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CN111988125B - 兼容c波段的毫米波一体化通信系统波束对准方法 - Google Patents

兼容c波段的毫米波一体化通信系统波束对准方法 Download PDF

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CN111988125B CN202010906919.2A CN202010906919A CN111988125B CN 111988125 B CN111988125 B CN 111988125B CN 202010906919 A CN202010906919 A CN 202010906919A CN 111988125 B CN111988125 B CN 111988125B
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Abstract

本发明公开了一种兼容C波段的毫米波一体化通信系统波束对准方法，主要解决现有技术不能进行自适应波束对准的问题，其方案是：基站利用C波段确定用户位置的初始范围，并生成波束扫描探测信号进行时频资源分配，获得用于毫米波波束扫描的探测帧；基站对用户位置初始范围内的毫米波波束进行扫描，用户测量接收信号功率；用户根据接收信号功率选择最佳的发送波束和接收波束；用户给基站反馈最佳发送波束；基站根据最佳发送波束调整当前发送波束为最佳发送波束，用户根据最佳接收波束调整当前接收波束为最佳接收波束，实现通过C波段辅助毫米波进行的自适应波束对准，本发明提高了波束对准的可靠性和效率，可用于兼容C波段的毫米波一体化通信系统。

Description

兼容C波段的毫米波一体化通信系统波束对准方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种波束对准方法，可用于兼容C波段的毫米波一体化通信系统，提高系统的空时频资源利用率。
背景技术
第五代移动通信系统5G采用不同的工作频段，分为C频段和毫米波频段。毫米波通信已成为5G的关键技术之一，与C波段相比，毫米波通信虽然穿透能力较弱、信号损耗大，但具有带宽很宽、增益较高、干扰源少和传输质量高的优点，因此用C波段与毫米波进行协同通信将会是5G通信的最佳方案。
在毫米波技术的应用中，5G基站和用户之间利用波束赋形技术来提高传输质量，其特点是辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，从而提高信噪比，获得明显的阵列增益。为了更好地利用波束赋形技术，基站和用户需要使用波束扫描的方式来确定基站和用户之间满足传输质量要求的最佳波束对。当基站和用户都支持多波束时，如何实现波束扫描进行波束对准成为毫米波通信至关重要的研究方向。
实现毫米波波束对准需要生成探测信号，在5G中，探测信号使用的时频资源与子载波间隔有关。不同子载波间隔对应的时隙长度也不同，但在不同子载波间隔配置下，5G的无线帧和子帧长度是相同的，无线帧长度为10ms，子帧长度为1ms，所以每个子帧中包含的时隙数不同。同时在正常循环前缀CP情况下，每个时隙包含的符号数相同，为14个。
爱立信有限公司在专利号为ZL201580072197.2的专利中提出了一种“用于高频率无线网络的高效波束扫描方法”，该专利公开了与无线网络中的非自适应波束扫描有关的系统和方法。该方法实现步骤为：首先，发送节点在非重叠无线电资源隙上使用每个波束扫描阶段的每个波束发送探测信号，其次，接收节点针对每个波束扫描阶段依据接收信号质量选出优选波束；然后，通过多阶段波束扫描获得最佳波束，用于数据传输。该方法虽说可实现多阶段波束扫描，但是由于其是一种非自适应波束扫描方法，只适用于接收节点固定时的波束扫描，当接收节点重定位或者用户业务发生更改时，基站和用户之间无法进行自适应波束扫描，不能保证波束对准的可靠性，从而影响到基站和用户之间的数据传输性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种兼容C波段的毫米波一体化通信系统波束对准方法，以提高波束对准的可靠性和效率，从而提高基站和用户之间的数据传输性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)基站与用户之间进行C波段波束扫描，确定用户位置的初始范围为选出的C波段最佳波束覆盖区域，其包含多个毫米波波束；
(2)基站使用伪随机序列生成波束扫描探测信号r(n)，并对其进行时频资源分配，获得适用于毫米波波束扫描的探测帧；
(3)基站通过发送探测信号对用户位置初始范围内的毫米波波束进行波束扫描，用户测量其对应的接收信号功率；
(4)在波束扫描过程结束后，用户选择接收信号功率最大的波束对作为最佳波束对，其包括最佳发送波束和最佳接收波束；
(5)用户在毫米波探测帧的上行时隙中给基站反馈最佳发送波束ID；
(6)基站根据最佳发送波束ID调整当前发送波束为最佳发送波束，同时用户根据最佳接收波束ID调整当前接收波束为最佳接收波束，完成一体化通信系统的波束对准。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1)本发明提出了使用C波段辅助毫米波进行波束对准的方法，具体方式为在C波段发送承载同步信号块SSB的广播帧来确定用户位置的初始范围并将其反馈给基站，基站再通过发送探测信号对用户位置初始范围内的毫米波波束进行扫描，实现了基站和用户之间的自适应快速波束对准，克服了现有技术在用户重定位或者业务发生更改时波束对准不可靠的缺点，提高了波束对准的可靠性和效率。
2)本发明通过设计毫米波波束扫描探测信号的时频资源分配规则，即将波束扫描探测信号r(n)插入到探测帧相应的时频资源上，同时在时域的不同OFDM符号上变换不同的发送和接收波束，实现了以OFDM符号为单位进行波束扫描，减少了波束扫描过程所占用的时频资源，提高了波束对准的效率。
附图说明
图1为本发明兼容C波段的毫米波一体化通信系统框图；
图2为本发明兼容C波段的毫米波一体化通信系统的波束覆盖示意图；
图3为本发明兼容C波段的毫米波一体化通信系统的波束对准实现总流程图；
图4为本发明中的C波段广播帧结构原理图；
图5为本发明中的毫米波探测帧结构原理图；
图6为本发明中的波束扫描子流程图。
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。
参考图1，本实例采用一种兼容C波段的毫米波一体化通信系统，包括基站和用户，基站和用户均包含高低频协同基带模块、中频模块、C波段前端模块以及毫米波模块。
所述高低频协同基带模块，可同时适用于C波段和毫米波段，其包含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，信道估计模块和波束选择模块：数模/模数转化模块包括N个数模/模数转换器，用于将数字/模拟信号转换成模拟/数字信号；编码模块包括信源编码和信道编码，信源编码将信号进行压缩，信道编码采用Turbo编码通过增加冗余信息，对抗信道干扰和衰减，编码模块同时对信号进行加密处理；译码模块包括信道译码和解密，用于接收信号解密译码获得信息；调制模块采用64QAM调制，使单个符号所能承载的信息量提升；数字预编码模块用于计算赋形矩阵以生成基站的数字预编码码本；信道估计模块用于估计无线信道；波束选择模块用于计算接收信号的功率并选择出最大的接收信号功率对应的最佳波束对。
所述中频模块用于上变频或下变频信号。
所述C波段前端模块包含C波段天线阵列，用于与基站端通信连接，其天线尺寸较毫米波大。
所述毫米波射频模块，包含高频调制/解调模块、功率放大器、滤波器、低噪声放大器、移相器和毫米波段大规模天线阵列：功率放大器对信号进行放大，使其获得足够的射频功率；滤波器对信号进行滤波，消除干扰杂波；低噪声放大器对接收到的信号进行放大，便于后级处理；移相器用于改变模拟信号的相位，结合大规模天线阵列产生指定方向的波束。
参考图2，在C波段，基站以K个宽波束C1,C2,...,CB覆盖服务区域；在毫米波段，基站以K*M个波束覆盖服务区域，每M个相邻波束的服务区域与一个C波段宽波束相同；用户有N个波束。
参考图3，本实例在兼容C波段的毫米波一体化通信系统中的波束对准方法，实现步骤如下：
步骤1、基站利用C波段确定用户位置的初始范围
本步骤的具体实现方式如下：
1.1)基站在C波段发送承载同步信号块SSB的广播帧，进行C波段波束扫描，该广播帧的结构如图4所示，其长度为10ms，且包含10个子帧，每个子帧是长度为1ms，且包含2个时隙，每个时隙包含14个正交频分复用OFDM符号，该广播帧的发送周期为160ms，其最多包含8个同步信号块SSB，每一个C波段波束对应一个同步信号块SSB；
1.2)用户接收到C波段广播帧之后，将其中包含的接收信号与同步信号块SSB中携带的解调参考信号DMRS做互相关，解出波束ID；
1.3)用户将波束ID反馈给基站，基站将波束ID对应的波束作为针对该用户的C波段最佳波束，其覆盖区域就是用户位置的初始范围，该范围包含M个毫米波波束。
步骤2、基站使用伪随机序列生成波束扫描探测信号r(n)，并对其进行时频资源分配，获得适用于毫米波波束扫描的探测帧。
波束扫描探测信号r(n)的设计需要满足下行信道探测和获取信道状态信息的需要，最重要的是减小与相同时频资源上其他信号的相互干扰，所以波束扫描探测信号使用伪随机序列来生成，伪随机序列则由第一Gold序列和第二Gold序列计算得到。
2.1)计算第一Gold序列x1(n)：
Figure BDA0002658781500000041
其中，n为序列的序号，mod2表示对2取余，N1为第一Gold序列x1(n)的长度；
2.2)计算第二Gold序列x2(n)：
Figure BDA0002658781500000042
其中，(cinit)2(n)表示初始参考值cinit转化为二进制数由低到高的第n位，
Figure BDA0002658781500000043
Figure BDA0002658781500000044
为一个时隙的符号数，
Figure BDA0002658781500000045
为一个探测帧内的时隙序号，l是一个时隙内的符号序号，nID为当前小区ID，N2为第二Gold序列x2(n)的长度；
2.3)根据第一Gold序列x1(n)和第二Gold序列x2(n)计算伪随机序列c(n)：
c(n)＝(x1(n+1600)+x2(n+1600))mod2,n＝0,1,...,MPN-1，
其中，MPN为伪随机序列c(n)的长度；
2.4)根据伪随机序列c(n)生成波束扫描探测信号r(n)：
Figure BDA0002658781500000051
其中，j为虚数单位。
2.5)进行时频资源分配：
参考图5，将生成的波束扫描探测信号r(n)插入到波束扫描所占用的时频资源上，插入规则如下：
在时域上，基站将探测信号r(n)插入到探测帧的每个时隙的第4、5、6、7、11、12、13、14这八个正交频分复用OFDM符号上，用于毫米波波束扫描，并将控制信息插入到探测帧的每个时隙的第1、2、3、8、9、10这六个正交频分复用OFDM符号上，用于波束扫描时发送的探测信号r(n)能够被用户使用指定的接收波束接收；
在频域上，基站将探测信号r(n)插入为用户分配的整个频带上。
步骤3、基站通过发送探测信号r(n)对用户位置初始范围内的M个毫米波波束进行波束扫描，用户测量其对应的接收信号功率。
参考图6，本步骤的具体实现如下：
3.1)基站在探测帧的第p个时隙、第q个OFDM符号内使用发送波束Ti发送探测信号r(n)，其中：
Figure BDA0002658781500000052
q0＝((i-1)*N+j)％8，int()表示取整，％表示取余，i为基站的发送波束序号，其取值为1,2,...,M，M为基站的发送波束个数，j为基站的接收波束序号，其取值为1,2,...,N，N为基站的接收波束个数；
3.2)用户在3.1)中所述的OFDM符号内使用接收波束Rj接收探测信号r(n)，完成一对发射接收波束的扫描，同时测量接收信号的功率Pij，其中，Pij为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；
3.3)重复3.1)和3.2)，完成基站的M个发送波束和用户的N个接收波束之间的扫描，得到所有接收信号的功率。
步骤4、用户根据接收信号功率Pij选择最佳波束对。
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，当波束扫描过程结束后，用户对这M*N个波束对的接收信号功率Pij按大小进行排序，并选择Pij最大的波束对作为最佳波束对，该最佳波束对包括最佳发送波束和最佳接收波束，其中，i为基站的发送波束序号，其取值为1,2,...,M，M为基站的发送波束个数，j为基站的接收波束序号，其取值为，1,2,...,N，N为基站的接收波束个数。
步骤5、用户给基站反馈最佳发送波束ID。
在完成波束扫描之后，由于用户测量接收信号功率和选择最佳波束对需要时间成本，所以用户在探测帧的最后一个上行时隙内给基站反馈最佳发送波束ID。
步骤6、基站和用户分别根据最佳发送波束ID和最佳接收波束ID完成一体化通信系统的波束对准。
6.1)基站调整当前发送波束为最佳发送波束，是先根据最佳发送波束ID，从发送波束码本中查找对应的移相器权值，再将其写入到发送天线阵列的移相器中，完成发送波束的调整；
6.2)用户调整当前接收波束为最佳接收波束，是先根据最佳接收波束ID，从接收波束码本中查找对应的移相器权值，再将其写入到接收天线阵列的移相器中，完成接收波束的调整；
在同时执行完6.1)和6.2)后，则实现了兼容C波段的毫米波一体化通信系统的波束对准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种兼容C波段的毫米波一体化通信系统波束对准方法，其特征在于，包括如下：
(1)基站与用户之间进行C波段波束扫描，确定用户位置的初始范围为选出的C波段最佳波束覆盖区域，其包含多个毫米波波束；其中，基站确定用户位置的初始范围，实现如下：
1a)基站在C波段发送承载同步信号块SSB的广播帧，进行C波段波束扫描；
1b)用户接收到C波段广播帧之后，将其中包含的接收信号与SSB中携带的解调参考信号DMRS做互相关，解出波束ID；
1c)用户将波束ID反馈给基站，基站将波束ID对应的波束作为针对该用户的C波段最佳波束，其覆盖区域就是用户位置的初始范围；
(2)基站使用伪随机序列生成波束扫描探测信号r(n)，并对其进行时频资源分配，获得适用于毫米波波束扫描的探测帧；其中，基站生成适用于毫米波波束扫描的探测帧，是由基站在时域上先将探测信号r(n)插入到无线帧每个时隙的第4、5、6、7、11、12、13、14这八个正交频分复用OFDM符号上，再在频域上进行全频带插入，获得长度为10ms适用于毫米波波束扫描的探测帧，其并包含10个子帧，每个子帧为1ms并含有4个时隙，每个时隙含有14个OFDM符号；
(3)基站通过发送探测信号对用户位置初始范围内的毫米波波束进行波束扫描，用户测量其对应的接收信号功率；
(4)在波束扫描过程结束后，用户选择接收信号功率最大的波束对作为最佳波束对，其包括最佳发送波束和最佳接收波束；
(5)用户在毫米波探测帧的上行时隙中给基站反馈最佳发送波束ID；
(6)基站根据最佳发送波束ID调整当前发送波束为最佳发送波束，同时用户根据最佳接收波束ID调整当前接收波束为最佳接收波束，完成一体化通信系统的波束对准。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，(2)中基站使用伪随机序列生成波束扫描探测信号r(n)，实现如下：
2a)计算第一Gold序列X1(n)：
Figure FDA0003154648710000021
其中，n为序列的序号，mod2表示对2取余，N1为第一Gold序列X1(n)的长度；
2b)计算第二Gold序列X2(n)：
Figure FDA0003154648710000022
其中，(cinit)2(n)表示初始参考值cinit转化为二进制数由低到高的第n位，
Figure FDA0003154648710000023
Figure FDA0003154648710000024
为一个时隙的符号数，
Figure FDA0003154648710000025
为一个探测帧内的时隙序号，l是一个时隙内的符号序号，nID为当前小区ID，N2为第二Gold序列X2(n)的长度；
2c)计算伪随机序列c(n)：
c(n)＝(x1(n+1600)+X2(n+1600))mod2，n＝0，1，...，MPN-1，
其中，MPN为伪随机序列c(n)的长度；
2d)根据伪随机序列c(n)生成波束扫描探测信号r(n)：
Figure FDA0003154648710000026
其中，j为虚数单位。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，(3)中基站通过发送探测信号对用户位置初始范围内的毫米波波束进行波束扫描，实现如下：
3a)基站在探测帧的第p个时隙、第q个OFDM符号内使用发送波束Ti发送探测信号r(n)，其中：
Figure FDA0003154648710000031
q0＝((i-1)*N+j)％8，int()表示取整，i为基站的发送波束序号，其取值为1，2，...，M，M为基站的发送波束个数，j为基站的接收波束序号，其取值为，1，2，...,N，N为基站的接收波束个数；
3b)用户在3a)中所述的OFDM符号内使用接收波束Rj接收探测信号r(n)，完成一对发射接收波束的扫描，同时测量接收信号的功率Pij，其中，Pij为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；
3c)重复3a)和3b)，完成基站的M个发射波束和用户的N个接收波束之间的扫描，得到所有接收信号的功率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(6)中基站根据最佳发送波束ID调整当前工作波束为最佳发送波束，是基站先根据最佳发送波束ID，从发送波束码本中查找对应的移相器权值，再将其写入到发送天线阵列的移相器中，完成发送波束的调整。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(6)中用户根据最佳接收波束ID调整当前工作波束为最佳接收波束，是用户先根据最佳接收波束ID，从接收波束码本中查找对应的移相器权值，再将其写入到接收天线阵列的移相器中，完成接收波束的调整。
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