CN113242579B - 一种双连接小区切换参数的测量方法 - Google Patents

一种双连接小区切换参数的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双连接小区切换参数的测量方法，用户通过LTE链路传输自己的位置信息，广播探测信号；每个毫米波基站进行波束扫描，对量测数据进行滤波，得到最优SINR；毫米波基站根据滤波后的SINR信息为每一个用户建立信道信息报告表；LTE宏基站收到所有毫米波基站的信道表，判断基站和用户SINR最高时对应的波束方向。本发明根据实际通信场景判断是否需要对测量数据进行滤波处理，当通信信号质量不佳时，将毫米波基站追踪到的用户SINR信息输入到滤波器，滤除噪声并得到最优SINR波束方向，既能提高双连接小区切换参数测量精度，又能控制基站的计算开销，提高双连接小区切换性能。

Description

一种双连接小区切换参数的测量方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及毫米波通信(millimeter wave,mmWave)与长期演进(Long Term Evolution,LTE)的双连接技术，特别是涉及双连接系统中小区切换 参数的测量方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，毫米波通信已成为5G蜂窝无线系统中的一项关键技术，具有丰富的频谱资源以及实现网络所需的巨大吞吐量的潜力。然而毫米波信号容 易受信道变化的影响，具有严重的信号传播损耗，极易由于障碍物遮挡导致信号中断。 此外采用毫米波通信时，基站部署的密度较高，会给移动性管理问题尤其是切换带来 前所未有的挑战。采用LTE和5G毫米波基站双连接的方式，将在很大程度上克服毫 米波通信带来的困难。然而，在双连接系统中，由于移动用户会同时与毫米波基站和 LTE基站保持连接，用户的小区切换过程相较于传统的小区切换会更加困难。小区切 换是用户移动管理的关键步骤，切换过程主要包括三个步骤：切换参数测量、切换判 定和切换的执行。切换参数的测量是切换的初始步骤，将决定后续切换的进行。其中 测量参数SINR(Signal toInterference plus Noise Ratio,SINR)代表用户接收到的信号 的信干噪比，它反映了用户与基站之间信道的状况，常用来做切换的测量参数。由于 毫米波容易受到障碍物的遮挡而发生急剧变化，毫米波信道的测量与跟踪难度远远大 于传统参数测量。寻找一种高效的小区切换的参数测量方案成为了提高双连接小区切 换效率的前提条件。
目前双连接系统中已有的穷举法波束扫描信道测量方法，利用毫米波基站周期性的扫描对信道参数进行测量，需要频繁进行信道测量并且不能自适应根据通信场景对 测量参数进行处理，会增大测量时延，影响小区的切换性能。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双连接小区切换参数的测量方法，根据实际通信场景判断是否需要对测量数据进行滤波处理，当通信信号质量不佳时，将 毫米波基站追踪到的用户SINR信息输入到滤波器，滤除噪声并得到最优SINR波束方 向，既能提高双连接小区切换参数测量精度，又能控制基站的计算开销，提高双连接 小区切换性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1，用户通过LTE链路传输自己的位置信息，根据用户和毫米波基站 的位置信息得到用户和毫米波基站波束对准的大致范围，然后LTE基站发送对 应用户和毫米波基站波束的方向范围，在对应波束范围内，用户通过不同的发射 波束方向d1,…dUE广播上行探测信号；
步骤2，网络中每个毫米波基站在所有的接收波束方向D1,…DeNB通过模拟与数 字混合波束成形在对应的波束范围内扫描，模拟波束成形在不同的时间扫描所有毫 米波对应的波束范围，数字波束成形在同一时间扫描所有方向；每个毫米波基站收到 探测信号时通过本地特定的标识符对探测信号进行加扰；
步骤3，毫米波基站利用同步信号和方向扫描估计信道质量，从同步信号中估计用户SINR信息；
步骤4，毫米波基站对量测数据进行滤波，得到最优SINR；
步骤5，毫米波基站根据滤波后的SINR信息，为每一个用户建立信道信息报告 表，记录用户所有发射波束和毫米波基站所有接收波束测量到的SINR值，然后在用 户所有的发射波束方向和基站的所有接收波束方向中，寻找最大的SINR；
步骤6，毫米波基站通过X2链路将信道信息报告表发送给LTE宏基站；LTE宏 基站收到所有毫米波基站的信道信息报告表后，建立最终的信道信息表，判断基站和 用户SINR最高时对应的波束方向；
步骤7，LTE宏基站通过双连接的链路通知用户最优毫米波基站以及最佳波束方向，然后LTE宏基站通过双连接中的X2链路通知对应毫米波基站相对于用户的最佳 波束方向。
所述的步骤4具体过程是设定采样窗口对毫米波基站追踪到的用户SINR数据进行采样；根据采样数据中SINR值或者噪声方差的估计值判定是否需要对毫米波基站 追踪到的用户SINR数据进行滤波，当噪声方差和SINR不满足滤波条件时，转到 步骤2进行下一次采样和滤波判断；当噪声方差和SINR满足滤波条件时，进行卡 尔曼滤波，根据前一采样时刻的状态预测当前采样时刻的状态，根据卡尔曼增 益，计算最优SINR估计值。
所述的滤波条件为采样数据满足SINR<10dB或者噪声方差>5。
所述的卡尔曼增益根据采样周期进行更新，不是实时更新。
本发明的有益效果是：能够根据当前环境中信号质量自适应决定是否滤波， 依据采样周期改进卡尔曼滤波，减小系统计算开销，提高测量参数的可靠性； 从仿真结果容易验证，本发明提出的切换参数测量方法能平滑毫米波基站追踪 的用户信息，提高小区切换决策性能。
附图说明
图1是LTE和毫米波双连接异构网络示意图。
图2是双连接信道测量过程示意图。
图3是双连接上行信道切换参数测量流程图。
图4是信道测量装置的实施例结构图。
图5是双连接小区改进卡尔曼滤波流程图。
图6是SINR平均绝对误差图。
图7是双连接系统切换丢包率示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
假设用户和基站的波束方向数分别为NUE和NeNB，本发明的技术方案主要步骤如下：
步骤1：广播探测信号
毫米波双连接网络中，移动用户始终与小区范围内的LTE宏基站保持连接， 用户通过LTE链路传输自己的位置信息，根据用户和毫米波基站的位置信息得 到用户和毫米波基站波束对准的大致范围，然后LTE基站通过LTE链路和X2 链路发送对应用户和毫米波基站波束的方向范围。在对应波束范围内，移动用户 在专用时隙中通过不同方向d1,…dUE广播上行探测信号。
步骤2：毫米波基站波束扫描
网络中每个毫米波基站根据D1,…DeNB方向进行波束扫描，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，如果毫米波基站采用模拟波束成 形，需要分别在不同的时间扫描所有毫米波对应的波束范围。如果采用数字波束成形， 在同一时间可以扫描所有方向。当收到探测信号时通过本地特定的标识符(例如： C-RNTI)对探测信号进行加扰。这些标识同时存储于每一个毫米波基站，以便后续进 行信道估计。
步骤3：SINR跟踪
毫米波基站利用同步信号和方向扫描估计信道质量，从同步信号中估计用户SINR信息，在小区边缘信号质量不佳时，由于信道的噪声干扰很难区分是附加噪声还 是实际遮挡带来的SINR下降。当用户接收到非常低功率的信号时，噪声分量很有可 能在SINR估计中占主导地位，导致SINR估计性能下降。
步骤4：对量测数据进行滤波，得到最优SINR
为了降低噪声，将毫米波基站追踪到的用户SINR信息输入到滤波器中，设计改 进卡尔曼滤波，对测量数据进行滤波的同时，不断地根据测量参数和噪声统计特性判 断系统的动态特性，缩小滤波的实际误差，提升测量参数的SINR估计性能。具体过 程如下：
Step1：设定采样窗口对毫米波基站追踪到的用户SINR数据进行采样，根据基 站运算能力设定采样窗口的长度。
Step2：根据采样数据中SINR值或者噪声方差的估计值判定是否需要对毫米波 基站追踪到的用户SINR数据进行滤波，例如当在信号质量较好的通信场景中若采样 数据满足SINR<10dB或者噪声方差>5的条件则进行卡尔曼滤波。
Step3：当噪声方差和SINR不满足滤波条件时，转到步骤2进行下一次采样 和滤波判断。
Step4：当噪声方差和SINR满足滤波条件时，进行卡尔曼滤波，根据前一 采样时刻的状态预测当前采样时刻的状态，其中卡尔曼增益根据采样周期进行更 新，不是实时更新。
Step5：根据卡尔曼增益，计算最优SINR估计值。
步骤5：建立信道信息报告表
毫米波基站在信道测量之后，根据滤波后的SINR信息，为每一个用户建立信道 信息报告表，记录用户所有发射波束和毫米波基站所有接收波束测量到的SINR值， 然后在用户所有的发射波束方向和基站的所有接收波束方向中，寻找最大的SINR，计 算方式如下：
Figure BDA0003051820560000051
步骤6：LTE宏基站信息收集
当毫米波基站完成信道信息表后，通过X2链路将该信道信息表发送给LTE宏基站。LTE宏基站收到所有毫米波基站的信道表后，建立最终的信道信息表。判断基站 和用户SINR最高时对应的波束方向，从而使用户达到最好的信道状态。
步骤7：决策最佳波束方向
LTE宏基站通过双连接的链路通知用户最优毫米波基站以及最佳波束方向，然后LTE宏基站通过双连接中的X2链路通知对应毫米波基站相对于用户的最佳波束方向。
本发明的方案应用在如图1所示的毫米波和LTE双连接异构网络中，如图 2所示，双连接信道测量过程主要分为上行信道测量、LTE宏基站的信息收集、 网络决策。其中，双连接上行信道切换参数测量流程图如图3所示。当通信时信 号质量不佳时，上行信道测量到的用户信息噪声干扰较大，造成测量到的SINR精度 较低，本发明将利用改进卡尔曼滤波方法提高测量参数的SINR估计性能。
下面以网络模拟器NS-3中毫米波与LTE双连接切换参数测量为例，毫米 波基站的切换参数测量装置如图4所示，主要有5大模块，每个模块具体功能 在实施方式中展开详解。需要说明的是，本方法可在任选适合的参数范围内实 现，并不局限为以下的典型实现过程，假设用户和基站的波束方向数分别为NUE和 NeNB：
步骤1：在NS-3中设置三个毫米波基站，一个移动用户，用NS-3中的 Building模块随机生成建筑物，模拟真实网络场景。
步骤2：根据用户和毫米波基站的位置信息得到用户和毫米波基站波束对 准的大致范围，在对应波束范围内，移动用户在专用时隙中通过不同方向d1,…dUE广 播上行探测信号。
步骤3：毫米波基站根据D1,…DeNB不同方向通过模拟与数字混合波束成形在对 应的波束范围内扫描。当收到探测信号时通过本地特定的标识符(例如：C-RNTI) 对探测信号进行加扰。
步骤4：毫米波基站利用同步信号和方向扫描估计信道质量，从同步信号中估计SINR，具体过程如下：
Step1：令pik(t)为第i个同步周期中的第k个发送子信号，ti表示同步周期的时间，fk表示该周期内子信号的频率位置，假设子信号在接收器处被接收为：
rik(t)＝Wi rxH(ti,fk)Wi txpik(t)+nik(t) (1)
式中：
Wi rx——用户处Rx波束形成向量；
Wi tx——基站小区处的Tx波束形成向量；
H(ti,fk)——同步信号的信道响应；
nik(t)——表示加性高斯白噪声，用N0表示噪声功率谱密度。
Step2：假设一个标准的多径信道模型，其中信道响应如下：
Figure BDA0003051820560000061
式中：
L——是路径数；
gl(t)——随时间变化的信道功率；
fd——路径多普勒频移；
Figure BDA0003051820560000062
和
Figure BDA0003051820560000063
——取决于路径的Rx和Tx空间特征，分别是从天线阵列到达和离开路径的角度。
当Tx和Rx的方向向量为Wtx和Wrx，信道增益为：
Figure BDA0003051820560000064
Step3：设Es＝∫|pik(t)|2dt表示每个子信号的发射能量，Ptx表示信号发射功率，假设信号持续时间为Tsig，有Nsig个信号，则：
Figure BDA0003051820560000065
Step4：对信号进行匹配滤波处理以获得统计信息：
Figure BDA0003051820560000066
Step5：频率fk均匀随机分配在系统带宽上，那么：
Figure BDA0003051820560000071
因此，对子信号接收功率减去噪声求和得到SINR的无偏估计：
Figure BDA0003051820560000072
步骤5：将毫米波基站追踪到的用户SINR信息作为输入，根据双连接场景，改 进卡尔曼滤波算法，根据实际场景判断是否滤波，当对测量数据进行滤波的同时，不 断地根据测量参数和噪声统计特性判断系统的动态特性，以改进滤波设计、缩小滤波 的实际误差，提升测量参数的SINR估计性能。图5示例了双连接小区的改进卡尔曼 滤波流程图，具体过程如下：
Step1：设定采样窗口对毫米波基站追踪到的用户SINR数据进行采样，采样窗 口长度为(16或者32)，根据基站运算能力设定。
Step2：根据采样数据中SINR值和噪声方差的估计值判定是否需要对毫米波基 站追踪到的用户SINR数据进行滤波。具体判定参数根据通信场景而定。
Step3：当噪声方差和SINR不满足滤波条件时，更新窗口，进行下一次采样 和滤波判断。
Step4：当噪声方差和SINR满足滤波条件时，进行卡尔曼滤波，根据 前一采样时刻的状态预测当前采样时刻的状态，其中卡尔曼增益根据采样周期进 行更新，不是实时更新。
Step5：根据卡尔曼增益，计算最优SINR估计值。
步骤6：根据滤波后的SINR信息，为每一个用户建立信道信息报告表。然后在 用户所有的发射波束方向和基站的所有接收波束方向中，寻找SINR最大的方向，计 算方式如下：
Figure BDA0003051820560000073
步骤7：当毫米波基站完成信道信息表后，通过X2链路将该信道信息表上传到 LTE宏基站。LTE宏基站收到所有毫米波基站的信道表后，建立最终的信道信息表。 从而判断基站和用户SINR最高时对应的波束方向，从而使用户达到最好的信道状态。
步骤8：LTE宏基站通过双连接的链路通知用户最优毫米波基站以及最佳波束方向，然后LTE宏基站通过X2链路通知对应毫米波基站相对于用户的最佳波束方向。
图6是在上行信道测量中采用不同的滤波器对毫米波基站测量到的SINR信息进行处理的结果与真实信噪比的平均绝对误差图，图7是上行信道测量采用不同测量 算法对系统切换性能的影响图，由图可以看到在双连接小区中采用改进卡尔曼 滤波的上行信道测量方法可以降低双连接小区切换的丢包率，进而提高小区的 切换性能。由此可见本发明提出的切换参数测量方法既能提高小区切换参数测 量的可靠性，又能提高小区切换性能。

Claims (4)

1.一种双连接小区切换参数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，用户通过LTE链路传输自己的位置信息，根据用户和毫米波基站的位置信息得到用户和毫米波基站波束对准的大致范围，然后LTE基站发送对应用户和毫米波基站波束的方向范围，在对应波束范围内，用户通过不同的发射波束方向d1,…dUE广播上行探测信号；
步骤2，网络中每个毫米波基站在所有的接收波束方向D1,…DeNB通过模拟与数字混合波束成形在对应的波束范围内扫描，模拟波束成形在不同的时间扫描所有毫米波对应的波束范围，数字波束成形在同一时间扫描所有方向；每个毫米波基站收到探测信号时通过本地特定的标识符对探测信号进行加扰；
步骤3，毫米波基站利用同步信号和方向扫描估计信道质量，从同步信号中估计用户SINR信息；
步骤4，毫米波基站对量测数据进行滤波，得到最优SINR；具体过程是设定采样窗口对毫米波基站追踪到的用户SINR数据进行采样；根据采样数据中SINR值或者噪声方差的估计值判定是否需要对毫米波基站追踪到的用户SINR数据进行滤波，当噪声方差和SINR不满足滤波条件时，转到步骤2进行下一次采样和滤波判断；当噪声方差和SINR满足滤波条件时，进行卡尔曼滤波，根据前一采样时刻的状态预测当前采样时刻的状态，根据卡尔曼增益，计算最优SINR估计值；
步骤5，毫米波基站根据滤波后的SINR信息，为每一个用户建立信道信息报告表，记录用户所有发射波束和毫米波基站所有接收波束测量到的SINR值，然后在用户所有的发射波束方向和基站的所有接收波束方向中，寻找最大的SINR；
步骤6，毫米波基站通过X2链路将信道信息报告表发送给LTE宏基站；LTE宏基站收到所有毫米波基站的信道信息报告表后，建立最终的信道信息表，判断基站和用户SINR最高时对应的波束方向；
步骤7，LTE宏基站通过双连接的链路通知用户最优毫米波基站以及最佳波束方向，然后LTE宏基站通过双连接中的X2链路通知对应毫米波基站相对于用户的最佳波束方向。
2.根据权利要求1所述的双连接小区切换参数的测量方法，其特征在于，所述的步骤4具体过程是设定采样窗口对毫米波基站追踪到的用户SINR数据进行采样；根据采样数据中SINR值或者噪声方差的估计值判定是否需要对毫米波基站追踪到的用户SINR数据进行滤波，当噪声方差和SINR不满足滤波条件时，转到步骤2进行下一次采样和滤波判断；当噪声方差和SINR满足滤波条件时，进行卡尔曼滤波，根据前一采样时刻的状态预测当前采样时刻的状态，根据卡尔曼增益，计算最优SINR估计值。
3.根据权利要求2所述的双连接小区切换参数的测量方法，其特征在于，所述的滤波条件为采样数据满足SINR<10dB或者噪声方差>5。
4.根据权利要求2所述的双连接小区切换参数的测量方法，其特征在于，所述的卡尔曼增益根据采样周期进行更新，不是实时更新。
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