一种基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法，采用随机几何方法对毫米波通信系统进行建模，确定毫米波通信系统路径损耗及波束成形增益模型，得到毫米波通信系统的接收信号；建立毫米波通信系统覆盖率及容量表达式，对比分析不考虑干扰和不考虑噪声情况下系统的覆盖率性能；以波束宽度为中间量，确定毫米波通信系统容量与搜索时延的关系，优化波束宽度得到最优系统性能；在毫米波的用户发现阶段使用波束成形技术获得最优波束宽度，扫描整个波束空间进行用户搜索。本发明专利技术通过优化毫米波系统用户发现阶段的扫描波束宽度，解决了搜索时延与系统容量的均衡问题，获得了最优系统性能，节约了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法
本专利技术属于通信
，具体涉及一种基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法。
技术介绍
随着现代信息社会的高速发展，各种移动新业务不断涌现，智能终端设备接入数量和无线数据流量呈指数式增长。国际电信联盟于2015年确定了5G的目标能力指标，其中要求峰值速率达到20Gbit/s。为了满足5G多千兆数据传输速率的要求，提高信号的传输带宽是最为直接和有效的方式。现在使用的3GHz以下的传统频段已经拥堵不堪，主要分配给了目前已经商用的蜂窝移动通信系统、无线局域网、无线个域网、广播电视及少量军事通信业务。与较低频段相比，高频段还有大量未分配的频谱资源亟待开发和利用，特别是到了毫米波频段(30GHz到300GHz)，可以轻松得到几十倍于低频段的带宽资源，并且室内实现毫米波链路的可行性已经被成功证明。因此毫米波技术被认为是推动5G传输速率大幅提升最具潜力的技术之一。毫米波频段具有严重的路径损耗，易受大气吸收和降雨衰落的影响，传播距离仅在视距范围内，只适合短距离的通信。如图1所示，使用密集组网可以减小小区半径，增加基站密度，实现更好的网络覆盖，但同时会增加系统干扰。另外，还可在毫米波通信系统中使用波束成形技术来补偿路径损耗，改善传输质量。由于毫米波具有波长短的特点，便于器件的小型化和系统集成，因此可以与大规模MIMO技术相结合，通过波束成形技术使得天线波束更窄，指向性更强。5G的主要目标就是将毫米波技术应用到网络的接入部分以便扩大可用容量以及为终端用户动态地增加速率。用户发现和初始接入是建立通信的基本条件，是蜂窝系统的基本组成部分。用户和基站之间需要建立连接后进行数据通信，其建立连接的过程为：基站周期性地发送携带该基站信息的同步信号，这些同步信号所覆盖的范围为基站的控制范围；用户设备通常盲目地检测下行链路传输的同步信号，在用户端识别基站之后，向基站发送随机接入前导码，这些前导码中包含用户端专有的标识符号；基站检测到用户端发射的前导码后，向用户端发送随机接入响应；此时用户端发送连接请求，通信建立。在传统蜂窝系统中，基站使用固定波束全向覆盖的方式检测用户。而在毫米波系统中，若使用同样的波束覆盖方式，由于其较大的路径损耗会导致控制覆盖范围大大减少。另一方面，在数据传输阶段，由于基站已知用户方位，可以使用窄波束大增益与用户通信，此时会出现数据传输范围与控制范围不匹配的问题，如图2所示。这意味着可能存在用户位于数据传输区域，基站却不能发现用户的现象。为了解决不匹配问题，需要基站在用户发现过程中使用波束成形和天线阵增益获得窄波束，将整个覆盖区域划分为多个扇区，进行方向性扫描，来扩大毫米波蜂窝系统的控制范围，如图3所示。然而方向性搜索会增加搜索时延，从而影响系统的控制开销。参考LTE(LongTermEvolution，长期演进)信号时间帧模型，如图4所示，整个通信时间分为两个阶段：用户发现和数据传输。用户发现阶段包含多个时隙，每个时隙长为Tper，基站在每个时隙内对覆盖区域中的一个扇区进行扫描，发射Tsig时间的导频信号，在剩下的时间里，等待从用户方向发射回来的响应。在图4中，阴影部分表示信号持续时间，K代表发射信号的次数。搜索时延与波束宽度有关，波束越窄，搜索时延越大，用户发现阶段时间越长，因此数据传输阶段时间越短，但同时波束成形增益越大，用户接收到的信号功率越大，故搜索时延和系统容量之间存在权衡关系。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法，通过找到最优扫描波束宽度，使得系统容量最大。本专利技术采用以下技术方案：一种基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法，包括以下步骤：S1、采用随机几何方法对毫米波通信系统进行建模，确定毫米波通信系统路径损耗及波束成形增益模型，得到毫米波通信系统的接收信号；S2、建立毫米波通信系统覆盖率及容量表达式，对比分析不考虑干扰和不考虑噪声情况下系统的覆盖率性能；S3、以波束宽度为中间量，确定毫米波通信系统容量与搜索时延的关系，优化波束宽度得到最优系统性能；S4、基于以上步骤设置系统中参数值，在毫米波的用户发现阶段使用波束成形技术获得最优波束宽度，扫描整个波束空间进行用户搜索。更进一步的，本专利技术的特点还在于：步骤S1中，假设基站分布服从密度为λ的泊松点过程Φ:Poissonpointprocess,PPP，用户服从独立于基站的PPP，确定毫米波系统的路径损耗L(r)，假设系统信道为瑞利衰落信道，所有基站波束宽度及发射功率相同，扫描方向随机，基站发射天线数为Nt，用户接收天线数为Nr＝1，取具有最小路径损耗即距离用户最近的基站为用户的服务基站，干扰基站的分布是一个PPP过程，设为ΦI，密度为p1λ。其中，毫米波系统的路径损耗L(r)为：L(r)＝Cr-α其中，C为常数，r为基站与典型用户之间的距离，α为路径损耗指数；接收信号y为：其中，G为基站波束成形增益，h0、hi分别表示服务基站和第i个干扰基站与用户之间的瑞利衰落的幅值平方，且h0,hi～exp(1)，Pt为基站发射功率，n～(0,σ2)为噪声，s为发射信号。其中，使用理想扇区天线模型近似实际的天线模型，采用穷举搜索方式进行全方位搜索，使用基于窗函数的波束设计方法，波束宽度θ为：其中，d为展宽因子；最差情况下需要扫描的次数为：Nslot＝2π/θ,用户发现阶段总时间τ＝NslotTper小于等于总时间帧长度T，θ满足：2πTper/T≤θ≤2π；基站波束成形增G为：。其中，步骤S2中，根据接收信号分别计算系统信号干噪比SINR、信噪比SNR、信干比SIR，利用随机几何相关性质对系统覆盖率进行求解如下：p(SINR＞th)＝Er[p(SINR＞th|r)]＝∫r＞0p(SINR＞th|r)fR(r)dr其中，th为SINR阈值，fR(r)为用户与其服务基站之间距离r的概率密度函数，且其中，在TDD工作模式下系统的各态历经容量Cap为：其中，β为TDD下行链路占用比，B为信号传输带宽，T为整个时间帧长，τ为用户发现阶段时长，Tper为每个时隙长度，θ为波束宽度，为归一化的噪声，r为用户与服务基站之间的距离，λ为基站密度。其中，步骤S3中，根据步骤S2中得到的容量，以θ为中间变量，在毫米波通信系统中，基站分布密度λ、信号时间帧长T、时隙长Tper为已知量时，调整θ的大小得到不同的系统容量，通过调整基站天线数得到理想波束宽度，获得最优系统性能。其中，求取只考虑噪声情况下系统的容量中关于θ的偏导并令其等于0，得到：其中，若θ＝2π，等式左边小于等式右边，即时，存在唯一的θ*使得系统容量最大。其中，在毫米波系统中，θ*值通过变步迭代法获得：S301、参量初始化，初始值θ＝2πTper/T，步长Δθ＝0.1，迭代次数n＝1；S302、判断Δθ＞10-4是否成立；若成立，执行步骤S303；若不成立跳至步骤S306；S303、判断Cap(θn)＜Cap(θn+Δθ)是否成立；若成立，执行步骤S304；若不成立跳至步骤S305；S304、计算θn+1＜θn+Δθ，n＝n+1，返回步骤S303；S305、计算返回步骤S302；S306、得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用随机几何方法对毫米波通信系统进行建模，确定毫米波通信系统路径损耗及波束成形增益模型，得到毫米波通信系统的接收信号；S2、建立毫米波通信系统覆盖率及容量表达式，对比分析不考虑干扰和不考虑噪声情况下系统的覆盖率性能；S3、以波束宽度为中间量，确定毫米波通信系统容量与搜索时延的关系，优化波束宽度得到最优系统性能；S4、基于以上步骤设置系统中参数值，在毫米波的用户发现阶段使用波束成形技术获得最优波束宽度，扫描整个波束空间进行用户搜索。

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用随机几何方法对毫米波通信系统进行建模，确定毫米波通信系统路径损耗及波束成形增益模型，得到毫米波通信系统的接收信号；S2、建立毫米波通信系统覆盖率及容量表达式，对比分析不考虑干扰和不考虑噪声情况下系统的覆盖率性能；S3、以波束宽度为中间量，确定毫米波通信系统容量与搜索时延的关系，优化波束宽度得到最优系统性能；S4、基于以上步骤设置系统中参数值，在毫米波的用户发现阶段使用波束成形技术获得最优波束宽度，扫描整个波束空间进行用户搜索。2.根据权利要求1所述的基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法，其特征在于，步骤S1中，假设基站分布服从密度为λ的泊松点过程Φ:Poissonpointprocess,PPP，用户服从独立于基站的PPP，确定毫米波系统的路径损耗L(r)，假设系统信道为瑞利衰落信道，所有基站波束宽度及发射功率相同，扫描方向随机，基站发射天线数为Nt，用户接收天线数为Nr＝1，取具有最小路径损耗即距离用户最近的基站为用户的服务基站，干扰基站的分布是一个PPP过程，设为ΦI，密度为p1λ。3.根据权利要求2所述的基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法，其特征在于，毫米波系统的路径损耗L(r)为：L(r)＝Cr-α其中，C为常数，r为基站与典型用户之间的距离，α为路径损耗指数；接收信号y为：其中，G为基站波束成形增益，h0、hi分别表示服务基站和第i个干扰基站与用户之间的瑞利衰落的幅值平方，且h0,hi～exp(1)，Pt为基站发射功率，n～(0,σ2)为噪声，s为发射信号。4.根据权利要求3所述的基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法，其特征在于，使用理想扇区天线模型近似实际的天线模型，采用穷举搜索方式进行全方位搜索，使用基于窗函数的波束设计方法，波束宽度θ为：其中，d为展宽因子；最差情况下需要扫描的次数为：Nslot＝2π/θ,用户发现阶段总时间τ＝NslotTper小于等于总时间帧长度T，θ满足：2πTper/T≤θ≤2π；基站波束成形增G为：。5.根据权利要求1所述的基于毫米波系统中用户发现阶段波束优化方法，其特征在于，步骤S2中，根据接收信号分别计算系...

【专利技术属性】
技术研发人员：范建存，韩丽媛，罗新民，张莹，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61