CN114079954B - 一种用于消除单播与广播传输距离差异的自适应补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，包括：设定数据信道和控制信道的发射功率谱密度初始值；在基站和所有用户端建立相同的扩频码本；获取两个信道的接收功率谱密度差值；获取接收功率谱密度差值的统计量；对接收功率谱密度差值的统计量进行门限判决；对控制信道的信号进行扩频编码，获取扩频后的数据信道和控制信道接收功率谱密度差值；调整数据信道的发射功率谱密度和控制信道的发射功率谱密度；确定获取的扩频码长度对应的序号，基站将该序号以及公共信号通过圆波束广播给所有用户端；用户端对接收到的信号解扩，并测量两个信道的接收功率谱密度值。

Description

一种用于消除单播与广播传输距离差异的自适应补偿方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地涉及一种用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法。

背景技术

随着5G通信的发展，毫米波通信和大规模MIMO技术逐渐成为主流，逐渐向高频段和窄波束方向发展。窄波束通信将能量集中在一个较窄的波束宽度范围内，指向某一方向定向传输，因此具有更远的传输范围。窄波束通信的应用可以实现空分复用，具有更好的保密性和方向性。此外，针对适用于紧急情况和恶劣环境的移动自组网，采用窄波束通信可以有效减少能量损耗，提高传输距离和抗干扰能力，因此在数据链组网和无人机组网等无线自组网中有着广泛的应用。

大规模MIMO传输技术最早由贝尔实验室的Marzetta提出。大规模MIMO系统的下行链路模型如图1所示，大规模天线阵列可以提高通信系统的空间分辨力，在相同的时频资源下基站(Base Station，BS)可以服务更多的用户终端(User Terminal，UT)，大大提高系统的频谱资源利用率。此外，较高的空间分辨力使得信号在上下行传输时具有更强的方向性，发射功率集中在更窄的波束内，从而提高系统的功率效率。

大规模MIMO系统基于天线阵列，采用波束赋形技术，调整天线阵列中每个阵元的加权系数，形成空间导向矢量来产生方向可控的定向波束，从而获得阵列增益。通过这种方向性传输可以将能量集中辐射向某一方向，相较于全向传输，具有更远的传输范围，因此可以有效扩大通信的覆盖范围。

通过大规模MIMO系统实现的窄波束通信，可以定向传输数据，显著扩大传输范围。但是在系统下行链路中，基站在与用户终端建立通信之前，需要先向所有用户端广播控制信令、同步信号和系统消息等公共控制信号，实现全向覆盖。

实现广播信令可以采用圆波束的方法，圆波束采用全向传输方式，以等信号功率覆盖小区内各个方向的终端。现有技术采用基于全向预编码的传输方法，分解发射信号矩阵，设计全向预编码矩阵，满足发送功率全向性和功放利用率两个基本要求。或者构造Golay互补矩阵和广义自相关互补矩阵，应用于具有均匀矩形阵列的MIMO通信系统的全向传输。但采用圆波束的缺点在于没有考虑窄波束单播与圆波束广播时传输距离的差异。

以目前应用最为广泛的64通道MIMO天线阵列为例，利用链路预算考虑窄波束单播和圆波束广播时传输距离的差异。窄波束单播的天线增益和圆波束广播的天线增益的差距主要在于波束赋形增益，而波束赋形的增益与天线阵列的通道数有关。在这一天线阵列中波束赋形增益G_BF的值可以表示为G_BF＝10log(64/2)＝15dB。在同一通信系统中，采用相同的发射功率，不考虑其他因素的影响，则最大链路损耗的差值ΔP_L为15dB。采用3GPP标准的Uma-NLOS传播模型，如图2所示，进行链路预算：

P_{L max}(dB)＝13.54+39.08lg(d_3D)+20lg(f_c)-0.6(h_UT-1.5)

其中，P_{L max}表示最大链路损耗，f_c为载波中心频率，h_UT表示UT天线有效高度，d_3D表示BS天线和UT天线的直接距离，d_2D表示BS天线和UT天线之间的水平距离，即小区覆盖距离。因此d_2D可以表示为在这一模型中指定基站天线高度h_BS为25m。

根据这一公式，在同一通信系统中，当载波中心频率、用户端天线高度等不变时，路径损耗只与天线之间的直接距离有关。因此，可以计算两种传输方式距离之间的对数比为其中，/>表示窄波束单播时BS天线和UT天线之间的直接距离，表示圆波束广播时BS天线和UT天线之间的直接距离。所以窄波束单播时的传输距离近似是圆波束广播时传输距离的10^0.384＝2.42倍。

因此，在基于大规模MIMO技术的无线通信系统中，需要在实现全向传输的前提下，尽可能增加圆波束广播时的传输距离，实现圆波束广播和窄波束单播之间传输距离的统一。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，能够在实现全向传输的前提下，增加圆波束广播时的传输距离，实现圆波束广播时的传输距离和窄波束单播时的传输距离的统一。

本发明提供的一种用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，包括：

步骤S1，设定下行通信中数据信道的发射功率谱密度初始值以及控制信道的发射功率谱密度初始值，基站根据所述数据信道的发射功率谱密度初始值和所述控制信道的发射功率谱密度初始值与用户端建立通信；

步骤S2，在基站和所有用户端建立相同的扩频码本，扩频码本中包括不同长度的扩频码、不同长度的扩频码对应的序号以及不同长度的扩频码对应的扩频增益；

步骤S3，用户端计算各自对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值，并将该差值反馈给基站；

步骤S4，基站接收所有用户端对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值，并获取接收功率谱密度差值的统计量；

步骤S5，将所述接收功率谱密度差值的统计量与一预设门限值进行比较，若所述接收功率谱密度差值的统计量大于等于所述预设门限值，进行步骤S6；否则进行步骤S7；

步骤S6，在所述扩频码本中查找出最接近且不大于所述接收功率谱密度差值的统计量的扩频增益，按照所述扩频增益对应的扩频码长度对控制信道的信号进行扩频编码，获取扩频后的数据信道和控制信道接收功率谱密度差值，返回步骤S4；

步骤S7，保持数据信道和控制信道总发射功率不变，调整数据信道的发射功率谱密度和控制信道的发射功率谱密度，以使数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值为0；

步骤S8，在所述扩频码本中确定所述步骤S6获取的扩频码长度对应的序号，基站将该序号以及控制信道的公共信号通过圆波束广播给所有用户端，并将数据信道的数据信号通过窄波束单播与用户端通信；

步骤S9，用户端根据接收到的序号在所述扩频码本中查找对应的扩频码，根据查找出的扩频码对接收到的控制信道的公共信号解扩，并测量对应的数据信道的接收功率谱密度值以及控制信道的接收功率谱密度值，返回步骤S3，直至用户端接收到的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值为0。

进一步地，所述数据信道的发射功率谱密度初始值S_D和所述控制信道的发射功率谱密度初始值S_C分别按照下式计算：

式中，表示数据信道的信噪比，/>表示控制信道的信噪比，G_TC表示圆波束增益，G_R表示用户端接收天线增益，L_c表示馈线损耗，L_b表示人体损耗，L_p表示建筑物穿透损耗，M_f表示阴影衰落余量，M_I表示干扰余量，NF表示用户端射频噪声系数，P_{L max}表示最大链路损耗。

进一步地，所述最大链路损耗P_{L max}计算公式为：

P_{L max}(dB)＝13.54+39.08lg(d_3D)+20lg(f_c)-0.6(h_UT-1.5)

式中，d_3D表示基站天线到用户端天线的直接距离，d_2D表示基站的覆盖距离，f_c表示载波中心频率，h_UT表示用户天线高度。

进一步地，所述步骤S3中用户端对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值Δ_i按照下式计算：

式中，表示用户端i对应的数据信道的接收功率谱密度值，/>表示用户端i对应的控制信道的接收功率谱密度值。

进一步地，所述步骤S4中接收功率谱密度差值的统计量Δ的获取方法为：基站接收到的所有用户端对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值记为(Δ₁,Δ₂,Λ,Δ_i,ΛΔ_N)，N表示基站覆盖范围内的用户端的数量，对这N个差值作统计和平均处理，得到统计量Δ。

进一步地，所述步骤S7中调整后的数据信道的发射功率谱密度S′_D和调整后的控制信道的发射功率谱密度S′_C分别为：

S′_D＝S_D-(P-10lg(B_D))，S′_C＝S_C+(P-10lg(B_C))

式中，B_D表示数据信道的带宽，B_C表示控制信道的带宽，P表示数据信道减少的发射功率或控制信道增加的发射功率，S_D表示数据信道的发射功率谱密度初始值，S_C表示控制信道的发射功率谱密度初始值。

本发明的用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，可应用于基于大规模MIMO技术的无线通信系统中，实现公共信号的圆波束广播传输与数据信号的窄波束单播传输之间传输距离的统一，有效增加通信系统的传输范围，进一步扩大大规模MIMO技术的空间复用优势。

附图说明

图1是大规模MIMO系统的下行链路模型示意图。

图2是Uma-NLOS传播模型示意图。

图3是按照本发明的一种用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

本发明提供的一种用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，应用于毫米波频段上基于大规模MIMO技术的无线通信系统。基站采用大规模MIMO系统(例如5G通信系统中较为常用的64T64R面阵天线)，可通过波束赋形技术将窄波束对准某一用户端，通过数据信道进行数据信号的单播传输。同时，基站可以使用圆波束在控制信道上将控制信令、同步信号、系统信息等所有公共信号广播给基站覆盖范围内的所有用户端，实现全向覆盖。

基于此，如图3所示，本发明提供的一种用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，包括以下步骤：

步骤S1，设定下行通信中数据信道的发射功率谱密度初始值S_D以及控制信道的发射功率谱密度初始值S_C，启动下行通信后，基站根据数据信道的发射功率谱密度初始值S_D和控制信道的发射功率谱密度初始值S_C与用户端建立通信。

数据信道的发射功率谱密度初始值S_D和控制信道的发射功率谱密度初始值S_C分别按照下式计算：

式中，表示数据信道的信噪比，/>表示控制信道的信噪比，G_TC表示圆波束增益，G_R表示用户端接收天线增益，L_c表示馈线损耗，L_b表示人体损耗，L_p表示建筑物穿透损耗，M_f表示阴影衰落余量，M_I表示干扰余量，NF表示用户端射频噪声系数，P_{L max}表示最大链路损耗。其中，信噪比/> 通过系统的目标误码率和信噪比之间的经验曲线查表确定，目标误码率可根据系统传输的可靠性要求预先设定，圆波束增益通过查询天线参数获取，最大链路损耗P_{L max}通过传播模型计算得出，以Uma-NLOS模型为例，最大链路损耗P_{L max}计算公式为：

P_{L max}(dB)＝13.54+39.08lg(d_3D)+20lg(f_c)-0.6(h_UT-1.5)

式中，d_3D表示基站天线到用户端天线的直接距离，d_2D表示基站的覆盖距离，可通过查询基站服务信息获取，f_c表示载波中心频率，h_UT表示用户天线高度。

下面以数据信道的发射功率谱密度初始值S_D为例，说明其推导过程。

以典型的下行链路预算公式为例，最大链路损耗P_{L max}(dB)可以表示为：

P_{L max}＝(P_T+G_T-L_c)-(NF+N+SNR)+G_R-L_b-L_p-M_f-M_I

式中，P_T表示基站发射功率，G_T表示基站发射天线增益，N表示热噪声，SNR表示接收信噪比。

下行链路预算公式转化为功率谱密度的形式，则数据信道的发射功率谱密度初始值表示为：

B表示信道带宽，G_TC表示圆波束增益，在设定发射功率谱密度初始值时，数据信道和控制信道都采用圆波束增益表示基站发射天线增益，热噪声N表示为N(dbm)＝10lg(KTB)＝-174+10lg(B)，其中K表示玻尔兹曼常量，T表示绝对温度，因此简化上述公式可以得到：

在实际的5G系统中，载波中心频率为3.5GHz，用户端天线高度为1.5m，接收天线增益为3dBi，馈线损耗为0dB，人体损耗为0dB，建筑物穿透损耗为26dB，阴影衰落余量为6.5dB，干扰余量为1dB，用户端射频噪声系数为7dB。将这些典型参数代入上述的传播模型中，可以计算得到最大链路损耗为：

将最大链路损耗代入数据信道的发射功率谱密度初始值S_D的公式中，可以计算得到：

同样地，可以得到控制信道的发射功率谱密度初始值S_C。

步骤S2，基站与用户端建立通信后，在基站和所有用户端建立相同的扩频码本，扩频码本中包括不同长度的扩频码、不同长度的扩频码对应的序号以及不同长度的扩频码对应的扩频增益。不同长度的扩频码对应唯一序号，并对应唯一扩频增益，例如长度为3的扩频码，对应序号为1，扩频增益为4.77dB。

步骤S3，用户端i(1≤i≤N，N表示基站覆盖范围内的用户端的数量)计算各自对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值Δ_i，并将该差值Δ_i反馈给基站。

其中， 表示用户端i对应的数据信道的接收功率谱密度值，/>表示用户端i对应的控制信道的接收功率谱密度值。由于数据信道相较于控制信道采用波束赋形技术实现窄波束单播传输，具有波束赋形增益，因此数据信道接收到的功率谱密度大于控制信道接收到的功率谱密度，即Δ_i>0。

步骤S4，基站接收所有用户端对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值，并获取接收功率谱密度差值的统计量Δ。具体地，基站接收到的所有用户端对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值记为(Δ₁,Δ₂,Λ,Δ_i,ΛΔ_N)，对这N个差值作统计和平均处理，即得到接收功率谱密度差值的统计量Δ。统计和平均处理可采用算术平均、二阶统计量等数据处理方式。

步骤S5，将步骤S4获取的接收功率谱密度差值的统计量Δ与一预设门限值ε₀进行比较，若Δ≥ε₀，说明数据信道和控制信道之间的接收功率谱密度差值较大，需要通过扩频编码，引入扩频增益实现对接收功率谱密度的粗调，减小两个信道之间接收功率谱密度的差值，进行步骤S6；若Δ<ε₀，则说明数据信道和控制信道之间的接收功率谱密度差值较小，可以直接对功率谱密度分配进行调整，进行步骤S7。

门限判决值ε₀可以设置为一个较小的值，例如设置为最短扩频码对应的扩频增益(即4.77dB，参见下表1)。当小于这一值时，无法再使用扩频增益对功率谱密度进行调节，但是可以直接调整两个信道的发射功率谱密度。

步骤S6，在步骤S2建立的扩频码本中查找出最接近且不大于Δ的扩频增益Q_C，并找出该扩频增益Q_C对应的扩频码长度L_C，按照该扩频码长度L_C对控制信道的信号进行扩频编码，以减小数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值，获取扩频后的数据信道和控制信道接收功率谱密度差值，返回步骤S4。则扩频粗调后的接收功率谱密度差值的统计量Δ'＝Δ-Q_C。

扩频码的长度可以表示成L＝2^r-1，r为不小于2的正整数，扩频增益表示为Q＝10lg(L)，则不同扩频码长度对应的扩频增益如表1所示：

表1 不同扩频码长度对应的扩频增益

扩频码长度	扩频增益(dB)
		3	4.77
7	8.45
		15	11.76
31	14.91
		63	17.99
127	21.04
		255	24.07
511	27.08

因而可通过查表法查找出上述最接近且不大于Δ的扩频增益Q_C，查表法可以是顺序查找、折半查找等方式，以顺序查找为例：将表中的8个扩频增益设置成门限判决数组(Q₁,Q₂,Λ,Q₈)，将Δ与门限区间[Q_j,Q_j+1)(1≤j≤7)比较，若Δ处于该门限区间[Q_j,Q_j+1)内，则选择Q_j作为控制信道的扩频增益Q_C；若Δ<Q_j，则将j的值减1，向下取一个区间重新判断；若Δ≥Q_j+1，则将j的值加1，向上取一个区间重新判断，直至找到Δ所在的门限区间以及对应的扩频增益。

步骤S7，在数据信道和控制信道总发射功率不变的基础上，调整数据信道的发射功率谱密度和控制信道的发射功率谱密度，以使数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值为0。

其中，调整数据信道的发射功率谱密度和控制信道的发射功率谱密度的方法为：

由于两个信道的总发射功率不变，设数据信道的发射功率减少P(dBm)，则控制信道的发射功率增加P(dBm)，则调整的发射功率P满足：

(P-10lg(B_D))+(P-10lg(B_C))＝Δ′

式中，B_D表示数据信道的带宽，B_C表示控制信道的带宽。

因此数据信道的发射功率谱密度值减少P-10lg(B_D)，控制信道的发射功率谱密度值增加P-10lg(B_C)，即调整后，S′_D＝S_D-(P-10lg(B_D))，S′_C＝S_C+(P-10lg(B_C))，S′_D表示调整后的数据信道的发射功率谱密度，S′_C表示调整后的控制信道的发射功率谱密度。

步骤S8，根据步骤S6获取的扩频码长度L_C，在扩频码本中确定该扩频码长度L_C对应的序号，基站将该扩频码长度L_C对应的序号通过圆波束广播给所有用户端，并以步骤S7获取的调整后的控制信道的发射功率谱密度S′_C将控制信道的公共信号通过圆波束广播至所有用户端，以步骤S7获取的调整后的数据信道的发射功率谱密度S′_D将数据信道的数据信号通过窄波束单播至指定用户端。

由于采用圆波束广播的控制信道进行了步骤S6的扩频编码，增加了扩频增益，减少在下行通信中的损耗，从而增加了传输距离。上述的圆波束具体可以是：考虑控制信道信号传输的全向性，设扩频序列构成的扩频矩阵为C^k(t)，为使得控制信道发射的信号满足全向传输条件，并且最大化功放利用率，对扩频矩阵C^k(t)采用一定的限制条件，使得在角度域具有相同的传输功率且每根天线的平均发射功率相同。

步骤S9，用户端根据接收到的序号在扩频码本中查找对应的扩频码，根据查找出的扩频码对接收到的控制信道的公共信号解扩，并测量对应的数据信道的接收功率谱密度值以及控制信道的接收功率谱密度值，返回步骤S3，直至用户端接收到的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值为0时流程结束。返回步骤S3是为了通过多次的反馈调整，修正两个信道的发射功率谱密度，使得用户端两个信道的接收功率谱密度差值为0，或者无限趋近于0，即此时消除了窄波束单播与圆波束广播的传输距离差异。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，其特征在于，包括：

步骤S1，设定下行通信中数据信道的发射功率谱密度初始值以及控制信道的发射功率谱密度初始值，基站根据所述数据信道的发射功率谱密度初始值和所述控制信道的发射功率谱密度初始值与用户端建立通信；

步骤S2，在基站和所有用户端建立相同的扩频码本，扩频码本中包括不同长度的扩频码、不同长度的扩频码对应的序号以及不同长度的扩频码对应的扩频增益；

步骤S3，用户端计算各自对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值，并将该差值反馈给基站；

步骤S4，基站接收所有用户端对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值，并获取接收功率谱密度差值的统计量；

步骤S5，将所述接收功率谱密度差值的统计量与一预设门限值进行比较，若所述接收功率谱密度差值的统计量大于等于所述预设门限值，进行步骤S6；否则进行步骤S7；

步骤S6，在所述扩频码本中查找出最接近且不大于所述接收功率谱密度差值的统计量的扩频增益，按照所述扩频增益对应的扩频码长度对控制信道的信号进行扩频编码，获取扩频后的数据信道和控制信道接收功率谱密度差值，返回步骤S4；

步骤S7，保持数据信道和控制信道总发射功率不变，调整数据信道的发射功率谱密度和控制信道的发射功率谱密度，以使数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值为0；

步骤S8，在所述扩频码本中确定所述步骤S6获取的扩频码长度对应的序号，基站将该序号以及控制信道的公共信号通过圆波束广播给所有用户端，并将数据信道的数据信号通过窄波束单播与用户端通信；

步骤S9，用户端根据接收到的序号在所述扩频码本中查找对应的扩频码，根据查找出的扩频码对接收到的控制信道的公共信号解扩，并测量对应的数

据信道的接收功率谱密度值以及控制信道的接收功率谱密度值，返回步骤S3，直至用户端接收到的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值为0。

2.根据权利要求1所述的用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，其特征在于，所述数据信道的发射功率谱密度初始值S_D和所述控制信道的发射功率谱密度初始值S_C分别按照下式计算：

式中，表示数据信道的信噪比，/>表示控制信道的信噪比，G_TC表示圆波束增益，G_R表示用户端接收天线增益，L_c表示馈线损耗，L_b表示人体损耗，L_p表示建筑物穿透损耗，M_f表示阴影衰落余量，M_I表示干扰余量，NF表示用户端射频噪声系数，P_Lmax表示最大链路损耗。

3.根据权利要求2所述的用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，其特征在于，所述最大链路损耗P_Lmax计算公式为：

P_Lmax(dB)＝13.54+39.08lg(d_3D)+20lg(f_c)-0.6(h_UT-1.5)，

式中，d_3D表示基站天线到用户端天线的直接距离，d_2D表示基站的覆盖距离，f_c表示载波中心频率，h_UT表示用户天线高度。

4.根据权利要求1所述的用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中用户端对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值Δ_i按照下式计算：

式中，表示用户端i对应的数据信道的接收功率谱密度值，/>表示用户端i对应的控制信道的接收功率谱密度值。

5.根据权利要求1所述的用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，其特征在于，所述步骤S4中接收功率谱密度差值的统计量Δ的获取方法为：基站接收到的所有用户端对应的数据信道和控制信道的接收功率谱密度差值记为(Δ₁,Δ₂,Λ,Δ_i,ΛΔ_N)，N表示基站覆盖范围内的用户端的数量，对这N个差值作统计和平均处理，得到统计量Δ。

6.根据权利要求1所述的用于消除窄波束单播与圆波束广播传输距离差异的自适应补偿方法，其特征在于，所述步骤S7中调整后的数据信道的发射功率谱密度S′_D和调整后的控制信道的发射功率谱密度S′_C分别为：

S′_D＝S_D-(P-10lg(B_D))，S′_C＝S_C+(P-10lg(B_C))，

式中，B_D表示数据信道的带宽，B_C表示控制信道的带宽，P表示数据信道减少的发射功率或控制信道增加的发射功率，S_D表示数据信道的发射功率谱密度初始值，S_C表示控制信道的发射功率谱密度初始值。