CN117880968A - 一种定位辅助通信波束优化方法和系统 - Google Patents

一种定位辅助通信波束优化方法和系统 Download PDF

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CN117880968A CN202311802316.8A CN202311802316A CN117880968A CN 117880968 A CN117880968 A CN 117880968A CN 202311802316 A CN202311802316 A CN 202311802316A CN 117880968 A CN117880968 A CN 117880968A
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余官定
肖棋琦
叶子琦
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Abstract

本发明公开了一种定位辅助通信波束优化方法和系统，属于无线通信技术领域，包括：采用双连接异构网络系统，将用户终端接入sub‑6GHz接入点和毫米波基站，得到用户终端的位置信息和定位误差；根据位置信息和接收信号强度选择合适的毫米波基站，在毫米波基站中根据定位误差计算波束扫描角度，采用最大化通信传输数据率优化波束宽度，根据位置信息和波束扫描角度采用优化后的波束进行波束扫描；波束扫描完成后，建立毫米波基站和用户终端间的波束链路，进行数据传输。本发明提出的方法能够应用于各种复杂环境，利用用户终端的位置信息和定位误差缩小波束搜索空间，并对波束宽度进行优化，能够显著降低波束搜索时延，提高毫米波通信的传输数据率。

Description

一种定位辅助通信波束优化方法和系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种定位辅助通信波束优化方法和系统。
背景技术
近年来，随着增强现实、虚拟现实、超高清视频等室内高速通信服务的增多，互联网流量的巨大增长导致对无线带宽产生巨大的需求。在5G无线通信中，sub-6GHz低频段的频谱资源已经无法满足高速率传输业务的需求。毫米波频段在30GHz-300GHz之间拥有丰富的可用带宽，可以提供千兆比特的数据率以及毫秒级的时延，受到了工业界和学术界的广泛关注。但是，由于毫米波频段高、传播损耗严重，导致通信链路质量急剧下降，限制了它的覆盖范围，降低了传输速率。因此，需要采用波束成形技术来补偿毫米波通信中严重的信道衰减以及减少干扰。
波束成形技术是一种需要通过一系列的波束扫描操作来建立波束链路，从而将信号以能量集中和定向方式发送给无线终端的技术，广泛应用于雷达系统和通信系统中。现有的波束扫描方法主要有穷举搜索、迭代搜索以及上下文信息辅助搜索。穷举搜索方案是基站/用户按照一定的顺序扫描所有角空间，从中找到最佳波束方向，该方法需要大量的搜索时延和功耗，尤其是在窄波束场景中更为明显。迭代搜索方法则是利用宽波束来缩小扫描扇区，并逐渐缩小波束宽度，从而确定最佳的波束方向，该方法也需要较高的搜索时间。上下文信息辅助搜索方法则是利用上下文信息来缩小波束搜索空间，加速搜索进程，然而，该方法容易受到上下文信息准确性的影响，实施过程较为复杂。
此外，在复杂多变的室内环境中，各种障碍物将会破坏用户终端和毫米波基站之间的波束链路，导致需要不断进行波束搜索来重建新的链路，占用了数据传输时间，降低传输数据率。
针对以上问题，公开号为CN111446999A的专利文献公开了基于多臂强盗的位置辅助波束对准方法及其系统，包括：获取接收器的位置信息；根据位置信息选择视距(Line ofSignt，LOS)路径的多个LOS波束，形成LOS子集；从剩余的波束中选择多个拥有最大上置信界(Upper Confidence Bound，UCB)值的非视距(Non Line of Sight，NLOS)路径的多个NLOS波束，形成NLOS子集；在波束对准期间，根据LOS子集和NLOS子集中的所有路径的信道状态，选择具有最大路径增益的多个波束；在数据传输期间，通过选择的波束并行传输数据流，并获得波束的UCB奖励值；基于UCB奖励值，更新波束的平均回报。但是该发明没有分析位置信息准确性对波束对准时延的影响，在复杂的实际环境下适用性较差，且该发明采用的发射器和接收器均为具有线性阵列天线的系统，不适用于配置简单天线的移动设备，限制了物联网场景中的应用范围。
公开号为CN104486775A的专利文献公开了基于用户位置的跟踪预测的有源天线阵列波束优化方法，包括：根据用户位置的历史信息对移动用户位置进行预测和跟踪，并且，根据预测的位置信息计算出用户的垂直仰角和水平方位角，实现基站波束到用户的波束对准。但是该发明需要建立移动用户的运动模型和测量模型，实现方法较为复杂，特别是在移动用户的运动状态较为复杂的情况下，建立的模型不够准确容易引起较大的预测误差，从而降低波束对准效率，降低系统吞吐量性能。
因此，如何利用定位信息辅助波束搜索、保证用户终端快速接入毫米波网络至关重要，另外，还需要优化波束宽度，平衡波束搜索时延以及波束成形增益，以降低波束搜索时延，增加数据传输时间，提高毫米波通信的传输数据率。
发明内容
本发明的目的是提供一种定位辅助通信波束优化方法和系统，采用双连接异构网络系统，根据用户终端的定位信息及定位误差来缩小波束搜索空间，采用最大化传输数据率优化波束宽度，从而降低波束搜索时延，提高毫米波通信的传输数据率。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
第一方面，本发明提供的一种定位辅助通信波束优化方法，包括以下步骤：
步骤1：采用双连接异构网络系统将用户终端接入sub-6GHz接入点和毫米波基站，sub-6GHz接入点和毫米波基站分别接入控制中心，基于用户终端的信号到sub-6GHz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，并计算定位误差，sub-6GHz接入点将位置信息和定位误差传入控制中心；
步骤2：在控制中心中，采用接收信号强度的准则以及位置信息选择为用户终端服务的毫米波基站，并将位置信息和定位误差发送给所述毫米波基站；
步骤3：在选定的毫米波基站中，根据定位误差计算波束扫描角度，基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描；
步骤4：波束扫描完成后，毫米波基站与用户终端之间建立起波束链路，开始进行数据传输，若在数据传输过程中，波束链路被破坏，则返回步骤2，控制中心重新选择毫米波基站，进行后续操作以建立新的波束链路，实现数据传输。
本发明的技术构思为：针对现有技术中，采用定位信息辅助波束成形技术补偿波束对准过程中信道估计复杂且不准确的问题，提出了采用双连接异构网络系统，将用户终端连接到sub-6GHz接入点以及毫米波基站中，通过sub-6GHz接入点采集用户终端的位置信息，并计算定位损失；接着将位置信息和定位损失上传到控制中心，根据接收信息强度的准则和位置信息选择最优毫米波基站进行服务；在服务毫米波基站中，基于用户的定位损失计算波束扫描角度，由于本发明技术方案中考虑了用户终端的定位误差，因此得到的波束扫描角度相较于传统的利用定位信息辅助波束成形更加完备；最后，为了保证波束扫描的高效以及平衡波束成形增益，本发明进一步采用了最大化通信传输数据率对波束宽度进行优化，以用户终端的位置信息为中心，根据得到的波束扫描角度进行高质量的波束扫描。
进一步的，所述的用户终端为至少包含两根全向天线的装置，其中一根全向天线用于接入sub-6GHz频段，另一根全向天线用于接入毫米波频段，用户终端包括手机、电脑或平板。
进一步的，所述的sub-6GHz接入点配备了用于对用户终端信号进行定位和信号传输的若干根全向天线，sub-6GHz接入点包括蜂窝基站和WiFi接入点。
进一步的，所述的毫米波基站配备了具有波束转向能力的均匀线性阵列天线和波束形成单元。
进一步的，所述的基于用户终端的信号到sub-6GHz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，具体为：
采用往返时间方法，sub-6GHz接入点对接收到的来自用户终端的信号进行多次往返时间定位交互，并计算平均往返时间值，得到到达时间根据到达时间计算sub-6GHz接入点和用户终端之间的距离/>c表示光速；
采用修正多信号分类算法，sub-6GHz接入点对接收到的来自用户终端的信号进行角度估计，得到到达角
根据距离和到达角/>估计用户终端的位置信息，用公式表示为：
其中，(xs,ys)表示sub-6GHz接入点的位置信息，表示用户终端的位置信息。
所述的定位误差，具体为用户终端位置估计的均方根误差，用公式表示为：
其中，RMSE表示用户终端位置估计的均方根误差，(x,y)表示用户终端的真实位置，τ和θ为真实的到达时间和到达角，是到达角的估计误差的方差，/>是到达时间的估计误差的方差。
进一步的，所述的波束扫描角度，用公式表示为：
φ＝2arctan(RMSE/r)
其中，φ表示波束扫描角度，r表示毫米波基站与用户终端之间的距离。
进一步的，所述的基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，具体为：
建立毫米波基站与用户终端之间的传输信号模型和波束方向图模型，根据据简化后的波束方向图模型得到波束成形增益G，用公式表示为：
其中，Gm表示主瓣增益，表示主瓣的波束宽度，Gs表示旁瓣增益，/>表示旁瓣的波束宽度，波束空间为2π；
基于香农定理，根据得到的波束成形增益G，采用接收信噪比来计算用户终端的传输数据率，接收信噪比SNR和传输数据率R用公式表示为：
其中，Pt表示发射功率，β表示单位距离的路径损耗增益，α表示路径损耗指数，h0为信道增益向量，r表示毫米波基站到用户终端之间的距离，服从概率密度分布函数/>r0表示用户终端与服务毫米波基站之间的最小距离，λp表示毫米波基站的部署密度，/>表示噪声功率，/>表示归一化噪声，ψ表示时分复用比例因子，B表示毫米波带宽，τL表示定位时间比例因子，Tp表示毫米波基站发送波束训练包以及等待用户终端回复的时间，T表示一个定位辅助波束成形帧的时长；
在保障用户服务质量以及扫描时延的约束条件下，通过最大化传输数据率优化波束宽度，涉及到的优化模型用公式表示为：
s.t.R≥γmin
其中，s.t.表示约束条件，γmin表示约束条件下的最低传输数据率要求；
采用优化模型对传输数据率进行优化，得到最优波束宽度，用公式表示为：
其中，表示最优波束宽度，W{·}为第零分支的朗博函数，a＝1-τL，都是与/>无关的正常数。
进一步的，所述的根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描，具体为：
毫米波基站在波束扫描角度范围内的每一个方向发送训练信号；
用户终端接收训练信号，并将接收到的SNR值反馈给服务毫米波基站；
在服务毫米波基站完成波束扫描后，根据用户终端反馈的SNR值确定最大SNR值对应的波束方向，即为最优发射波束方向。
第二方面，为实现上述发明目的，本发明还提供了一种定位辅助通信波束优化装置，包括定位模块，毫米波基站选择模块，波束扫描模块，数据传输模块；
所述定位模块用于采用双连接异构网络系统将用户终端接入sub-6GHz接入点和毫米波基站，sub-6GHz接入点和毫米波基站分别接入控制中心，基于用户终端的信号到sub-6GHz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，并计算定位误差，sub-6GHz接入点将位置信息和定位误差传入控制中心；
所述毫米波基站选择模块用于在控制中心中，采用接收信号强度的准则以及位置信息选择为用户终端服务的毫米波基站，并将位置信息和定位误差发送给所述毫米波基站；
所述波束扫描模块用于在选定的毫米波基站中，根据定位误差计算波束扫描角度，基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描；
所述数据传输模块用于波束扫描完成后，毫米波基站与用户终端之间建立起波束链路，开始进行数据传输，若在数据传输过程中，波束链路被破坏，则返回毫米波基站选择模块，控制中心重新选择毫米波基站，进行后续操作以建立新的波束链路，实现数据传输。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明利用用户终端的位置信息以及定位误差来辅助毫米波基站缩小波束扫描范围，不仅降低算法实现复杂度，还有效降低波束搜索时延；
(2)为了进一步提升波束扫描效率，本发明还提出采用最大化传输数据率来优化波束宽度，平衡了波束搜索时延和波束成形增益之间的性能影响，极大程度上提升了毫米波通信的传输数据率；
(3)本发明采用低频段传输可靠、覆盖范围广以及高频段传输速率快的双连接异构网络系统，将用户终端接入sub-6GHz接入点和毫米波基站，有利于毫米波基站快速可靠地获得用户终端的定位信息并进行波束扫描，从而保障用户终端快速接入毫米波通信网络，进一步提升了系统的传输数据率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的定位辅助通信波束优化方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的室内双连接异构网络系统模型示意图。
图3是本发明实施例提供的定位辅助波束成形帧的帧结构示意图。
图4是本发明实施例提供的sub-6GHz定位辅助毫米波波束优化方法的具体流程示意图。
图5是本发明实施例提供的定位辅助确定波束扫描角度示意图。
图6是本发明实施例提供的不同波束扫描角度下数据率随着波束宽度变化的分布结果图。
图7是本发明实施例提供的不同波束搜索方案下搜索时延随着波束宽度变化的分布结果图。
图8是本发明实施例提供的定位辅助通信波束优化系统的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
如图1所示，实施例提供了一种定位辅助通信波束优化方法，包括以下步骤：
S110，采用双连接异构网络系统将用户终端接入sub-6GHz接入点和毫米波基站，sub-6GHz接入点和毫米波基站分别接入控制中心，基于用户终端的信号到sub-6GHz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，并计算定位误差，sub-6GHz接入点将位置信息和定位误差传入控制中心。
本实施例以室内毫米波通信场景为例进行说明，但应当明白，本发明的应用场景并不限制于室内场景，适用于诸多复杂场景下的毫米波通信。
图2显示了sub-6GHz定位辅助毫米波波束优化方法的室内双连接异构网络系统。如图2所示，sub-6GHz接入点和毫米波基站分别接入控制中心。用户终端采用双连接技术可以同时连接sub-6GHz接入点和毫米波基站。并且，一个毫米波基站采用混合波束成形技术可以同时服务多个用户终端；Sub-6GHz链路可以传输控制信号和数据，覆盖范围广，为用户终端提供可靠传输和定位服务；毫米波链路主要提供高速传输服务。
Sub-6GHz接入点可以是蜂窝基站、WiFi接入点等设备，用户终端可以是手机、平板电脑等装有少量天线的装置。在本实施例中，sub-6GHz接入点配备M根全向天线，可以随时检测来自用户终端的信号。毫米波基站配备了N根天线的均匀线性阵列(Uniform LinearArray，ULA)和一个波束形成单元，具有在一定角度范围内的波束转向能力。用户终端配备两根全向天线，一根用于接入sub-6GHz频段，另一根用于接入毫米波频段。
图3为sub-6GHz定位辅助毫米波波束优化方法的帧结构图。每个帧T主要包含三个阶段，分别是时长为τLT的sub-6G定位阶段、时长为τBFT的波束成形阶段以及时长为(1-τL-τBF)T的数据传输阶段，并且0＜τL+τBF＜1。其中，τL为定位时间比例因子，τBF为波束成形时间比例因子。
在定位阶段，sub-6GHz接入点估计用户终端位置，并利用定位信息辅助毫米波基站确定波束扫描角度范围φ，以降低波束搜索时延。在波束成形阶段，毫米波基站需要通过一系列波束扫描操作建立发射机和接收机之间的连接。毫米波基站将在扫描角度范围φ内搜索所有的波束方向。
假设波束宽度为所需扫描的波束总数为/> 为上限函数，即返回不小于x的最小整数。假设毫米波基站在长度为Ts的间隔传输同步信号，其发送波束训练包以及等待用户终端回复的时间为Tp。那么，波束搜索时延为/>
图4为sub-6GHz定位辅助毫米波波束优化方法的具体流程图。采用双连接异构网络系统将用户终端接入sub-6GHz接入点和毫米波基站之后，sub-6GHz接入点估计到达时间(Time of Arrival，TOA)和到达角(Angle of Arrival，AOA)，进而估算出用户终端的位置信息和定位误差，本实施例中，定位误差具体为用户终端位置估计的均方根误差(Root Mean Square Error，RMSE)，具体步骤如下：
步骤A：sub-6GHz接入点采用往返时间(Round Trip Time，RTT)方法来估计TOA。为了降低时间测量误差，进行多次RTT定位交互并计算平均RTT值，得到的TOA记为接着，计算出sub-6GHz接入点和用户终端之间的距离，记为/>
步骤B：sub-6GHz接入点采用修正多信号分类算法进行角度估计，有效地对室内相干信号解关联，并能克服天线数量的限制，提升角度估计分辨率。Sub-6GHz接入点估计的AOA记为
步骤C：假设sub-6GHz接入点的位置为(xs,ys)。根据估计的TOA和AOA值可以估计出用户终端的位置
步骤D：sub-6GHz接入点根据TOA和AOA的估计误差分析用户终端的定位误差，本实施例中，定位误差具体为用户终端位置估计的均方根误差。假设用户终端的真实位置为(x,y)，可计算用户终端位置的RMSE为：
其中，τ和θ为真实的TOA值和AOA值，是AOA估计误差的方差，/>是TOA估计误差的方差。
Sub-6GHz接入点通过通信链路将位置信息和定位误差传入控制中心。
S120，在控制中心中，采用接收信号强度的准则以及位置信息选择为用户终端服务的毫米波基站，并将位置信息和定位误差发送给所述毫米波基站。
在控制中心中，根据位置信息和接收信号强度选择为用户终端服务的毫米波基站，并将位置信息和定位误差传入所选的毫米波基站中。
S130，在选定的毫米波基站中，根据定位误差计算波束扫描角度，基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描。
假设毫米波基站的扫描范围近似为以用户终端估计位置为中心、RMSE为半径的圆形区域，如图5所示。波束扫描角度可以近似表示为：
φ＝2*arctan(RMSE/r)
其中，r是毫米波基站与用户终端之间的距离。
基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，具体步骤如下：
步骤A：建立毫米波基站与用户终端之间的传输信号模型，确定波束方向图模型。本实施例中毫米波系统采用时分复用的通信方式，并考虑一个下行毫米波蜂窝网络，其中毫米波基站的位置建模为部署密度为λp的泊松点过程。
为了便于分析，假设实际天线图近似为扇形波束图，其波束空间为2π。该天线具有恒定的主瓣增益Gm，主瓣的波束宽度为并且，旁瓣增益Gs也是一个常数，旁瓣的波束宽度为/>Gs＜＜1。假设全向天线各角度的能量都是一样的，简化的波束方向图模型的波束成形增益G可以表示为：
步骤B：计算用户终端下行链路的数据率。
由于毫米波网络具有更宽的带宽和较高的各向同性路径损耗，因此其噪声功率相对大于干扰功率。在这种情况下可忽略干扰，可使用信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)来计算用户终端的传输数据率。接收信噪比可以简化表示为：
其中，Pt表示发射功率，β表示单位距离的路径损耗增益，α表示路径损耗指数，r表示毫米波基站到用户终端之间的距离，服从概率密度分布函数r0表示用户终端与服务毫米波基站之间的最小距离，λp表示毫米波基站的部署密度，/>表示噪声功率，/>表示归一化噪声。
结合上述图3的定位辅助波束成形帧结构，根据香农定理可计算出用户终端下行链路的数据率：
其中，R表示用户终端的传输数据率，ψ表示时分复用比例因子，B表示毫米波带宽，τL表示定位时间比例因子，Tp表示毫米波基站发送波束训练包以及等待用户终端回复的时间，T表示一个定位辅助波束成形帧的时长，h0为信道增益向量，
步骤C：建立最大化传输数据率的波束宽度优化问题。
在保障用户服务质量以及扫描时延的约束条件下，通过最大化传输数据率来优化波束宽度。优化模型建立如下：
s.t.R≥γmin
式中，s.t.表示约束条件，γmin是为了保障用户服务质量在约束条件下的最低传输数据率要求。由于上述优化模型中的目标函数R是一个非凸函数，无法直接利用凸优化方法求解出最优解。
步骤D：求解优化问题，获得最优波束宽度闭式解。
为了求解出最优波束宽度，先是推导出数据率的上限表达式：
为了便于分析以求得最优的波束宽度，可将上式简写为以下形式：
其中，a＝1-τL，都是与/>无关的正常数。接着，对上式求导，可以获得最优波束宽度的表达式：
其中，表示最优波束宽度，W{·}为第零分支的朗博函数。
毫米波基站根据得到的用户终端位置信息、波束扫描角度以及最优波束宽度开始进行波束扫描，具体如下：
步骤A：毫米波基站在波束扫描角度φ内的每一个方向发送训练信号。
步骤B：用户终端采用一根全向天线接收信号，并将接收到的SNR值反馈给毫米波基站。
步骤C：在毫米波基站完成波束扫描后，根据用户终端反馈的SNR值确定最大SNR值对应的波束方向为最优发射波束方向。
S140，波束扫描完成后，毫米波基站与用户终端之间建立起波束链路，开始进行数据传输，若在数据传输过程中，波束链路被破坏，则返回S120，控制中心重新选择毫米波基站，进行后续操作以建立新的波束链路，实现数据传输。
在S130完成波束扫描之后，毫米波基站与用户终端建立波束链路，开始进行数据传输。若是用户终端与服务毫米波基站之间的波束链路被破坏，导致传输数据率急剧下降，则返回S120，控制中心将根据接收信号强度准则和位置信息重新选择新的毫米波基站，建立新的波束链路。
图6和图7是计算机仿真结果。主要的仿真参数设置如下：帧时长T为20ms，Tp为30μs，τL设置为0.2。sub-6GHz接入点工作在5GHz频段，载波频率为5180MHz，带宽为20MHz，配备8根天线。设置RTT过程中的处理延迟为16μs，交互次数为60，数据包成功传输的SNR阈值为8dB。在毫米波仿真设置中主要考虑以下参数：载波中心频率为60GHz，带宽为1GHz，ψ为0.5，Pt为33dBm，噪声功率谱密度为-174dBm/Hz，ULA配置64根天线。另外，室内环境的路径损耗参数设置为α＝1.4，β＝10-6.14。
图6是不同波束扫描角度φ下数据率随着波束宽度变化情况。在图中，通过数学推导得到的理论最优解标记为“+”，基于数据率表达式进行穷举搜索得到的数值最优解标记为“o”。由图可知，推导出的理论最优波束宽度与仿真得到的数值最优波束宽度接近，验证了理论推导的正确性。此外，最优波束宽度随着φ的增加而增加。这是因为当φ增大时，适当增加波束宽度可以平衡波束搜索延迟和波束形成增益，从而获得最佳数据速率。因此，可以根据不同场景的需求选择最优波束宽度来提升传输数据率。
图7是不同波束搜索方案下搜索时延随着波束宽度变化的分布结果图。如图7所示，本发明提供的定位辅助波束搜索方法的搜索时延明显低于常规的穷举搜索、迭代搜索以及混合搜索方法。
基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种定位辅助通信波束优化系统800，如图8所示，包括定位模块810，毫米波基站选择模块820，波束扫描模块830，数据传输模块840；
其中，定位模块810用于采用双连接异构网络系统将用户终端接入sub-6GHz接入点和毫米波基站，sub-6GHz接入点和毫米波基站分别接入控制中心，基于用户终端的信号到sub-6GHz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，并计算定位误差，sub-6GHz接入点将位置信息和定位误差传入控制中心；
毫米波基站选择模块820用于在控制中心中，采用接收信号强度的准则以及位置信息选择为用户终端服务的毫米波基站，并将位置信息和定位误差发送给所述毫米波基站；
波束扫描模块830用于在选定的毫米波基站中，根据定位误差计算波束扫描角度，基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描；
数据传输模块840用于波束扫描完成后，毫米波基站与用户终端之间建立起波束链路，开始进行数据传输，若在数据传输过程中，波束链路被破坏，则返回毫米波基站选择模块820，控制中心重新选择毫米波基站，进行后续操作以建立新的波束链路，实现数据传输。
需要说明的是，上述实施例提供的定位辅助通信波束优化系统与定位辅助通信波束优化方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见定位辅助通信波束优化方法实施例，这里不再赘述。
以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定位辅助通信波束优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用双连接异构网络系统将用户终端接入sub-6GHz接入点和毫米波基站，sub-6GHz接入点和毫米波基站分别接入控制中心，基于用户终端的信号到sub-6GHz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，并计算定位误差，sub-6GHz接入点将位置信息和定位误差传入控制中心；
步骤2：在控制中心中，采用接收信号强度的准则以及位置信息选择为用户终端服务的毫米波基站，并将位置信息和定位误差发送给所述毫米波基站；
步骤3：在选定的毫米波基站中，根据定位误差计算波束扫描角度，基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描；
步骤4：波束扫描完成后，毫米波基站与用户终端之间建立起波束链路，开始进行数据传输，若在数据传输过程中，波束链路被破坏，则返回步骤2，控制中心重新选择毫米波基站，进行后续操作以建立新的波束链路，实现数据传输。
2.根据权利要求1所述的定位辅助通信波束优化方法，其特征在于，所述的用户终端为至少包含两根全向天线的装置，其中一根全向天线用于接入sub-6GHz频段，另一根全向天线用于接入毫米波频段，用户终端包括手机、电脑或平板。
3.根据权利要求1所述的定位辅助通信波束优化方法，其特征在于，所述的sub-6GHz接入点配备了用于对用户终端信号进行定位和信号传输的若干根全向天线，sub-6GHz接入点包括蜂窝基站和WiFi接入点。
4.根据权利要求1所述的定位辅助通信波束优化方法，其特征在于，所述的毫米波基站配备了具有波束转向能力的均匀线性阵列天线和波束形成单元。
5.根据权利要求1所述的定位辅助通信波束优化方法，其特征在于，所述的基于用户终端的信号到sub-6GHz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，具体为：
采用往返时间方法，sub-6GHz接入点对接收到的来自用户终端的信号进行多次往返时间定位交互，并计算平均往返时间值，得到到达时间根据到达时间/>计算sub-6GHz接入点和用户终端之间的距离/>c表示光速；
采用修正多信号分类算法，sub-6GHz接入点对接收到的来自用户终端的信号进行角度估计，得到到达角
根据距离和到达角/>估计用户终端的位置信息，用公式表示为：
其中，(xs,ys)表示sub-6GHz接入点的位置信息，表示用户终端的位置信息。
6.根据权利要求1所述的定位辅助通信波束优化方法，其特征在于，所述的定位误差，具体为用户终端位置估计的均方根误差，用公式表示为：
其中，RMSE表示用户终端位置估计的均方根误差，(x,y)表示用户终端的真实位置，τ和θ为真实的到达时间和到达角，是到达角的估计误差的方差，/>是到达时间的估计误差的方差。
7.根据权利要求1所述的定位辅助通信波束优化方法，其特征在于，所述的波束扫描角度，用公式表示为：
φ＝2arctan(RMSE/r)
其中，φ表示波束扫描角度，r表示毫米波基站与用户终端之间的距离。
8.根据权利要求1所述的定位辅助通信波束优化方法，其特征在于，所述的基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，具体为：
建立毫米波基站与用户终端之间的传输信号模型和波束方向图模型，根据据简化后的波束方向图模型得到波束成形增益G，用公式表示为：
其中，Gm表示主瓣增益，表示主瓣的波束宽度，Gs表示旁瓣增益，/>表示旁瓣的波束宽度，波束空间为2π；
基于香农定理，根据得到的波束成形增益G，采用接收信噪比来计算用户终端的传输数据率，接收信噪比SNR和传输数据率R用公式表示为：
其中，Pt表示发射功率，β表示单位距离的路径损耗增益，α表示路径损耗指数，h0为信道增益向量，r表示毫米波基站到用户终端之间的距离，服从概率密度分布函数r0表示用户终端与服务毫米波基站之间的最小距离，λp表示毫米波基站的部署密度，/>表示噪声功率，/>表示归一化噪声，ψ表示时分复用比例因子，B表示毫米波带宽，τL表示定位时间比例因子，Tp表示毫米波基站发送波束训练包以及等待用户终端回复的时间，T表示一个定位辅助波束成形帧的时长；
在保障用户服务质量以及扫描时延的约束条件下，通过最大化传输数据率优化波束宽度，涉及到的优化模型用公式表示为：
s.t.R≥γmin
其中，s.t.表示约束条件，γmin表示约束条件下的最低传输数据率要求；
采用优化模型对传输数据率进行优化，得到最优波束宽度，用公式表示为：
其中，表示最优波束宽度，W{·}为第零分支的朗博函数，a＝1-τL，都是与/>无关的正常数。
9.根据权利要求8所述的定位辅助通信波束优化方法，其特征在于，所述的根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描，具体为：
毫米波基站在波束扫描角度范围内的每一个方向发送训练信号；
用户终端接收训练信号，并将接收到的SNR值反馈给服务毫米波基站；
在服务毫米波基站完成波束扫描后，根据用户终端反馈的SNR值确定最大SNR值对应的波束方向，即为最优发射波束方向。
10.一种定位辅助通信波束优化系统，其特征在于，包括定位模块，毫米波基站选择模块，波束扫描模块，数据传输模块；
所述定位模块用于采用双连接异构网络系统将用户终端接入sub-6GHz接入点和毫米波基站，sub-6GHz接入点和毫米波基站分别接入控制中心，基于用户终端的信号到sub-6GHz接入点的到达时间和到达角，估计用户终端的位置信息，并计算定位误差，sub-6GHz接入点将位置信息和定位误差传入控制中心；
所述毫米波基站选择模块用于在控制中心中，采用接收信号强度的准则以及位置信息选择为用户终端服务的毫米波基站，并将位置信息和定位误差发送给所述毫米波基站；
所述波束扫描模块用于在选定的毫米波基站中，根据定位误差计算波束扫描角度，基于最大化通信传输数据率优化波束宽度，根据用户终端的位置信息和波束扫描角度，采用优化后的波束进行波束扫描；
所述数据传输模块用于波束扫描完成后，毫米波基站与用户终端之间建立起波束链路，开始进行数据传输，若在数据传输过程中，波束链路被破坏，则返回毫米波基站选择模块，控制中心重新选择毫米波基站，进行后续操作以建立新的波束链路，实现数据传输。
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