CN113852972B - 一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于波束调制技术领域，公开了一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，在初始接入流程的训练过程中，收集用户组有定位误差的历史定位信息，通过用户组速度状态与位置信息的结果，得到速度与定位误差范围内用户组高概率位置，与基站各波束覆盖范围进行扫描匹配，波束匹配优先级的排序依据波束匹配的准确率，对用户组发送波束。在波束共享阶段，利用第一阶段得到的每个用户组的波束，得到这些波束之间的干扰关系矩阵。根据干扰关系矩阵数值的降序排列，合并具有干扰关系的波束，并更新合并后波束的波束宽度，直到波束间的夹角大于波束宽度的初始值。在保证公平性的同时消除了用户间的强干扰，并且减少了平均对齐时延，提高了系统容量。

Description

一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法

技术领域

本发明属于波束调制技术领域，具体涉及一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法。

背景技术

面对5G时代提出的系统大容量需求，毫米波由于拥有丰富的频谱资源，并且具有与大规模天线技术结合的能力，可以极大地提高无线网络的系统容量，满足对系统容量的需求。在使用毫米波通信过程中，为了解决严重的路径损耗问题，毫米波通信系统使用窄波束进行方向性传输。为了能够在用户与基站间建立稳定可靠的毫米波通信链路，通常需要进行波束扫描，在一个粗粒度范围内扫描所有可能的方向，选择信道状况最好的方向作为收发方向，实现收发双方的波束对齐。而在波束对齐的过程中没有有效的数据传输，由此引入了对齐时延。此外用户间相互干扰严重限制了毫米波通信系统的容量。因此，亟需一种技术方案，同时考虑波束匹配赋形时延与用户间干扰对系统的影响。

更为重要的一点是，在波束匹配赋形过程中，用户往往处于运动状态，因此如何针对处于运动状态的用户进行波束匹配赋形，是亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，使用波束共享的用户，在保证了公平性的同时消除了用户间的强干扰，并且减少了平均对齐时延，从而达到提高系统容量和服务的效果。

本发明采用以下技术方案：一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，包括步骤：

S1、获取用户组定位信息，并根据定位信息计算波束搜索角度；

S2、根据波束搜索角度、半功率波束宽度计算发送的波束个数；

S3、将所有用户组的运动速度进行量化，并将量化后得到的速度状态空间对应到相应速度范围内，得到所有不同波束的对准波束概率；

S4、根据对准波束概率进行波束匹配，并将波束宽度的初始值均赋为W₀，波束间产生强干扰的门限间角的初始值均赋为α_min；

S5、根据门限间角、用户组匹配得到的波束之间的波束间角，构建波束间的干扰关系矩阵；

S6、利用干扰关系矩阵对具有干扰关系的干扰波束进行合并，以得到合并波束；

S7、根据干扰波束之间的波束间角、干扰波束的波束宽度计算干扰波束间的重叠间角；

S8、根据重叠间角、干扰波束的波束宽度更新合并波束的波束宽度，并将合并波束对应的用户组标记为同一组，并根据波束合并后各波束宽度更新各波束之间的门限间角；

S9、重复步骤S5-S8，直至各波束之间的波束间角均大于波束宽度的初始值W₀。

作为优选方案，步骤S1，具体包括以下步骤：

S1.1、利用北斗卫星获取用户组的定位信息；

S1.2、根据定位信息计算用户组与基站之间的距离，计算公式为：

其中，d_is表示第i个用户组与基站之间的距离，表示第i个用户组当前定位信息坐标；

S1.3、根据距离、定位误差计算波束搜索角度，计算公式为：

其中，表示第i个用户组的波束搜索角度，σ_iq表示第i个用户组的定位信息的定位误差。

作为优选方案，步骤S2，具体包括以下步骤：

S2.1、根据毫米波LOS链路模型计算半功率波束宽度，表示为：

其中，θ_i-3dB表示第i个用户组的半功率波束宽度、P_ir表示第i个用户组的接收功率、P_it表示第i个用户组的发射功率、n_il表示第i个用户组的毫米波LOS通信指数，d_i0表示第i个用户组的参考距离；

S2.2、根据波束搜索角度、半功率波束宽度计算发送的波束个数，计算公式为：

其中，B_i表示第i个用户组的波束个数。

作为优选方案，步骤S3中，不同波束的对准波束概率计算公式具体为：

其中，P(b_ik)表示发射端与第i个用户组通信的第k个波束的对准波束概率，表示第i个用户组在上一周期内的平均运动速度，x_i1表示第i个用户组在上一周期内的运动距离，v_ikc表示发射端与第i个用户组在第c个速度状态下通信的第k个波束的速度，N_i表示第i个用户组的速度状态总数。

作为优选方案，骤S5，具体为：

当两波束间的波束间角小于该两波束间的门限间角，则表示该两波束之间产生强干扰，以此构建波束间的干扰关系矩阵。

作为优选方案，步骤S6，具体为：

将干扰关系矩阵按照每个波束干扰其他波束数值的降序进行排列，并将干扰关系矩阵降序排列的数值中大于干扰系数门限的所对应的干扰波束进行合并。

作为优选方案，步骤S7中，重叠间角的计算公式具体为：

其中，表示第i个用户组与第j个用户组匹配得到的波束之间的重叠间角，W_i和W_j分别为第i个用户组与第j个用户组的波束宽度，α_ij表示第i个用户组与第j个用户组匹配得到的波束之间的波束间角。

作为优选方案，步骤S8中：

合并波束的波束宽度W’的计算公式具体为：

各波束之间的门限间角的更新公式具体为：

其中，表示波束合并后第i个用户组与第j个用户组匹配得到的波束之间的门限间角，W_i’和W_j’分别表示波束合并后的第i个用户组与第j个用户组的波束宽度。

作为优选方案，步骤S4，还包括：

判断波束匹配后接收功率是否大于设定的功率阈值，若否，则依据对准波束概率优先级对剩余波束进行匹配，若是，则波束匹配完成，并执行步骤S5。

作为优选方案，步骤S8与步骤S9之间还包括步骤：

判断接收功率是否大于设定的功率阈值，若否，对不符合的用户组重复步骤S5-S8，直到符合功率阈值。

本发明的有益效果是：针对运动的终端用户，有效利用了北斗位置资源和数据资源，同时考虑波束匹配赋形时延与用户间干扰对系统的影响。使用波束共享的用户，在保证了公平性的同时消除了用户间的强干扰，并且减少了平均对齐时延，从而达到提高系统容量和服务的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法的流程图；

图2是毫米波系统波束扫描匹配示意图；

图3是具有强干扰波束的波束赋形方案示意图；

图4是波束共享的波束赋形方案示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参照图1，本实施例提供了一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，包括步骤：

S1、获取用户组定位信息，并根据定位信息计算波束搜索角度；

S2、根据波束搜索角度、半功率波束宽度计算发送的波束个数；

S3、将所有用户组的运动速度进行量化，并将量化后得到的速度状态空间对应到相应速度范围内，得到所有不同波束的对准波束概率；

S4、根据对准波束概率进行波束匹配，并将波束宽度的初始值均赋为W₀，波束间产生强干扰的门限间角的初始值均赋为α_min；

S5、根据门限间角、用户组匹配得到的波束之间的波束间角，构建波束间的干扰关系矩阵；

需要说明的是，在初始阶段(即波束未进行合并前)，每个用户都为一独立的用户组，波束进行合并后，用户组内可包括多个用户。

S6、利用干扰关系矩阵对具有干扰关系的干扰波束进行合并，以得到合并波束；

S7、根据干扰波束之间的波束间角、干扰波束的波束宽度计算干扰波束间的重叠间角；

S8、根据重叠间角、干扰波束的波束宽度更新合并波束的波束宽度，并将合并波束对应的用户组标记为同一组，并根据波束合并后各波束宽度更新各波束之间的门限间角；

S9、重复步骤S5-S8，直至各波束之间的波束间角均大于波束宽度的初始值W₀。

本发明，针对运动的终端用户，同时考虑波束匹配赋形时延与用户间干扰对系统的影响。使用波束共享的用户，在保证了公平性的同时消除了用户间的强干扰，并且减少了平均对齐时延，从而达到提高系统容量和服务的效果。

步骤S1-S4我们得到每个高速移动终端与基站的匹配波束，通过这些匹配波束得到的波束间角矩阵与位置间角矩阵相比，根据波束间角矩阵可以更准确的进行波束合并共享，提高后续共享后的系统传输效率。

具体地：

步骤S1，具体包括以下步骤：

S1.1、利用北斗卫星获取用户组的定位信息；

S1.2、根据定位信息计算用户组与基站之间的距离，计算公式为：

其中，d_is表示第i个用户组与基站之间的距离，表示第i个用户组当前定位信息坐标；

S1.3、根据距离、定位误差计算波束搜索角度，计算公式为：

其中，表示第i个用户组的波束搜索角度，σ_iq表示第i个用户组的定位信息的定位误差。

步骤S2，具体包括以下步骤：

S2.1、根据毫米波LOS链路模型计算半功率波束宽度，表示为：

其中，θ_i-3dB表示第i个用户组的半功率波束宽度、P_ir表示第i个用户组的接收功率、P_it表示第i个用户组的发射功率、n_il表示第i个用户组的毫米波LOS通信指数，d_i0表示第i个用户组的参考距离；

S2.2、根据波束搜索角度、半功率波束宽度计算发送的波束个数，计算公式为：

其中，B_i表示第i个用户组的波束个数。

步骤S3中，不同波束的对准波束概率计算公式具体为：

其中，P(b_ik)表示发射端与第i个用户组通信的第k个波束的对准波束概率，表示第i个用户组在上一周期内的平均运动速度，x_i1表示第i个用户组在上一周期内的运动距离，v_ikc表示发射端与第i个用户组在第c个速度状态下通信的第k个波束的速度，N_i表示第i个用户组的速度状态总数。

骤S5，具体为：

当两波束间的波束间角小于该两波束间的门限间角，则表示该两波束之间产生强干扰，以此构建波束间的干扰关系矩阵。

步骤S6，具体为：

将干扰关系矩阵按照每个波束干扰其他波束数值的降序进行排列，并将干扰关系矩阵降序排列的数值中大于干扰系数门限的所对应的干扰波束进行合并。

步骤S7中，重叠间角的计算公式具体为：

其中，表示第i个用户组与第j个用户组匹配得到的波束之间的重叠间角，W_i和W_j分别为第i个用户组与第j个用户组的波束宽度，α_ij表示第i个用户组与第j个用户组匹配得到的波束之间的波束间角。

步骤S8中：

合并波束的波束宽度W’的计算公式具体为：

各波束之间的门限间角的更新公式具体为：

其中，表示波束合并后第i个用户组与第j个用户组匹配得到的波束之间的门限间角，W_i’和W_j’分别表示波束合并后的第i个用户组与第j个用户组的波束宽度。

步骤S4，还包括：

判断波束匹配后接收功率是否大于设定的功率阈值，若否，则依据对准波束概率优先级对剩余波束进行匹配，若是，则波束匹配完成，并执行步骤S5。

步骤S8与步骤S9之间还包括步骤：

判断接收功率是否大于设定的功率阈值，若否，对不符合的用户组重复步骤S5-S8，直到符合功率阈值。

本实施例中，通过接收功率的判断，可以确定通过方案得到的匹配波束和共享波束是否符合系统输出效率要求，判断得到的匹配波束和共享波束是否正确。

本发明，首先记录高速移动的历史位置与速度信息的条件下，同时利用计算时空一体化，对北斗系统给出的位置信息以及数据进行计算机中心处理，可以对高速移动的终端进行精准预测并低时延波束赋形，可参照图2所示。

利用系统观测的北斗卫星提供的历史速度位置信息进行训练，利用从北斗卫星获得的位置信息进行波束匹配，在系统定位误差的范围内进行波束扫描，计算各个波束的对准概率，根据波束对准概率从高到低优先级顺序匹配，对于满足接受功率的波束进行选择匹配建立毫米波通信链路，发送波束给各个高速移动的终端。接着对于各个终端的匹配波束存在强干扰的情况，我们利用波束共享的波束调度机制来消除波束干扰的存在。彼束共享机制会将干扰矩阵按照每个用户组干扰其他用户组数量的降序进行排列，并将相互间干扰的组进行合并，对于合并之后的用户组波束我们计算得到更新的波束，实现基于波束共享的波束赋形。可参照图3、4所示。

针对运动的终端用户，有效利用了北斗位置资源和数据资源，同时考虑波束匹配赋形时延与用户间干扰对系统的影响。使用波束共享的用户，在保证了公平性的同时消除了用户间的强干扰，并且减少了平均对齐时延，从而达到提高系统容量和服务的效果。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，其特征在于，包括步骤：

S1、获取用户组定位信息，并根据定位信息计算波束搜索角度；

S2、根据波束搜索角度、半功率波束宽度计算发送的波束个数；

S3、将所有用户组的运动速度进行量化，并将量化后得到的速度状态空间对应到相应速度范围内，得到所有不同波束的对准波束概率；

S4、根据对准波束概率进行波束匹配，并将波束宽度的初始值均赋为W₀，波束间产生强干扰的门限间角的初始值均赋为α_min；

S5、根据门限间角、用户组匹配得到的波束之间的波束间角，构建波束间的干扰关系矩阵；

S6、利用干扰关系矩阵对具有干扰关系的干扰波束进行合并，以得到合并波束；

S7、根据干扰波束之间的波束间角、干扰波束的波束宽度计算干扰波束间的重叠间角；

S8、根据重叠间角、干扰波束的波束宽度更新合并波束的波束宽度，并将合并波束对应的用户组标记为同一组，并根据波束合并后各波束宽度更新各波束之间的门限间角；

S9、重复步骤S5-S8，直至各波束之间的波束间角均大于波束宽度的初始值W₀；

步骤S1，具体包括以下步骤：

S1.1、利用北斗卫星获取用户组的定位信息；

S1.2、根据定位信息计算用户组与基站之间的距离，计算公式为：

其中，d_is表示第i个用户组与基站之间的距离，表示第i个用户组当前定位信息坐标；

S1.3、根据距离、定位误差计算波束搜索角度，计算公式为：

其中，θ_ish表示第i个用户组的波束搜索角度，σ_iq表示第i个用户组的定位信息的定位误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，其特征在于，步骤S2，具体包括以下步骤：

S2.1、根据毫米波LOS链路模型计算半功率波束宽度，表示为：

其中，θ_i-3dB表示第i个用户组的半功率波束宽度、P_ir表示第i个用户组的接收功率、P_it表示第i个用户组的发射功率、n_il表示第i个用户组的毫米波LOS通信指数，d_i0表示第i个用户组的参考距离；

S2.2、根据波束搜索角度、半功率波束宽度计算发送的波束个数，计算公式为：

其中，B_i表示第i个用户组的波束个数。

3.根据权利要求2所述的一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，其特征在于，步骤S3中，不同波束的对准波束概率计算公式具体为：

其中，P(b_ik)表示发射端与第i个用户组通信的第k个波束的对准波束概率，表示第i个用户组在上一周期内的平均运动速度，x_i1表示第i个用户组在上一周期内的运动距离，v_ikc表示发射端与第i个用户组在第c个速度状态下通信的第k个波束的速度，N_i表示第i个用户组的速度状态总数。

4.根据权利要求3所述的一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，其特征在于，步骤S5，具体为：

当两波束间的波束间角小于该两波束间的门限间角，则表示该两波束之间产生强干扰，以此构建波束间的干扰关系矩阵。

5.根据权利要求4所述的一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，其特征在于，步骤S6，具体为：

将干扰关系矩阵按照每个波束干扰其他波束数值的降序进行排列，并将干扰关系矩阵降序排列的数值中大于干扰系数门限的所对应的干扰波束进行合并。

6.根据权利要求5所述的一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，其特征在于，步骤S7中，重叠间角的计算公式具体为：

其中，表示第i个用户组与第j个用户组匹配得到的波束之间的重叠间角，W_i和W_j分别为第i个用户组与第j个用户组的波束宽度，α_ij表示第i个用户组与第j个用户组匹配得到的波束之间的波束间角。

7.根据权利要求6所述的一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，其特征在于，步骤S8中：

合并波束的波束宽度W’的计算公式具体为：

各波束之间的门限间角的更新公式具体为：

其中，表示波束合并后第i个用户组与第j个用户组匹配得到的波束之间的门限间角，W_i’和W_j’分别表示波束合并后的第i个用户组与第j个用户组的波束宽度。

8.根据权利要求7所述的一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，其特征在于，步骤S4，还包括：

判断波束匹配后接收功率是否大于设定的功率阈值，若否，则依据对准波束概率优先级对剩余波束进行匹配，若是，则波束匹配完成，并执行步骤S5。

9.根据权利要求8所述的一种基于波束共享的高速移动终端波束调度方法，其特征在于，步骤S8与步骤S9之间还包括步骤：

判断接收功率是否大于设定的功率阈值，若否，对不符合的用户组重复步骤S5-S8，直到符合功率阈值。