CN108600944A - 基于地理位置信息的小区切换参量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种基于地理位置信息的小区切换参量的测量方法。为解决移动用户与基站之间波束对准和切换参数测量时间消耗大，以及小区切换的精度和效率过低的问题，提出了基于地理信息的高低频混合组网系统中小区切换参量测量的优化方法。通过低频地理位置信息的辅助，在用户和基站端都压缩了搜索范围，在更加精准的初始范围内进行波束搜索。减少了波束搜索次数，降低移动用户与基站之间波束对准所需的时间并提高波束对准的精度。得益于此，用户和基站可以直接扫描视距方向附近的波束，极大地提高频谱效率，增加小区切换的测量参数的准确性和实效性，从而提高小区切换的精度和效率，增大系统容量。

Description

基于地理位置信息的小区切换参量的测量方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及毫米波通信(Millimeter-Wave(mmWave)Communication)，长期演进(Long Term Evolution)技术，波束选择技术，小区切换技术，以及高低频混合组网技术，具体的说是涉及移动用户在高低频混合组网系统中基于地理信息的小区切换参量的测量优化方法。

背景技术

随着无线通信的发展，毫米波(Millimeter wave(mmWave))被认为是下一代无线通信技术的核心技术候选之一，它可以极大的拓宽可用频谱资源，然而，与传统微波频率相比，使用毫米波频带的关键挑战是其严重的信号传播损耗。为了增强毫米波通信的鲁棒性，可以采用LTE系统和5G毫米波系统相结合的高低频混合组网方式来弥补毫米波系统易受环境干扰的特性。然而，在高低频混合组网系统中，由于移动用户会同时与多个基站保持连接，用户的小区切换过程相较于传统的LTE小区切换会更加困难。小区切换是指在无线通信系统中，当用户从一个基站的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围时，需要进行信道的切换，以保证移动用户始终与最优信道的基站保持连接。小区切换是用户移动管理的关键步骤，可以分为四步，包括切换的触发条件、切换的判决算法、切换的性能分析和切换的执行。

对于小区切换而言，测量的切换参数将在后续的步骤中决定是否进行小区切换，直接影响小区切换判定的准确性。小区切换的测量参数主要有RSRP、RSRQ和SINR等。其中，RSRP是指承载的RE(资源粒子)上接收功率的线性平均值，代表小区参考信号的强度；RSRQ衡量的是参考信号的接收质量，RSRQ的值与载波中资源粒子的的个数N、总的接收功率RSSI以及RSRP密切相关；SINR是指用户接收到的信号信噪比，反应了用户与基站之间信道的情况。对于每一个现代蜂窝系统，信道质量的测量都是一个重要的部分。由于在毫米波频段，信号的直射能力更强，绕射能力变弱，导致信号波束的方向性更强。因此，在毫米波通信中，进行信道测量时，波束对准不可或缺，当波束方向对准时，用户与毫米波基站的信道最佳。如果移动用户与毫米波基站的波束未对准，会造成信道测量结果不精确，导致移动用户切换不及时或者进行错误切换。并且若切换测量花费的时间过长，或者占用的频谱资源过多，会阻碍正常的数据传输，极大地降低用户体验。因此，寻找一种高效的小区切换参数的测量方案成为了提高小区切换效率的前提条件。

目前已经提出的穷举法波束扫描信道测量方法，是利用基站的周期性扫描对信道进行测量以对准波束。该方法的基本思想是令移动用户周期性的扫描不同的角度，并在不同时隙发送不同的导频信道SRS，再利用基站对不同方向的导频信道进行测量，挑选出该用户最佳信噪比时对应的发射方向和接收方向，并将结果通过X2链路发送给LTE宏基站，建立一个毫米波基站的信道信息表，根据该表为用户选择最优的基站，做出切换指令。该方法要求毫米波基站要经常进行信道测量，以确保最佳波束对准。然而，由于毫米波频段波长短，在毫米波移动设备中，通常会进行大规模天线的设计，大大增加了毫米波设备的波束方向，增大测量时延，影响小区切换的次数与系统的吞吐率等，降低了小区切换的效率。

发明内容

本发明的目的，为解决移动用户与基站之间波束对准和切换参数测量时间消耗大，以及小区切换的精度和效率过低的问题，提出了基于地理信息的高低频混合组网系统中小区切换参量测量的优化方法。

本发明的技术方案如下：

高低频混合组网系统中基于地理位置信息的小区切换参量的测量方法，采用低频LTE的地理位置信息来辅助基站与用户的波束对准，其特征在于通过低频辅助的地理位置信息，缩小系统的波束扫描范围，减少波束扫描的时间，从而降低切换参数测量的时间开销，包括以下步骤：

S1、波束方向扫描范围获取：在高低频混合组网系统中，移动用户始终与区域内的LTE宏基站保持LTE连接。移动用户通过GPS系统得到实时的地理位置，通过LTE链路告知LTE宏基站自己的地理位置信息。

结合移动用户的地理位置信息和毫米波基站的地理位置信息，可以通过几何运算，将地理位置信息转换为到达角和离开角的数值，初步得到用户和毫米波基站波束对准的大致方向范围。然后LTE基站分别通过LTE链路和X2链路通知对应的用户和毫米波基站波束的方向范围。

S2、导频信息发送：移动用户根据获知的波束范围，在特定的时隙发送上行导频信号，这些导频信号通过本地特定的标识(例如：C-RNTI)加扰，这些标识同时也存储于每一个毫米波基站，以进行信道估计。

S3、混合波束成形：毫米波基站通过模拟与数字混合波束成形在对应的波束范围内扫描。发射端的基带预编码F_BB是一个N_RF×N_s的的矩阵，相应的射频预编码F_RF是一个N_BS×N_RF的矩阵，则发射端总的预编码矩阵是F_T＝F_RFF_BB。其中，N_RF表示射频链数量，N_s表示数据流数，N_BS表示基带链路数。根据基带预编码和射频预编码，定义总的预编码矩阵为F_(s,k)＝F_RF,(s,k)F_BB,(s,k)。由于每个波束成形的矢量都分别在一个特定时间段内使用，于是分别设计模拟波束成形部分和数字波束成形的波束矢量。混合预编码矩阵求解式如下

s.t.[F_RF,(s,k)]_:,i∈{[A_can]_:,l|1≤l≤N_can},

i＝1,2,...,N_RF

式中，[F_(s,k)]_:,m表示需要求解的性能最好的波束成形矢量。A_can是一个模拟波束成形矢量的候选向量，它的维数是N_Tr×N_can，N_Tr表示发射端天线数，N_can表示候选集的数量。A_can的列向量满足模拟波束成形的各种约束条件。则可以通过正交匹配追踪算法求解该稀疏估计问题。

S4、码本设计：混合波束成形的码本总共有S层，每一层码本都包含K个特定波束宽度的波束。让表示发射或者接收端在第K级的第m个矢量的范围，每一级有L个波束矢量。则在第K级，范围为[0,π)的波束角度可以被分为L^k个分支。令矢量在空间频率上有相同的宽度，如图5所示，则计算式如下

其中，0≤arccos(x)≤π。

S5、最优波束方向测量：通过混合波束成形，在用户发射波束方向和基站接受波束方向中，寻找SINR最大的方向，计算公式如下

其中，N_UE和N_eNB分别表示用户UE_i和基站的波束方向数，d_i和D_j分别表示用户发射的波束方向与基站扫描的波束方向。

S6、LTE宏基站的信息收集：当毫米波基站完成了所有用户最好波束方向的信道测量之后，便通过X2链路，将该信道信息表发送给LTE宏基站。LTE宏基站建立最终的信道信息表，并据此判断出，每一个用户最优的基站选择以及基站和用户在最好的SINR状态时分别对应的波束方向(D_eNB,opt和d_UE,opt)，从而使用户达到最好的信道状态。

S7、网络决策：LTE宏基站通过LTE链路通知用户，它的最优毫米波基站以及它的最佳波束方向，然后LTE宏基站通过X2链路通知对应的毫米波基站，它对应该用户的最佳波束方向。

本发明的有益效果是：

引入地理位置信息辅助，有效规避了波束对准扫描阶段测量时延大，以及可能因此造成的较高的导频开销等问题。

通过低频地理位置信息的辅助，在用户和基站端都压缩了搜索范围，在更加精准的初始范围内进行波束搜索。减少了波束搜索次数，降低移动用户与基站之间波束对准所需的时间并提高波束对准的精度。

得益于此，用户和基站可以直接扫描视距方向附近的波束，极大地提高频谱效率，增加小区切换的测量参数的准确性和实效性，从而提高小区切换的精度和效率，增大系统容量。

附图说明

图1为高低频混合组网系统图。

图2为地理位置信息辅助测量系统图。

图3为基于地理位置信息辅助的用户与基站波束对准结构图。

图4为混合波束成形结构系统图。

图5为码本设计方案图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步详细描述。

将本发明的方案应用在如图1和图2所示的高低频混合组网系统，考虑到目前小区切换的参量测量算法存在波束搜索范围和时间开销过大等问题，本发明将利用低频LTE的地理位置信息来辅助波束对准，特别是为混合波束成形系统找到最优的收发波束对。为了方便叙述，以图3和图4所示的特定结构系统为例，基站端装备N_BS＝20根天线，用户装备N_U＝4根毫米波天线。移动用户始终与区域内的LTE宏基站保持LTE连接，LTE基站与毫米波基站保持X2链路连接。假定移动用户的真实位置在一个圆内，圆的半径是D。移动用户通过GPS系统得到实时的地理位置，则圆的大小代表采用GPS系统带来的定位误差。可以通过几何运算，将地理位置信息转换为到达角和离开角的数值。得到到达角和离开角之后，在波束对准的扫描时，没有包含该到达角和离开角的波束向量就可以直接跳过了。该移动用户与毫米波基站的距离是d_disk，信号的离开角是θ_disk。

高低频混合组网系统中基于地理位置信息的小区切换参量的测量方法，采用低频LTE的地理位置信息来辅助基站与用户的波束对准，其特征在于通过低频辅助的地理位置信息，缩小系统的波束扫描范围，减少波束扫描的时间，从而降低切换参数测量的时间开销，包括以下步骤：

S1、波束方向扫描范围获取：在高低频混合组网系统中，移动用户始终与区域内的LTE宏基站保持LTE连接。移动用户通过GPS系统得到实时的地理位置，通过LTE链路告知LTE宏基站自己的地理位置信息。

结合移动用户的地理位置信息和毫米波基站的地理位置信息，可以通过几何运算，将地理位置信息转换为到达角和离开角的数值，初步得到用户和毫米波基站波束对准的大致方向范围。然后LTE基站分别通过LTE链路和X2链路通知对应的用户和毫米波基站波束的方向范围。

S2、导频信息发送：移动用户根据获知的波束范围，在特定的时隙发送上行导频信号，这些导频信号通过本地特定的标识(例如：C-RNTI)加扰，这些标识同时也存储于每一个毫米波基站，以进行信道估计。

S3、混合波束成形：毫米波基站通过模拟与数字混合波束成形在对应的波束范围内扫描。发射端的基带预编码F_BB是一个10×1的的矩阵，相应的射频预编码F_RF是一个20×10的矩阵，则发射端总的预编码矩阵是F_T＝F_RFF_BB。根据基带预编码和射频预编码，定义总的预编码矩阵为F_(s,k)＝F_RF,(s,k)F_BB,(s,k)。由于每个波束成形的矢量都分别在一个特定时间段内使用，于是分别设计模拟波束成形部分和数字波束成形的波束矢量。混合预编码矩阵求解式如下

s.t.[F_RF,(s,k)]_:,i∈{[A_can]_:,l|1≤l≤N_can},

i＝1,2,...,N_RF

式中，[F_(s,k)]_:,m表示需要求解的性能最好的波束成形矢量。A_can是一个模拟波束成形矢量的候选向量，它的维数是20×N_can。A_can的列向量满足模拟波束成形的各种约束条件。则可以通过正交匹配追踪算法求解该稀疏估计问题。

S4、码本设计：混合波束成形的码本总共有2层，每一层码本都包含4个特定波束宽度的波束。让表示发射或者接收端在第K级的第m个矢量的范围，每一级有L个波束矢量。则在第K级，范围为[0,π)的波束角度可以被分为L^k个分支。令矢量在空间频率上有相同的宽度，如图5所示，则计算式如下

其中，0≤arccos(x)≤π。

S5、最优波束方向测量：通过混合波束成形，在用户发射波束方向和基站接受波束方向中，寻找SINR最大的方向，计算公式如下

其中，N_UE＝8和N_eNB＝16分别表示用户UE_i和基站的波束方向数，d_i和D_j分别表示用户发射的波束方向与基站扫描的波束方向。

S6、LTE宏基站的信息收集：当毫米波基站完成了所有用户最好波束方向的信道测量之后，便通过X2链路，将该信道信息表发送给LTE宏基站。LTE宏基站建立最终的信道信息表，并据此判断出，每一个用户最优的基站选择以及基站和用户在最好的SINR状态时分别对应的波束方向(D_eNB,opt和d_UE,opt)，从而使用户达到最好的信道状态。

S7、网络决策：LTE宏基站通过LTE链路通知用户，它的最优毫米波基站以及它的最佳波束方向，然后LTE宏基站通过X2链路通知对应的毫米波基站，它对应该用户的最佳波束方向。

Claims (1)

1.基于地理位置信息的小区切换参量的测量方法，该方法用于高低频混合组网系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、波束方向扫描范围获取：

移动用户通过GPS系统得到实时的地理位置，通过LTE链路告知LTE宏基站自己的地理位置信息；

结合移动用户的地理位置信息和毫米波基站的地理位置信息，通过几何运算，将地理位置信息转换为到达角和离开角的数值，初步得到用户和毫米波基站波束对准的大致方向范围；然后LTE基站分别通过LTE链路和X2链路通知对应的用户和毫米波基站波束的方向范围；

S2、导频信息发送：

移动用户根据获知的波束范围，在特定的时隙发送上行导频信号，这些导频信号通过本地特定的标识加扰，所述特定的标识同时也存储于每一个毫米波基站，以进行信道估计；

S3、混合波束成形：

毫米波基站通过模拟与数字混合波束成形在对应的波束范围内扫描；设定发射端的基带预编码F_BB是一个N_RF×N_s的的矩阵，相应的射频预编码F_RF是一个N_BS×N_RF的矩阵，则发射端总的预编码矩阵是F_T＝F_RFF_BB；其中，N_RF表示射频链数量，N_s表示数据流数，N_BS表示基带链路数；根据基带预编码和射频预编码，定义总的预编码矩阵为F_(s,k)＝F_RF,(s,k)F_BB,(s,k)；分别设计模拟波束成形部分和数字波束成形的波束矢量，混合预编码矩阵求解式如下：

s.t.[F_RF,(s,k)]_:,i∈{[A_can]_:,l|1≤l≤N_can},

i＝1,2,...,N_RF

式中，[F_(s,k)]_:,m表示需要求解的性能最好的波束成形矢量，A_can是一个模拟波束成形矢量的候选向量，它的维数是N_Tr×N_can，N_Tr表示发射端天线数，N_can表示候选集的数量；设A_can的列向量满足模拟波束成形的约束条件，则可以通过正交匹配追踪算法求解该稀疏估计问题；

S4、码本设计：

定义混合波束成形的码本总共有S层，每一层码本都包含K个特定波束宽度的波束，表示发射或者接收端在第K级的第m个矢量的范围，每一级有L个波束矢量；则在第K级，范围为[0,π)的波束角度可以被分为L^k个分支；令矢量在空间频率上有相同的宽度，则计算式如下

其中，0≤arccos(x)≤π；

S5、最优波束方向测量：

通过混合波束成形，在用户发射波束方向和基站接受波束方向中，寻找SINR最大的方向，计算公式如下

其中，N_UE和N_eNB分别表示用户UE_i和基站的波束方向数，d_i和D_j分别表示用户发射的波束方向与基站扫描的波束方向；

S6、LTE宏基站的信息收集：

当毫米波基站完成了所有用户最好波束方向的信道测量之后，通过X2链路，将该信道信息表发送给LTE宏基站，LTE宏基站建立最终的信道信息表，并据此判断出，每一个用户最优的基站选择以及基站和用户在最好的SINR状态时分别对应的波束方向，使用户达到最好的信道状态；

S7、网络决策：

LTE宏基站通过LTE链路通知用户，它的最优毫米波基站以及它的最佳波束方向；然后LTE宏基站通过X2链路通知对应的毫米波基站，它对应的该用户的最佳波束方向。