花费额外的时间来获得GPS定位信息，称为CInD；第三种情况是指移动终端需要花费一定的时间来获得GPS定位信息，以达到能够和基站进行通信的状态，称为CID。通过使用GPS定位，移动终端的扫描点个数会有所减少，但获得GPS定位需要额外的时间。本部分时间延迟不考虑DBF波形，因为DBF可以在同一时间向不同方向传送信号，这样便不需要GPS定位也能够快速找到基站。按如下步骤进行：

(1-2-1)重新获得扫描点数N_D，在CInD和CID情况下，ABF、HBF、PSN三种波束成形技术的扫描点个数均等于基站的天线阵列大小N_BS，与移动N_BS终端的天线阵列大小无关。

(1-2-2)获得GPS定位时延。在CInD情况下不存在GPS定位时延；在CID情况下，设GPS定位时延为t_CI。

(1-2-3)结合步骤(1-1)中移动终端搜索基站发来的原始同步信号所需的时间t₁，GPS定位所需要的时间t_CI，得到主同步信号总时间t_Del，t_Del＝t₁+t_CI＝N_D×T_pss+t_CI。

步骤二：获取初始化搜索基站的功率损耗。

在功率损耗计算中，模数转换器是消耗功率最多的模块，因此本发明主要考虑移动终端中模数转换器的功率损耗。由于模数转换器分为高功率HPADC和低功率LPADC两种类型，本发明将分别在这两种情况下考虑移动终端的功率损耗。模数转换器的功率损耗P_ADC由模数转换器的位数b、信号采样频率B和每个模数转换器单元所消耗的功耗c决定，具体计算功率损耗的过程如下：

(2-1)获得采样频率。根据采样定理，采样频率为信号带宽的两倍，而信号带宽可由主同步信号的副载波带宽Bsc得到。毫米波通信技术主同步信号共包含6个资源模块，每个模块又包含12个副载波信号，因此共72个副载波信号，副载波带宽BSC为15kHZ，主同步信号在频域上占用宽度为1.08MHz的带宽。

获得频带利用率a(指单位频带内所能实现的信息速率)，通过a和BSC得到总的带宽B_tol＝B_SC/a。最后得出采样频率B，采样频率为信号总带宽的两倍，即B＝2B_tol。

(2-2)获得模数转换器的参数。根据实际的移动终端参数获得移动终端模数转换器的位数b和单位比特消耗功率c。

(2-3)获得初始化搜索基站的功率损耗。移动终端用于初始化搜索基站的功率损耗P_ADC＝cB2^b。

步骤三：获得移动终端初始化搜索基站的总能量损耗。

设移动终端消耗的总能量为E_ADC，其由搜索基站的时间延时和单位时间内的功率消耗共同决定，即E_ADC＝P_ADC×t_Del。针对毫米波通信时，在non CI、CInD和CID三种情况下，可以根据步骤一至步骤三分别得到四种波束形成技术ABF、DBF、HBF、PSN的能量消耗E_ABF、E_DBF、E_HBF、E_PSN，比较E_ABF、E_DBF、E_HBF、E_PSN，得到最小的能量损耗，相应地确定功耗最小的波束形成方法。

步骤四：通过改进主同步信号的时隙结构进一步降低能量损耗。

在不同情况下选择出能量损耗最低的波束形成技术后，本发明提出了一种改进型的主同步信号的时隙结构来进一步降低能量损耗。一个时隙可分为7个正交频分复用OFDM符号，一个OFDM符号包含八个粒子资源，主同步信号就在OFDM符号的第三个粒子资源中。通过缩小主同步信号的发送时延，也就是缩小初始化搜索基站的时间延迟，可以提高主同步信号的带宽，进而达到进一步降低移动终端能量损耗的目的，改进后的时隙结构参考图2。具体实施步骤如下：将主同步信号的发送时间t_Del缩小用T_SC，PSS表示，即这样在相同的时间间隔内，改进前的时隙结构只能用来发送一个信号，改进后却可以发送k个信号，也就是说花费相同的时间，现有的时隙结构发送的信号速率是原先的k倍，这样能够有效减少信号传递的时间延迟。

时隙结构改进后，获得移动终端的能量损耗，具体可分为以下四个步骤：

(4-1)获得改进后主同步信号的发送时间T_SC，PSS。

(4-2)获得采样频率。近似认为主同步信号的副载波带宽增加为原来的k倍，则副载波带宽根据频带利用率a和得到信号总的带宽B_tol，最后得出采样频率B，采样频率为信号总带宽的两倍，即B＝2B_tol。

(4-3)获得初始化搜索基站的功率损耗。根据实际的移动终端参数获得移动终端模数转换器的位数b和单位比特损耗功率c，即可获得初始化搜索基站的功率损耗P_ADC＝cB2^b。

(4-4)获得改进主同步信号的时隙结构后的能量损耗。总能量损耗E_ADC＝P_ADC×T_SC，PSS。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：

1.实验参数

本实验采用6比特的模数转换器进行仿真实验，GPS定位所需的额外时延为1.5ms，HBF和PSN的射频链路可利用数量取4，基站的天线阵列大小取64，移动终端的天线阵列大小取16，在改进后主同步信号的时隙结构中，取B_SC为250kHz。

2.实验环境

本实验基于MATLAB平台对时间延迟、功率损耗和总能量损耗的进行了仿真，并通过折线图进行了结果展示。

3.实验内容

3.1获得不同波束形成技术的时间延迟

根据仿真实验所设定的具体参数和步骤一，可以获得不同波束形成技术的时间延迟。因为数字波束形成技术DBF可以在同一时间向不同方向发送信号，所以DBF只考虑基站天线个数，不考虑移动终端的天线个数，采用DBF花费的时延为64个T_PSS传送时间。混合波束形成技术HBF和相移网络结构下的波束形成技术PSN具有射频链模块，可以在同一时间内把部分不同方向的信号耦合在一起发送，在本实验中，设定采用HBF和PSN下射频链可耦合的方向数为4，也就是说在移动终端的16个天线所通往的16个方向中，一次可以发送的信号方向为4个，则采用HBF和PSN所花时延为64*16/4＝256个T_PSS传送时间。而ABF所花时延为64*16＝1024个T_PSS传送时间，具体结果参考图3。

3.2获得不同波束形成技术的功率消耗

根据仿真实验所设定的具体参数和步骤二，由公式P_ADC＝cB2^b可以获得不同波束形成技术的功率消耗。具体结果参考图4。

3.3获得不同波束形成技术的能量消耗

根据仿真实验所设定的具体参数和步骤三，可以得到nCI、CInD和CID三种情况下，四种波形分别在高功率模数转换器和低功率模数转换器下的总能量能量消耗。在nCI情况下，高功率模数转换器情况和低功率模数转换器情况相类似，DBF的能耗最低，ABF、HBF以及PSN三种波形情况相似，随着信号带宽增加至10MHZ，四种波束形成技术损耗趋于一致,具体结果如图5所示；在CInD情况下，高功率模数转换器情况和低功率模数转换器情况相类似，ABF的能耗最低，DBF、HBF、PSN三种波形情况相似，随着信号带宽增加至10k Hz，四种波束形成技术损耗趋于一致，具体结果如图6所示；相对于nCI和CInD情况，在CID情况下四种波形的损耗都是最高的，相比较而言，四种波形中DBF能量损耗最低，PSN和HBF能量消耗曲线基本重合，同时处于能量消耗最大的位置，具体结果如图7所示。根据以上实验结果，可以在nCI情况下，选择DBF，在CInD情况下，选择ABF；在CID情况下，选择DBF，这样在不同情况下可以使移动终端的能量损耗最低。还可以得出在所有情况下，当B_SC取大于250kHz后，四种波束形成技术的能量损耗值基本趋于一致，所以B_SC取250kHz是所有波束形成技术取得较低能量损耗的一个理想值。这样就可以在不同情况下得到最低能量损耗的波束形成技术，从而最大程度地降低毫米波技术的损耗。

3.4获得改进后主同步信号的能量损耗情况

根据仿真实验所设定的具体参数和步骤四以及3.3中的结论，取B_SC为250k Hz，进一步进行主同步信号改进时隙结构后的仿真实验。随着k值的增加，B_SC则不断增加，能量损耗则不断下降，当k值取到8时，能量损耗降低到最小值并趋于平缓，因此k取8是一个较为理想的数值。

综合以上仿真结果可以得出，在不同情况下，通过选择能量损耗最低的波束形成技术和时隙缩小倍数，即k值，能够有效降低移动终端用于小区初始搜索的能量损耗。因此，本发明所述基于波束形成技术来降低毫米波通信能量损耗的方法能够有效降低毫米波技术的能量损耗。

以上仅是对本发明的优选实施例进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (1)

1.一种基于波束形成技术降低毫米波通信能量损耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取初始化搜索基站的时间延迟，得到主同步信号总时间：

搜索基站的时间延迟包括移动终端搜索基站发射原始同步信号所需的时间和GPS定位情况下GPS定位所需要的时间，获取初始化搜索基站的时间延迟包括两个步骤：

(1-1)获取移动终端搜索基站发射原始同步信号所需的时间，所述移动终端指移动用户的终端设备，由移动用户控制，与基站间建立双向的无线电话电路并进行通话；

所述初始化搜索基站的过程，移动终端需要通过搜索基站向每一个方向发送的射频信号来获得同步信息，时间延迟由移动终端需要搜索的移动终端和基站之间的信道总数和搜索每一个信道所花费的时间决定，按如下步骤进行：

(1-1-1)获得搜索一个信道时所花费的时间TPSS，移动终端为了接收到基站发送的初始同步信号，需要从各个方向搜索未知位置的基站所发来的信号，移动终端搜索每一个方向所需的时间为TPSS，TPSS与主同步信号的副载波带宽BSC成反比，

(1-1-2)获得扫描点个数ND，扫描点个数ND指移动终端采用不同波束形成技术搜索基站所需的信道个数，基站和移动终端的天线阵列大小以及波束形成技术的类型共同决定不同方向下的扫描点个数ND；

对于模拟波束形成技术ABF，扫描点个数为基站的天线阵列大小NBS与移动终端的天线阵列大小NMS的乘积；

对于数字波束形成技术DBF，由于DBF可以在同一时刻向不同方向发射信号，其扫描点个数等于基站的天线阵列大小NBS，而与移动终端的天线阵列大小无关；

混合波束形成技术HBF和相移网络波束形成技术PSN的扫描点个数还与移动端射频链的可利用数量NRF有关，射频链的可利用数量NRF指在同一时刻，运用射频的耦合特性，波束形成技术可以向多少个不同的方向发送信号，HBF和PSN的N_D＝N_BS×N_MS/N_RF；

(1-1-3)获得移动终端搜索基站发来的原始同步信号所需的时间t₁，其中t₁＝N_D×T_pss；

(1-2)获取GPS定位所需要的时间，移动终端用于GPS定位所花费的时间，移动终端需要通过GPS定位与所在小区中的基站取得联系；

定位的方法分为三种，一是不使用GPS定位，移动终端向所有基站可能坐落的方向进行全方位信号发射，称为non CI，简称nCI；二是在移动终端自身已经储备GPS定位信息下，其可以直接向基站发送信息，而不需要花费额外的时间来获得GPS定位信息，称为CInD；三是移动终端需要花费一定的时间来获得GPS定位信息，以达到能够和基站进行通信的状态，称为CID；

通过使用GPS定位，移动终端的扫描点个数会有所减少，获得GPS定位需要额外的时间，时间延迟不考虑DBF波形，DBF可以在同一时间向不同方向传送信号，不需要GPS定位也能够快速找到基站，按如下步骤进行：

(1-2-1)重新获得扫描点数ND，在CInD和CID情况下，ABF、HBF、PSN三种波束成形技术的扫描点个数均等于基站的天线阵列大小NBS，与移动NBS终端的天线阵列大小无关；

(1-2-2)获得GPS定位时延，在CInD情况下不存在GPS定位时延；在CID情况下，设GPS定位时延为t_CI；

(1-2-3)结合步骤(1-1)中移动终端搜索基站发来的原始同步信号所需的时间t₁，GPS定位所需要的时间t_CI，得到主同步信号总时间t_Del，t_Del＝t₁+t_CI＝N_D×T_pss+t_CI；

步骤二、获取初始化搜索基站的功率损耗：

在功率损耗计算中，模数转换器是消耗功率最多，移动终端中模数转换器的功率损耗，模数转换器分为高功率HPADC和低功率LPADC两种类型，移动终端的功率损耗由模数转换器的功率损耗PADC、模数转换器的位数b、信号采样频率B和每个模数转换器单元所消耗的功耗c决定，具体计算功率损耗的过程如下：

(2-1)获得采样频率，根据采样定理，信号带宽可由主同步信号的副载波带宽Bsc得到，毫米波通信技术主同步信号共包含6个资源模块，每个模块又包含12个副载波信号，因此共72个副载波信号，副载波带宽BSC为15kHZ，主同步信号在频域上占用宽度为1.08MHz的带宽；

获得频带利用率a，指单位频带内所能实现的信息速率，通过a和BSC得到总的带宽B_tol＝B_SC/a，最后得出采样频率B，采样频率为信号总带宽的两倍，即B＝2B_tol；

(2-2)获得模数转换器的参数，根据实际的移动终端参数获得移动终端模数转换器的位数b和单位比特消耗功率c；

(2-3)获得初始化搜索基站的功率损耗，移动终端用于初始化搜索基站的功率损耗P_ADC＝cB2^b；

步骤三、获得移动终端初始化搜索基站的总能量损耗，搜索基站的时间延时和单位时间内的功率消耗共同决定，即E_ADC＝P_ADC×t_Del，移动终端消耗的总能量为EADC；

毫米波通信时，在non CI、CInD和CID三种情况下，可以根据步骤一至步骤三分别得到四种波束形成技术ABF、DBF、HBF、PSN的能量消耗EABF、EDBF、EHBF、EPSN，比较EABF、EDBF、EHBF、EPSN，得到最小的能量损耗所用的波束形成技术，确定功耗最小的波束形成方法；

步骤四、通过改进主同步信号的时隙结构进一步降低能量损耗，最终确定毫米波通信能量损耗最低的波束形成技术：

一个时隙可分为7个正交频分复用OFDM符号，一个OFDM符号包含八个粒子资源，主同步信号就在OFDM符号的第三个粒子资源中，通过缩小主同步信号的发送时延，缩小初始化搜索基站的时间延迟，可以提高主同步信号的带宽，进一步降低移动终端能量损耗；

主同步信号的发送时间t_Del缩小用T_SC，PSS表示，即相同的时间间隔内，改进前的时隙结构只能用来发送一个信号，改进后可以发送k个信号，相同的时间所述方法时隙结构发送的信号速率是原先的k倍，减少信号传递的时间延迟；

时隙结构改进后，获得移动终端的能量损耗，具体可分为以下四个步骤：

(4-1)获得改进后主同步信号的发送时间T_SC，PSS；

(4-2)获得采样频率，近似认为主同步信号的副载波带宽增加为原来的k倍，则副载波带宽根据频带利用率a和得到信号总的带宽B_tol，得出采样频率B，采样频率为信号总带宽的两倍，即B＝2B_tol；

(4-3)获得初始化搜索基站的功率损耗，根据实际的移动终端参数获得移动终端模数转换器的位数b和单位比特损耗功率c，即可获得初始化搜索基站的功率损耗P_ADC＝cB2^b；

(4-4)获得改进主同步信号的时隙结构后的能量损耗，总能量损耗E_ADC＝P_ADC×T_SC，PSS；

最终确定毫米波通信能量损耗最低的波束形成技术，总的量损耗为E_ADC＝P_ADC×T_SC，PSS。