CN114553282B - 基于prs预测的双频段毫米波通信系统波束选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于双频段毫米波通信系统的波束选择方法，主要解决现有技术中波束训练开销大及波束不能快速对准问题，其方案是：基站通过下行定位参考信号进行波束扫描；根据用户反馈的候选波束和参考信号参数选择最佳波束建立候选波束集，确定下行离开角及与用户间的距离，并利用这两个参数预测下一时刻用户位置；根据预测的用户位置更新候选波束集，再从候选波束集中选择波束与用户建立传输链路；对于候选波束集中其波束均无法与用户建立稳定的传输链路，基站改用C波段传输，并重新进行波束扫描，以恢复毫米波通信链路。本发明降低了波束训练的开销，实现了基站的智能波束选择和波束的快速对准，可用于兼容C波段的毫米波一体化收发信机。

Description

基于PRS预测的双频段毫米波通信系统波束选择方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种双频段毫米波通信系统波束选择方法，可用于兼容C波段的毫米波一体化收发信机。

背景技术

随着第五代移动通信技术的不断发展，低频的频谱资源越来越少，为缓解频谱资源的紧缺同时满足通信性能的需求，人们对高频段和更丰富的频谱资源的毫米波更加关注。毫米波通信已成为5G的关键技术之一，相较于C波段，毫米波波长短，导致其路径损耗较大，故基站利用大规模MIMO技术和波束赋形技术来实现高增益以对抗路径损耗。

在现有的毫米波通信系统中，收发端通常都会预先设定一个波束码本，码本中的码字对应各个方向的波束，系统通常会遍历码本中的码字来收发导频信号，收发两端根据接收信号功率最大的波束对作为最佳波束对来传输数据，该过程称为遍历的波束训练。然而，大规模天线通过遍历的波束训练算法十分复杂耗时。尤其在毫米波的动态场景中，其信道条件复杂多变，实现毫米波波束对准是困难的，因此通过预测用户位置，来预测波束从而进行波束选择，将会大大减小波束训练的开销，降低通信系统的开销。

为减少基于遍历的波束训练开销，目前有通过分级波束训练的方式如株式会社NTT都科摩提出的波束选择方法及装置，其通过预先配置第1级至第k级波束以及各波束之间的对应关系，基站向用户终端发送第1级的各个波束并接收用户反馈的波束索引，若用户反馈的波束索引不是第k级波束，则基站向用户发送所确定波束对应的下一级波束中的各个波束直到用户反馈第k级波束作为候选波束。该方法在当用户处于高动态场景时，由于波束切换较快无法保证用户能及时反馈第k级波束，因此基站和用户间无法建立稳定可靠的通信。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于PRS预测的双频段毫米波通信系统波束选择方法，以降低波束训练的开销，实现基站的智能波束选择和快速对准，建立基站与用户之间稳定可靠的数据传输。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)基站在毫米波频段使用下行定位参考信号PRS进行波束扫描，发送探测帧；

(2)用户根据扫描结果选择候选波束，将所选波束ID和参考信号PRS的相关参数反馈给基站；

(3)基站根据用户反馈的参数信息得到最佳波束k_opt和四个候选波束k₁,k₂,k₃,k₄，创建候选波束集Ω＝(k_opt,k₁,k₂,k₃,k₄)；

(4)基站将用户反馈的最佳发送波束的指向角φ_t作为下行离开角DL-AOD，并依据用户上行传输信号估计其与用户之间的距离D，同时用户将最佳接收波束的指向角φ_r作为下行到达角DL-AOA；

(5)基站通过信道估计获取信道状态信息并判断当前用户状态：

若信道状态信息中信道增益小于参考值，且用户端接收信号功率P小于设定阈值P_ref，则执行(6)，

反之，保持当前链路传输；

(6)基站对当前用户位置重新定位：

(6a)通过距离D和下行离开角DL-AOD计算当前时刻用户位置(ρ_C,θ_C)；

(6b)根据(ρ_C,θ_C)分别计算角速度ω和用户移动速度V，再利用角速度ω和用户移动速度V预测下一时刻用户位置(ρ_P,θ_P)；

(7)判断估计的用户位置(ρ_P,θ_P)是否在当前使用波束的3dB波瓣宽度覆盖范围内：

如果在，则表明当前毫米波链路为非视距传输链路，执行(9)；

如果不在，则找到(ρ_P,θ_P)位置处在3dB波瓣宽度内的波束，将其在候选波束集Ω中的排名提高至第一位，并判断当前使用波束是否在候选波束集Ω内：若是，则从候选波束集Ω中删除该波束，然后执行(8)，若否，则直接执行(8)；

(8)基站从候选波束集Ω中依据排名从高到低依次选择波束，并根据其与用户能否建立传输链路确定毫米波链路的信道状态：

如果能建立传输链路，则基站使用选择的波束进行数据传输，返回(3)；

如果不能建立传输链路，则执行(9)；

(9)基站改用C波段波束传输数据，并在毫米波频段执行(1)，以恢复毫米波通信链路。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明通过下行定位参考信号PRS计算下行离开角和基站与用户间距离，可使基站对用户位置进行跟踪定位，并能对下一时刻用户位置进行预测；

2)本发明通过预测的下一时刻用户位置和PRS信号计算得到的相关参数调整候选波束集中的波束，再根据候选波束集去实现基站智能波束选择，降低了波束训练的开销，实现了基站的快速波束对准。

3)本发明通过在毫米波信道状态差时，基站切换到C波段进行数据传输，同时通过毫米波段对失败的链路进行恢复，避免了在通信系统信道状况突然变差时通信传输中断的情况，保证了用户和基站之间数据传输的稳定性。

附图说明

图1为本发明使用的基于PRS预测的双频段毫米波通信系统框图；

图2为本发明的实现总流程图；

图3为本发明中的用户定位意图；

图4为本发明中的波束预测示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例做进一步详细说明。

参照图1，本发明采用了支持C波段和毫米波双频段的通信系统，其包括基站如图1(a)和用户如图1(b)，其中基站端包含基带系统模块、中频系统模块、波束选择模块、C波段天线模块和毫米波天线模块，用户端包含基带系统模块、中频系统模块、C波段天线模块和毫米波天线模块；

所述基带系统模块，包含AD/DA数模/模数转换模块、编码/译码模块、调制/解调模块、数字预编码模块；

所述波束选择模块，用于基站端预测波束，更新候选波束集并选择最佳波束进行工作。

所述中频系统模块，用于上变频或下变频信号。

所述C波段天线模块，包含C波段阵列天线，用于毫米波段无法建立传输链路的情况下的数据传输，其天线尺寸较毫米波大。

所述毫米波天线模块，包含高频调制/解调模块、功率放大器、滤波器、移相器和毫米波大规模阵列天线；功率放大器对信号功率进行放大，使其获得足够的波束增益；滤波器对信号进行滤波，消除干扰；移相器用于改变模拟信号的相位，结合大规模天线阵列进行波束赋形产生定向的高增益波束。

参考图2，本实例基于上述PRS预测的双频段毫米波通信系统进行波束选择的方法，实现步骤如下：

步骤1、基站在毫米波频段使用下行定位参考信号PRS进行波束扫描，发送探测帧。

所述下行定位参考信号PRS由伪随机序列生成，伪随机序列由31阶第一Gold序列和第二Gold序列计算得到，本步骤的具体实现如下：

1.1)根据3GPP R16协议计算31阶第一Gold序列x₁(n)和第二Gold序列x₂(n)：

x₁(n+31)＝(x₁(n+3)+x₁(n))mod2

x₂(n+31)＝(x₂(n+3)+x₂(n+2)+x₂(n+1)+x₂(n))mod2

其中，n为序列序号，x₁(0)＝1,x₁(n)＝0,n＝1,2,...,30，x₂(n)满足c_init表示伪随机序列的初始参考值：

其中，表示PRS的序列ID，/>是每个时隙的符号数，/>是一个探测帧内的时隙序号，l是时隙内的符号序号，mod表示取余；

1.2)根据第一Gold序列x₁(n)和第二Gold序列x₂(n)计算得到伪随机序列c(n)：

c(n)＝(x₁(n+1600)+x₂(n+1600))mod2

1.3)根据伪随机序列c(n)生成下行定位参考信号r(n)：

其中，j为虚数单位；

1.4)将生成的下行定位参考信号r(n)映射到探测帧的资源中，即序列按因子β_PRS缩放以符合3GPP中规定的传输功率，并根据下式映射到资源元素(k,l)_p,μ：

n＝0,1,...

其中，为天线端口p和子载波间隔μ上的资源元素(k,l)配置的值，k和l为资源元素上的参考点，/>为频域采用的comb的大小，/>为频域上的comb的偏移量，k'是/>函数的频率偏移，/>表示PRS的起始符号在下一个时隙中相对symbol₀的偏移，L_PRS∈{2,4,6,12}为时域所占符号个数；

1.5)基站遍历所有波束，同时发送探测帧。

步骤2、用户根据扫描结果选择候选波束，将所选波束ID和参考信号PRS的相关参数反馈给基站。

2.1)根据探测帧中的下行定位参考信号计算每个波束的下行参考信号接收功率P_ij，即接收带宽内接收信号包含的所有资源粒子RE上功率的线性平均值；

2.2)用基站的M个发送波束和用户的N个接收波束共组成M*N个波束对，用户对这M*N个波束对的接收信号功率P_ij先按大小进行排序，并选择P_ij最大的波束对作为最佳波束对，再选择功率P_ij大小仅次于最佳发送波束的四个次优发送波束作为候选波束，其中，i表示基站端的波束号，其取值为1,2,...,M，M表示基站端的波束总数，j表示用户端的波束号，其取值为1,2,...,N，N表示用户端的波束总数；

2.3)用户端将选择的波束和每波束的下行链路参考信号接收功率通过毫米波上行链路反馈给基站端。

步骤3、基站创建候选波束集。

基站根据用户反馈的每波束的下行链路参考信号接收功率值，从大到小对候选波束进行排序，得到候选波束集Ω＝(k_opt,k₁,k₂,k₃,k₄)，其中，k_opt为最佳波束，k₁,k₂,k₃,k₄为候选波束。

步骤4、基站估计与用户之间的距离D，用户确定下行到达角。

4.1)基站将用户反馈的最佳发送波束的指向角φ_t作为下行离开角DL-AOD，并依据用户上行传输信号估计其与用户之间的距离D：

其中，v是信号的传播速度，τ是符号持续时间，Δf是载波间隔，n^d表示参考序列的位置索引，其由接收信号与本地生成的参考序列之间相关得到，N_S是参考序列的长度；

4.2)用户将最佳接收波束的指向角φ_r作为下行到达角DL-AOA。

步骤5、基站分析用户位置或信道变化。

5.1)基站通过信道估计获取当前毫米波信道状态信息；

5.2)将候选波束集中的次优波束的下行链路参考信号接收功率P作为阈值P_ref，并依据实际信道状况确定信道增益的参考值；

5.3)将当前毫米波信道状态信息与5.2)设置的参数进行比较，确定信道是否发生变化：

若信道状态信息中的信道增益小于参考值或用户端接收信号功率P小于阈值P_ref，说明用户位置或信道可能发生变化，则执行步骤6；

反之，说明用户位置或信道没有发生变化，则保持当前的链路传输。

步骤6、基站对用户位置进行预测。

6.1)以基站为极点，水平方向为极轴建立极坐标系，再以基站与用户间距离D为极径，下行离开角φ_t为极角，确定当前时刻用户位置(ρ_C,θ_C)＝(D,φ_t)，如图3所示；

6.2)计算上一时刻用户位置(ρ_L,θ_L)和当前时刻用户位置(ρ_C,θ_C)的角度差：

Δθ＝θ_C-θ_L，

其中，θ_C为当前时刻用户的方位角，θ_L为上一时刻用户的方位角；

6.3)根据信号到达时间计算信号传输时延Δt＝t_r-t_s，其中t_r表示信号到达的时间，t_s表示信号发送时间；

6.4)根据角度差Δθ和信号传输时延Δt得到角速度：

6.5)将上一时刻用户位置(ρ_L,θ_L)和当前时刻用户位置(ρ_C,θ_C)的极坐标转化为直角坐标(x_C,y_C)和(x_L,y_L)，并根据直角坐标计算出用户的移动速度V：

6.6)计算近五个时刻内的角速度ω的均值和移动速度V的均值/>

其中，ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅表示近五个时刻的角速度，V₁,V₂,V₃,V₄,V₅表示近五个时刻用户的移动速度；

6.7)通过速度均值计算下一时刻用户移动的距离/>其中Δt为信号传输时延；

6.8)根据角速度ω的均值在当前位置的基础上估计出下一时刻的方位角θ_P：

其中θ_C表示当前时刻用户所在方位角；

6.9)根据角速度ω的均值下一时刻用户移动的距离L和当前时刻基站与用户间距离D，求得下一时刻基站与用户间距离ρ_P：

步骤7、基站根据预测的用户位置调整候选波束集。

7.1)基站将预测的用户位置(ρ_P,θ_P)与当前使用波束的3dB波瓣宽度覆盖范围进行比较，确定当前波束是否能覆盖预测的用户位置：

如果能覆盖预测的用户位置，表明当前传输链路为非视距传输链路，基站与用户无法使用毫米波建立可靠的通信链路，则清空候选波束集，并执行步骤9；

如果不能覆盖预测的用户位置，则执行7.2)

7.2)将用户位置的极坐标参数与波束角度参数进行比较：

若ρ_P＞ρ_max，说明用户超出毫米波覆盖范围，则清空候选波束集，执行步骤9，其中，ρ_max为毫米波波束所能覆盖的最远距离；

若ρ_P＜ρ_max且θ_P不在3dB波瓣宽度的角度范围内，则找到(ρ_p,θ_p)位置处在3dB波瓣宽度内的波束，将其在候选波束集Ω中的排名提高至第一位，则执行7.3)

7.3)判断当前使用波束是否在候选波束集Ω内：

若是，则先从候选波束集Ω中删除该波束，然后执行步骤8；

若否，则直接执行步骤8。

步骤8、基站从候选波束集中选择波束。

基站依据选择的波束尝试与用户建立传输链路，并根据其与用户能否建立传输链路确定毫米波链路的信道状态；

如果能建立传输链路，则说明基站根据当前用户位置(ρ_C,θ_C)和上一时刻用户位置(ρ_L,θ_L)预测的下一时刻用户位置(ρ_P,θ_P)是准确的，并能够使用其对应的毫米波波束建立连接进行数据传输，如图4(a)所示，返回步骤3；

如果不能建立传输链路，则清空候选波束集，执行步骤9。

步骤9、基站改用C波段波束传输数据，并执行步骤1尝试恢复毫米波通信链路。

由于预测的用户位置与指向其的毫米波波束间存在遮挡，无法使基站与用户建立连接，而C波段波束波瓣宽度大于毫米波波束的波瓣宽度，且能够覆盖当前毫米波波束的范围，因此基站改用C波段波束C_K传输数据，如图4(b)所示；

由于毫米波链路无法与用户建立通信链路，要返回步骤1进行新一轮波束训练，以对用户的位置进行重新定位，待基站与用户重新建立毫米波传输链路后，再切换回毫米波波束进行传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰页应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于PRS预测的双频段毫米波通信系统波束选择方法，其特征在于，包括：

(1)基站在毫米波频段使用下行定位参考信号PRS进行波束扫描，发送探测帧；

(2)用户根据扫描结果选择候选波束，将所选波束ID和参考信号PRS的相关参数反馈给基站；

(3)基站根据用户反馈的参数信息得到最佳波束k_opt和四个候选波束k₁,k₂,k₃,k₄，创建候选波束集Ω＝(k_opt,k₁,k₂,k₃,k₄)；

(4)基站将用户反馈的最佳发送波束的指向角φ_t作为下行离开角DL-AOD，并依据用户上行传输信号估计其与用户之间的距离D，同时用户将最佳接收波束的指向角φ_r作为下行到达角DL-AOA；

(5)基站通过信道估计获取信道状态信息并判断当前用户状态：

若信道状态信息中信道增益小于参考值，且用户端接收信号功率P小于设定阈值P_ref，则执行(6)，

反之，保持当前链路传输；

(6)基站对当前用户位置重新定位：

(6a)通过距离D和下行离开角DL-AOD计算当前时刻用户位置(ρ_C,θ_C)；

(6b)根据(ρ_C,θ_C)分别计算角速度ω和用户移动速度V，再利用角速度ω和用户移动速度V预测下一时刻用户位置(ρ_P,θ_P)；

(7)判断估计的用户位置(ρ_P,θ_P)是否在当前使用波束的3dB波瓣宽度覆盖范围内：

如果在，则表明当前毫米波链路为非视距传输链路，执行(9)；

如果不在，则找到(ρ_P,θ_P)位置处在3dB波瓣宽度内的波束，将其在候选波束集Ω中的排名提高至第一位，并判断当前使用波束是否在候选波束集Ω内：若是，则从候选波束集Ω中删除该波束，然后执行(8)，若否，则直接执行(8)；

(8)基站从候选波束集Ω中依据排名从高到低依次选择波束，并根据其与用户能否建立传输链路确定毫米波链路的信道状态：

如果能建立传输链路，则基站使用选择的波束进行数据传输，返回(3)；

如果不能建立传输链路，则执行(9)；

(9)基站改用C波段波束传输数据，并在毫米波频段执行(1)，以恢复毫米波通信链路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中基站使用下行定位参考信号PRS进行波束扫描，实现如下：

1a)根据3GPP R16协议计算31阶第一Gold序列x₁(n)和第二Gold序列x₂(n)：

x₁(n+31)＝(x₁(n+3)+x₁(n))mod2

x₂(n+31)＝(x₂(n+3)+x₂(n+2)+x₂(n+1)+x₂(n))mod2

其中，n为序列序号，x₁(0)＝1,x₁(n)＝0,n＝1,2,...,30，x₂(n)满足c_init表示伪随机序列的初始参考值：

其中，表示PRS的序列ID，/>是每个时隙的符号数，/>是一个探测帧内的时隙序号，l是时隙内的符号序号，mod表示取余；

1b)根据第一Gold序列x₁(n)和第二Gold序列x₂(n)计算得到伪随机序列c(n)：

c(n)＝(x₁(n+1600)+x₂(n+1600))mod2

1c)根据伪随机序列c(n)生成下行定位参考信号r(n)：

其中，j为虚数单位；

1d)将生成的下行定位参考信号r(n)映射到探测帧的资源中，即序列按因子β_PRS缩放以符合3GPP中规定的传输功率，并根据下式映射到资源元素(k,l)_p,μ：

n＝0,1,...

其中，为天线端口p和子载波间隔μ上的资源元素(k,l)配置的值，k和l为资源元素上的参考点，/>为频域采用的comb的大小，/>为频域上的comb的偏移量，k'是/>函数的频率偏移，/>表示PRS的起始符号在下一个时隙中相对symbol₀的偏移，L_PRS∈{2,4,6,12}为时域所占符号个数；

1e)基站遍历所有波束，同时发送探测帧。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)用户根据扫描结果选择候选波束，实现如下：

2a)根据探测帧中的下行定位参考信号计算每个波束的下行参考信号接收功率P_ij，即接收带宽内接收信号包含的所有资源粒子RE上功率的线性平均值；

2b)用基站的M个发送波束和用户的N个接收波束共组成M*N个波束对，用户对这M*N个波束对的接收信号功率P_ij按大小进行排序，并选择P_ij最大的波束对作为最佳波束对，用户再选择功率P_ij大小仅次于最佳发送波束的四个次优发送波束作为候选波束，其中，i表示基站端的波束号，其取值为1,2,...,M，M表示基站端的波束总数，j表示用户端的波束号，其取值为1,2,...,N，N表示用户端的波束总数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)基站依据用户上行传输信号估计其与用户之间的距离D，通过下式进行：

其中，τ表示符号持续时间，v是信号的传播速度，Δf是载波间隔，n^d表示参考序列的位置索引，其由接收信号与本地生成的参考序列相关得到，N_S是参考序列的长度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(6a)通过距离D和下行离开角DL-AOD计算当前时刻用户位置(ρ_C,θ_C)，是先以基站为极点，水平方向为极轴建立极坐标系，再以D为极径，下行离开角φ_t为极角，得到当前时刻用户位置(ρ_C,θ_C)＝(D,φ_t)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(6b)中根据(ρ_C,θ_C)计算角速度ω，实现如下：

首先，计算上一时刻用户位置(ρ_L,θ_L)和当前时刻用户位置(ρ_C,θ_C)的角度差：Δθ＝θ_C-θ_L；

接着，根据信号到达时间计算信号传输时延Δt＝t_r-t_s，其中t_r表示信号到达的时间，t_s表示信号发送时间；

然后，根据角度差Δθ和信号传输时延Δt得到角速度

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(6b)中根据(ρ_C,θ_C)计算用户移动速度V，是先将上一时刻用户位置(ρ_L,θ_L)和当前时刻用户位置(ρ_C,θ_C)的极坐标转化为直角坐标(x_C,y_C)和(x_L,y_L)，再根据直角坐标计算出移动速度V：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(6b)中利用角速度ω和用户移动速度V预测下一时刻用户位置(ρ_p,θ_p)，实现如下：

6b1)计算近五个时刻内的角速度ω的均值和移动速度V的均值/>

其中，ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅表示近五个时刻的角速度，V₁,V₂,V₃,V₄,V₅表示近五个时刻的移动速度；

6b2)通过速度均值计算下一时刻用户移动的距离/>其中Δt为信号传输时延；

6b3)根据在当前位置的基础上估计出下一时刻的方位角θ_P：

其中θ_C表示当前时刻用户所在方位角；

6b4)根据L和当前时刻基站与用户间距离D，求得下一时刻基站与用户间距离ρ_P：