CN111372200B - 组播通信方法、基站和具有存储功能的装置 - Google Patents

组播通信方法、基站和具有存储功能的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了组播通信方法、基站和具有存储功能的装置，该组播方法包括：基站获取群组内用户设备相对基站的距离和角度；根据用户设备相对基站的角度，对群组内用户设备分簇；判断群组内用户设备相对于基站的最短距离是否小于群组内用户设备的移动速度与波束成形更新周期间的积；若不小于，则利用用户设备相对于基站的距离对分簇进行调整；判断调整后的分簇的结果是否满足第一波束赋形条件；如果满足第一波束赋形条件，则由各簇对应角度范围及簇内最远用户距离确定该群组通信的期望波束，通过调整各天线加权以生成期望波束进行组播通信。通过上述方式，本发明能够更好地支持组内用户移动性，同时可以进一步提高组内边缘用户的接收性能。

Description

组播通信方法、基站和具有存储功能的装置
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及组播通信方法、基站和具有存储功能的装置。
背景技术
随着科技的发展，物联网、移动互联网、4G等新一代信息技术及其产业化不断成熟与发展，宽带数字集群通信的普及率越来越高。在宽带集群通信中，针对组内用户分布相对集中的情况，可以采用波束赋形的方式进行组播通信。这样，把有限功率集中于组内用户方向进行发射，既提高群组业务接收性能，又能减少对其他区域的通信干扰。
现有的组播波束成形方法有两类，一类需要反馈信道矩阵或CSI(Channel StateInformation，信道状态信息)，在实际应用中较难实现，特别是组内用户数较多时，反馈开销大且无法获得精确和实时的信道信息。并且，通常基于QoS(Quality of Service，服务质量)准则或者MMF(Max-Min Fairness，最大化最小公平性)准则来优化天线加权矢量，计算复杂度高，且波束设计不灵活。另一类方法不使用上行信道信息反馈，利用上行信号估计用户角度，并基于组内用户角度信息进行波束成形。该方式未考虑用户距离信息，使得距离基站较近的用户设备通信性能易受移动性影响，且组内边缘用户接收性能相对较差。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供组播通信方法、基站和具有存储功能的装置，能够更好地支持组内用户移动性，并进一步提高组内边缘用户设备的接收性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种组播通信方法，包括：基站获取群组内用户设备相对所述基站的距离和角度；所述基站根据所述用户设备相对所述基站的角度，对所述群组内用户设备分簇；判断所述群组内用户设备相对于所述基站的最短距离是否小于群组内用户设备的移动速度与波束成形更新周期间的积；若不小于，则所述基站利用所述用户设备相对于基站的距离对所述分簇进行调整；所述基站利用所述用户设备相对于基站的距离对所述分簇进行调整；判断调整后的所述分簇的结果是否满足第一波束赋形条件；如果满足所述第一波束赋形条件，则由各簇对应角度范围及簇内最远用户距离确定该群组通信的期望波束，通过调整各天线加权以生成期望波束进行组播通信。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基站，包括：相互耦接的处理器、存储器和通信电路，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于运行所述程序数据以控制所述通信电路进行通信并执行如上所述的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供具有存储功能的装置，存储有程序数据，所述程序数据能够被执行以实现如上所述方法中的步骤。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明先根据用户设备相对基站的角度对组内用户设备进行分簇，再根据用户设备相对基站的距离对分簇进行调整，基于调整后的簇进行波束赋形的通信方法，能够更好地支持组内用户移动性。同时，组播波束设计时，将大尺度衰落考虑在内，可以进一步提高边缘用户的接收性能，方法简单易实现。
附图说明
图1是本发明提供的组播通信方法的第一实施例的流程示意图；
图2是本发明中单小区群组用户设备分布的一实施例的示意图；
图3是本发明提供的基站利用用户设备相对于基站的距离对分簇进行调整的第一实施例的流程示意图；
图4是本发明中单小区群组用户设备分簇的一实施例的示意图；
图5是本发明中单小区群组用户设备分簇的一实施例的示意图；
图6是本发明提供的基站的第一实施例的结构示意图；
图7是本发明提供的基站的第二实施例的结构示意图；
图8是本发明提供的具有存储功能的装置的一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明提供的组播通信方法的第一实施例的流程示意图。
S101：基站获取群组内用户设备相对所述基站的距离和角度。
请结合参阅图2，图2是本发明中单小区群组用户设备分布示意图。在一个具体的实施场景中，基站采用均匀直线阵，阵元间距为半倍波长，天线数量为16。在本实施场景中，基站通过接收用户设备发送的上行信号，获取上行信号中包含的SRS(Sounding ReferenceSignal，探测参考信号)，根据预定的算法对该SRS进行计算，可以获取该用户设备相对基站的距离和角度。在其他实施场景中，也可以针对上行信号中的其他一个或多个序列信号，设计不同的算法进行计算，以获取该用户设备相对基站的距离和角度。
在另一个实施场景中，基站获取用户设备上报的全球定位信息和/或辅助全球定位信息，结合自身获取或设置的定位信息进行计算，从而获取该用户设备相对基站的距离和角度。
S102：所述基站根据所述用户设备相对所述基站的角度，对所述群组内用户设备分簇；
在本实施场景中，基站根据获取到的各用户相对基站的角度，基于聚类算法，将群组内的用户分簇。在本实施场景中，预设一阈值，将相对基站的角度之差在预设的阈值内的用户设备分为一簇。在其他实施场景中，可以强制进行划分，将相对基站的角度在该划分范围内的用户设备分为一簇，或者可以采用聚类算法中的其他方法，例如模糊聚类等，对群组内用户设备进行划分。
在本实施场景中，是对群组内的全部用户设备分簇，在其他实施场景中，可以仅针对群组内的部分用户设备分簇，例如对用户设备分布较密集的区域中的用户设备进行分簇，或者对相对基站的指定角度范围内的用户设备进行分簇。
S103：判断所述群组内用户设备相对于所述基站的最短距离是否小于群组内用户设备的移动速度与波束成形更新周期间的积。
在一个具体的实施场景中，将该群组内用户设备相对基站的最短距离记为Dm，基站获取该群组内用户的典型移动速度v，和波束成形周期T。其中，该群组内用户的典型移动速度v可以通过对用户设备在一定时间段内的移动距离进行采样分析得到，将该距离与预设的各个场景中的阈值进行对比，得出该群组内用户处于步行、开车或静止等具体场景的结论，将该场景预设的移动速度定义为该群组内用户的典型移动速度v。
判断Dm，与v*T的大小，即在一个波束成形周期内，相对于基站最近的用户设备是否会移动到基站下方。
如果Dm<v*T，则表示在一个波束成形周期内，相对于基站最近的用户设备会移动到基站下方，则不适用波束赋形，采用全向传输方式进行组播通信。
如果Dm≥v*T，则表示在一个波束成形周期内，相对于基站最近的用户设备不会移动到基站下方，则适用波束赋形，执行步骤S104。
S104：所述基站利用所述用户设备相对于基站的距离对所述分簇进行调整；
请结合参阅图3，图3是本发明提供的基站利用用户设备相对于基站的距离对分簇进行调整的第一实施例的流程示意图。本发明中基站利用用户设备相对于基站的距离对分簇进行调整的方法包括：
S1031：确定所述簇的用户设备在波束成形更新周期相对基站的角度变化量，并由所述簇内用户设备相对基站的角度和所述角度变化量得到所述簇的理论波束角度范围。
在一个具体的实施场景中，在步骤102中，基站将用户设备分为C(C≥1)个簇，簇c(c＝1,…,C)的用户集合记为Uc，簇c中的第i个用户设备相对于基站的角度记为
Figure BDA0001923390500000051
簇c中的第i个用户设备相对于基站的距离记为
Figure BDA0001923390500000052
基站获取该群组内用户的典型移动速度v，和波束成形周期T。其中，该群组内用户的典型移动速度v可以通过对用户设备在一定时间段内的移动距离进行采样分析得到，将该距离与预设的各个场景中的阈值进行对比，得出该群组内用户处于步行、开车或静止等具体场景的结论，将该场景预设的移动速度定义为该群组内用户的典型移动速度v。
利用下面公式得到簇c的理论波束角度范围的上限角度值
Figure BDA0001923390500000053
和下限角度值
Figure BDA0001923390500000054
Figure BDA0001923390500000055
Figure BDA0001923390500000056
S1032：判断所述理论波束角度范围是否满足第二波束赋形条件。
在一个具体的实施场景中，第二波形赋形条件包括：簇c的理论波束角度范围满足
Figure BDA0001923390500000057
即当上限角度值
Figure BDA0001923390500000058
和下限角度值
Figure BDA0001923390500000059
不处于同一个圆周(360°)范围内，无法采用波束赋形的方法。波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带信号的最佳组合或者分配。采用波束赋形的方法可以补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，同时降低同信道用户间的干扰。
S1033：如果满足，则由所述理论波束角度范围确定所述簇的波束角度范围。
在一个具体的实施场景中，当
Figure BDA00019233905000000510
时，则可以进行波束赋形，此时可以进一步基于步骤S1031中得到簇c的理论波束角度范围的上限角度值
Figure BDA0001923390500000061
和下限角度值
Figure BDA0001923390500000062
进一步计算，以确定簇的波束角度范围。
在本实施场景中，最小波瓣宽度限制记为Bs。该最小波瓣宽度限制Bs由协议预设。
若
Figure BDA0001923390500000063
则将簇c的理论波束角度范围的上限角度值
Figure BDA0001923390500000064
和下限角度值
Figure BDA0001923390500000065
作为簇c的波束角度范围的上限角度值βc和下限角度值αc。
若
Figure BDA0001923390500000066
即簇c的理论波束角度范围小于最小波瓣宽度限制Bs，则根据下面公式得到调整后的簇c的波束角度范围的上限角度值βc和下限角度值αc；
Figure BDA0001923390500000067
Figure BDA0001923390500000068
Figure BDA0001923390500000069
在本实施场景中，在得到调整后的簇c的波束角度范围的上限角度值βc和下限角度值αc后，判断各簇的波束是否存在重叠。即将簇c的上限角度值βc与簇c-1的下限角度值αc-1进行对比，当βc<αc-1时，簇c与簇c-1重叠，可以合并为一个簇。
S1034：如果不满足，则采用全向传输方式进行组播通信。
在一个具体的实施场景中，
Figure BDA00019233905000000610
时，不能采用波束赋形，则采用全向传输的方式进行组播通信。
步骤105：判断调整后的所述分簇的结果是否满足第一波束赋形条件；
在一个具体的实施场景中，第一波束赋形条件包括调整后的簇的个数小于预设阈值。在本实施场景中预设阈值为基站的天线数量的一半。由步骤S1033调整后的簇的个数为K(K≤C)个，因此，判断K是否大于预设的阈值，在本实施场景中，该阈值为基站的天线数量N的一半，例如本实施场景中N＝16，则当K<8时，满足第一波束赋形条件，可以进行波束赋形，而当K≥8时，不满足第一赋形条件。在其他实施场景中，预设阈值可以是其他值，例如基站的天线数量等。
步骤106：如果满足所述第一波束赋形条件，则由各簇对应角度范围及簇内最远用户距离确定该群组通信的期望波束，通过调整各天线加权以生成期望波束进行组播通信。
在一个具体的实施场景中，根据以下公式从步骤S104中获取的调整后的K个簇中簇k(k＝1,…,K)中的用户设备相对基站的距离中的最远距离
Figure BDA0001923390500000071
Figure BDA0001923390500000072
在本实施场景中，为了提高边缘用户设备的接收性能，将大尺度衰落考虑在内，使该群组的期望波束方向辐射强度与对应簇内最远用户距离平方成正比。
在本实施场景中，利用下述公式，计算得到该群组的期望波束；
Figure BDA0001923390500000073
其中，αk为簇k的波束角度范围的下限角度值，βk为簇k的波束角度范围的上限角度值。
在获取该群组的期望波束后，调整基站的各天线加权，以生成期望波束进行组播通信。在本实施场景中使用如下公式计算出归一化的波束成形矢量w:
min{f(w)}＝min{∫|F(θ)-F0(θ)|2dθ}；
其中，F(θ)是组播波束的归一化阵因子，
Figure BDA0001923390500000074
其中，d为相邻天线间距，λ为通信波长，且|w|2＝1。
在另一个具体的实施场景中，由步骤S1033调整后的簇的个数为K(K≤C)个，判断K大于预设的阈值，则不满足波束赋形的条件，采用全向传输方式进行组播通信。
请结合参阅图4，在图4所示的实施场景中，用户分成两个簇，则K＝2，且簇2对应波束角度宽度B2是簇1对应波束角度宽度B1的两倍，簇1内最远用户设备UE1距离d1是簇2内最远用户设备UE2距离d2的2倍。通过利用有限的窄波束叠加拟合逼近期望波束，最终得到组播波束。请结合参阅图5，图5是本发明和现有技术生成的组播波束的示意图。在图5中，横轴表示用户设备相对基站的角度，纵轴表示生成的波束归一化阵因子，虚线表示现有技术的组播波束，实线表示本发明中组播通信方法生成的组播波束。比较可知，相比于现有技术方案，采用本方案波束设计方法可使边缘瓶颈用户设备UE1(距离基站最远的用户设备)的接收性能提高约2.6dB。提升的性能也可以用于组播通信时采用更高阶的MCS(Modulationand Coding Scheme，调制编码方式)。
通过上述描述可知，本实施例通过基于群组内用户设备相对基站的距离和角度对用户设备进行分簇，可以有效保障临近基站的用户性能，更好地支持组内用户移动性。此外，组播波束设计时，将大尺度衰落考虑在内，可提高组播边缘用户接收性能。能够在组播通信时自适应选择全向或波束成形方式，整体上提升了组播业务的传输性能。
请参阅图6，图6是本发明提供的基站的第一实施例的结构示意图。基站10包括相互耦接的处理器11、存储器12和通信电路13，存储器12用于存储程序数据，处理器11用于运行存储器12中的程序数据以控制通信电路13进行通信并执行如下方法：
在一个具体的实施场景中，基站10的处理器11通过通信电路13获取群组内用户设备相对基站10的距离和角度，基站10的处理器11根据用户设备相对基站10的角度，将群组内用户设备分簇；基站10的处理器11利用用户设备相对于基站10的距离对该分簇进行调整；处理器11判断调整后的所述分簇是否满足第一波束赋形条件；如果满足第一波束赋形条件，则确定该群组通信的期望波束，通过调整基站10的各天线加权以生成期望波束通过通信电路13进行组播通信。
其中，处理器11实现上述功能的具体过程可参阅上述方法实施例。
通过上述描述可知，本实施例通过在对群组中的用户分簇时，考虑用户设备相对基站的角度、距离以及其移动性、最小波瓣宽度限制和波束更新周期，以此确定波束角度覆盖范围，支持用户设备的移动性，从而更好的保障临近基站的用户设备的接收性能。在设计组播波束时，将大尺度衰落考虑在内，使各簇对应波束方向辐射强度与簇内最远用户距离平方成正比，从而提升边缘用户的接收性能。这样提升了组播业务的整体性能。
请参阅图7，图7是本发明提供的基站的第二实施例的结构示意图。基站20包括通信模块21、分簇模块22、计算模块23、判断模块24和天线模块25。
基站20的通信模块21获取群组内用户设备相对基站的距离和角度；基站20的分簇模块22根据用户设备相对基站的角度，对群组内用户设备分簇；基站20的计算模块23利用用户设备相对于基站的距离对分簇进行调整；基站20的判断模块24判断调整后的分簇是否满足第一波束赋形条件；如果满足第一波束赋形条件，则基站20的计算模块23确定该群组通信的期望波束，基站20的天线模块25调整各天线加权以生成期望波束进行组播通信。
通过上述描述可知，本实施例中的基站对群组中的用户分簇时，考虑用户设备相对基站的角度、距离以及其移动性、最小波瓣宽度限制和波束更新周期，以此确定波束角度覆盖范围，支持用户设备的移动性，从而更好的保障临近基站的用户设备的接收性能。在设计组播波束时，将大尺度衰落考虑在内，使各簇对应波束方向辐射强度与簇内最远用户距离平方成正比，从而提升边缘用户的接收性能。这样提升了组播业务的整体性能。
请参阅图8，图8是本发明提供的具有存储功能的装置的一实施例的结构示意图。具有存储功能的装置30中存储有至少一个程序数据31，程序数据31用于执行如图1和图3所示的组播通信的方法。在一个实施例中，具有存储功能的装置可以是终端中的存储芯片、硬盘或者是移动硬盘或者优盘、光盘等其他可读写存储的工具，还可以是服务器等等。
通过上述描述可知，本发明具有存储功能的装置实施例中存储的程序可以用来进行组播通信的进程，既能支持组内用户移动性，尤其保障临近基站用户的性能，也能提升边缘用户的接收性能。从而整体提升了组播业务的传输性能。
区别于现有技术，本发明首先根据用户设备相对基站的角度对组内用户设备进行分簇，进一步的根据用户设备相对基站的距离、移动性、最小波瓣宽度限制和波束更新周期对分簇进行调整，可以更好的支持组内用户设备的移动性，保障临近基站用户的接收性能。另外，在设计组播波束时，将大尺度衰落考虑在内，使各簇对应波束方向辐射强度与簇内最远用户距离平方成正比，从而提升边缘用户的接收性能。这样组播业务的整体性能就能得到提升。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种组播通信方法，其特征在于，包括：
基站获取群组内用户设备相对所述基站的距离和角度；
根据所述用户设备相对所述基站的角度，对所述群组内用户设备分簇；
判断所述群组内用户设备相对于所述基站的最短距离是否小于群组内用户设备的典型移动速度与波束成形更新周期间的积，其中，根据所述群组内用户设备对应的场景确定所述群组内用户设备的典型移动速度；
若不小于，则利用所述用户设备相对于基站的距离对所述分簇进行调整；
判断调整后的所述分簇的结果是否满足第一波束赋形条件，其中，所述第一波束赋形条件包括所述分簇的个数小于预设阈值；
如果满足所述第一波束赋形条件，则由各簇对应角度范围及簇内最远用户距离确定该群组通信的期望波束，通过调整各天线加权以生成期望波束进行组播通信；
其中，所述利用所述用户设备相对于基站的距离对所述分簇进行调整，包括：
确定所述簇的用户设备在波束成形更新周期相对基站的角度变化量，并由所述簇内用户设备相对基站的角度和所述角度变化量得到所述簇的理论波束角度范围；
判断所述理论波束角度范围是否满足第二波束赋形条件，其中，所述第二波束赋形条件包括：所述簇的理论波束角度范围满足
Figure FDA0003320151940000011
所述
Figure FDA0003320151940000012
为上限角度值
Figure FDA0003320151940000013
和所述
Figure FDA0003320151940000014
为下限角度值；
如果满足，则由所述理论波束角度范围确定所述簇的波束角度范围；
如果不满足，则采用全向传输方式进行组播通信。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
如果不满足所述第一波束赋形条件，则采用全向传输方式进行组播通信。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述簇的用户设备在波束成形更新周期相对基站的角度变化量，并由所述簇内用户设备相对基站的角度和所述角度变化量得到所述簇的理论波束角度范围，包括：
利用下面公式得到所述簇的理论波束角度范围的上限角度值
Figure FDA0003320151940000021
和下限角度值
Figure FDA0003320151940000022
Figure FDA0003320151940000023
Figure FDA0003320151940000024
其中，c表示所述簇，
Figure FDA0003320151940000025
为所述簇中的第i个用户设备相对于基站的角度，v为所述群组内用户设备的典型移动速度，T为波束成形更新周期，
Figure FDA0003320151940000026
为所述簇中的第i个用户设备相对于基站的距离。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述由所述理论波束角度范围确定所述簇的波束角度范围，包括：
若
Figure FDA0003320151940000027
则将所述簇的理论波束角度范围作为所述簇的波束角度范围；
若
Figure FDA0003320151940000028
则根据下面公式得到调整后的簇的波束角度范围的上限角度值和下限角度值；
Figure FDA0003320151940000029
Figure FDA00033201519400000210
Figure FDA00033201519400000211
其中，所述BS为最小波瓣宽度限制。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述用户设备相对于基站的距离对所述分簇进行调整还包括：
在所述由所述理论波束角度范围确定所述簇的波束角度范围之后，根据所述确定的波束角度范围判断各所述簇的波束是否存在重叠；
若有，则将存在重叠的波束对应的簇合并。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断所述群组内用户设备相对于所述基站的最短距离是否小于群组内用户设备的典型移动速度与波束成形更新周期间的积，还包括：
若小于，则采用全向传输方式进行组播通信。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述群组的期望波束，包括：
利用所述簇内用户设备相对于所述基站的最远距离以及调整后的各簇的波束角度范围确定所述群组的期望波束，其中，各波束方向辐射强度与对应簇内最远用户距离平方成正比。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用所述簇内用户设备相对于基站的最远距离以及调整后的各簇的波束角度范围确定所述群组的期望波束，包括：
利用下述公式，计算得到所述群组的期望波束；
Figure FDA0003320151940000031
其中，k为调整后的簇，
Figure FDA0003320151940000032
为调整后的簇内用户设备相对于所述基站的最远距离，K为调整后的簇的总数，αk为所述簇的波束角度范围的下限角度值，βk为所述簇的波束角度范围的上限角度值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述调整各天线加权以生成所述期望波束进行组播通信，包括：
使用如下公式计算出归一化的波束成形矢量w:
min{f(w)}＝min{∫|F(θ)-F0(θ)|2dθ}；
其中，F(θ)是组播波束的归一化阵因子，
Figure FDA0003320151940000033
其中，F0(θ)为群组的期望波束，N为基站的天线数量，n为每一个基站，θ∈[αk,βk]，wn为天线权重，d为相邻天线间距，λ为通信波长，且|w|2＝1。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取群组内用户设备相对所述基站的距离和角度，包括：
获取所述用户设备发送的上行信号，根据所述上行信号中的序列信号估算出所述用户设备的距离信息和角度信息；和/或
获取所述用户设备的全球定位信息/辅助全球定位信息，根据所述全球定位信息/辅助全球定位信息计算出所述群组内用户设备相对所述基站的所述距离和所述角度。
11.一种基站，其特征在于，包括：相互耦接的处理器、存储器和通信电路，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于运行所述程序数据以控制所述通信电路进行通信并执行如权利要求1-10任一项所述的方法。
12.一种存储介质，其特征在于，存储有能够被处理器运行的程序数据，所述程序数据能够被执行以实现如权利要求1-10任一项所述方法中的步骤。
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