本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于波束形成技術(shù)降低毫米波通信能量損耗的方法，可用于5G毫米波通信網(wǎng)絡(luò)。

背景技術(shù)：

由于毫米波技術(shù)帶寬高，傳輸容量大，成為當(dāng)今5G通信系統(tǒng)中的研究熱點，但是毫米波技術(shù)存在高損耗的問題，因此應(yīng)用范圍一直受到限制。尤其在小區(qū)基站的初始化搜索過程中，當(dāng)移動終端進(jìn)入一個小區(qū)時需要一定的時間搜索基站，獲得基站的位置。若移動終端使用毫米波技術(shù)搜索基站，會非常消耗能量，而且在現(xiàn)有的移動終端中，很少有終端設(shè)備能夠提供這么多的能量。毫米波技術(shù)的高損耗問題急需解決。

現(xiàn)階段解決毫米波技術(shù)損耗過大問題的主流技術(shù)是波束形成技術(shù)，波束形成技術(shù)是天線技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)的結(jié)合，目的是用于定向信號的傳輸或接收。基站及移動終端通過天線陣列設(shè)備進(jìn)行通信。波束形成技術(shù)使用智能天線陣列自動調(diào)節(jié)各個天線發(fā)射的信號相位，接收端則通過對多天線陣元接收到的各路信號進(jìn)行加權(quán)合成，形成所需的理想信號。通過這一技術(shù)，發(fā)射能量可以匯集到用戶所在的位置，而不向其它方向擴(kuò)散，從而降低傳輸信息的損耗。波束形成技術(shù)有模擬波束形成技術(shù)ABF，數(shù)字波束形成技術(shù)DBF和混合波束形成技術(shù)HBF，還有一種為了降低ABF方向性延遲而提出的新型波束形成技術(shù)，即相移網(wǎng)絡(luò)波束形成技術(shù)PSN。不同類型的波束形成技術(shù)在不同情況下能量損耗不同，DBF可以使基站在同一時刻向不同方向發(fā)射通過智能天線陣列形成加強(qiáng)信號，但是同時也需要多個射頻鏈對發(fā)射信號進(jìn)行射頻耦合，所以消耗的功率最多，射頻鏈?zhǔn)侵概c天線進(jìn)行信息發(fā)送和接收的模塊，能夠通過耦合技術(shù)控制天線的發(fā)送方向；使用ABF時，基站在同一時刻只能朝一個方向發(fā)送信號，所用用時最長，但由于不需要射頻鏈，功率消耗反而很少；HBF和PSN兩種技術(shù)則結(jié)合了DBF和ABF各自的優(yōu)點，可以在同一時刻向多個方向發(fā)送信號，而發(fā)送的方向數(shù)由射頻鏈的可利用數(shù)量決定，因此消耗的功率可以達(dá)到最小。四種波束形成技術(shù)各有其特點，但是由于不同的波束形成技術(shù)特點不同，在不同應(yīng)用場合下的能量損耗也不同，而目前沒有形成一套系統(tǒng)的選擇方案，能在不同應(yīng)用場合選擇最優(yōu)的波束形成技術(shù)。

同時，如果能科學(xué)地改進(jìn)毫米波技術(shù)的傳輸信號結(jié)構(gòu)，也可以進(jìn)一步降低能量損耗。在初始化小區(qū)搜索的過程中，移動終端的主同步信號起主要作用。但在現(xiàn)階段技術(shù)中，主同步信號結(jié)構(gòu)與其他信號結(jié)構(gòu)并無太大不同。通過改進(jìn)主同步信號的信號結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低能量損耗，則是降低毫米波技術(shù)損耗的另一個出發(fā)點，但在現(xiàn)有技術(shù)中，對于主同步信號結(jié)構(gòu)的改進(jìn)并沒有確定明確的方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對不同波束形成方法選擇和主同步信號改進(jìn)的問題，提出了一種基于波束形成技術(shù)降低毫米波通信能量損耗的方法，通過結(jié)合選擇最優(yōu)的波束形成技術(shù)和改進(jìn)主同步信號時隙結(jié)構(gòu)，形成最優(yōu)波束形成技術(shù)方法，有效降低5G毫米波技術(shù)在小區(qū)初始化搜索基站時的能量損耗。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

1.本發(fā)明全面考慮了不同波束形成技術(shù)在不同情況下的特點，針對不同應(yīng)用場合，設(shè)定不同指標(biāo)，分別獲得ABF、HBF、DBF和PSN在不同指標(biāo)下的能量損耗，并對能量損耗結(jié)果進(jìn)行比較，選擇能量損耗最低的波速形成技術(shù)，這樣就可以使移動終端在不同應(yīng)用場合選擇最合適的波束形成技術(shù)。

2.本發(fā)明提出了一種實用且構(gòu)造簡單的改進(jìn)性信號時隙結(jié)構(gòu)，能夠有效降低毫米波通信中的能量損耗，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述能量損耗計算的流程圖；

圖2為本發(fā)明所述方法中改進(jìn)后主同步信號的時隙結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的仿真實驗各波束形成技術(shù)時延；

圖4為本發(fā)明的仿真實驗各波束形成技術(shù)功耗；

圖5為本發(fā)明的仿真實驗nCI情況下各波束形成技術(shù)能量損耗；

圖6為本發(fā)明的仿真實驗ClnD情況下各波束形成技術(shù)能量損耗；

圖7為本發(fā)明的仿真實驗ClD情況下各波束形成技術(shù)能量損耗；

圖8為本發(fā)明的仿真實驗k值的選取。

具體實施方式

本發(fā)明所述方法綜合考慮以下四種波束形成技術(shù)：模擬波束形成技術(shù)ADF，數(shù)字波束形成技術(shù)DBF，混合波束形成技術(shù)HBF以及相移網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的波束形成技術(shù)PSN，選擇最優(yōu)波束形成方法，構(gòu)造新的主同步信號的時隙結(jié)構(gòu)，從而降低小區(qū)初始化搜索基站時的能量損耗。由于移動終端用于初始化搜索基站所消耗的能量等于其功率損耗與所花費(fèi)時間的乘積，所以本發(fā)明將首先獲得不同波束形成技術(shù)的功率損耗和時間延遲，接著得到其能量損耗。

如圖1所示，一種基于波束形成技術(shù)降低毫米波通信能量損耗的方法，具體步驟如下：

步驟一：獲取初始化搜索基站的時間延遲。

搜索基站的時間延遲包括移動終端搜索基站發(fā)射原始同步信號所需的時間和GPS定位情況下GPS定位所需要的時間。獲取初始化搜索基站的時間延遲包括兩個步驟。

(1-1)獲取移動終端搜索基站發(fā)射原始同步信號所需的時間。

移動終端是移動用戶的終端設(shè)備，由移動用戶控制，與基站間建立雙向的無線電話電路并進(jìn)行通話。在初始化搜索基站的過程中，移動終端需要通過搜索基站向每一個方向發(fā)送的射頻信號來獲得同步信息，這部分時間延遲由移動終端需要搜索的移動終端和基站之間的信道總數(shù)和搜索每一個信道所花費(fèi)的時間決定。按如下步驟進(jìn)行：

(1-1-1)獲得搜索一個信道時所花費(fèi)的時間T_PSS。移動終端為了接收到基站發(fā)送的初始同步信號，需要從各個方向搜索未知位置的基站所發(fā)來的信號，設(shè)移動終端搜索每一個方向所需的時間為T_PSS。T_PSS與主同步信號的副載波帶寬B_SC成反比，有如下關(guān)系:比如副載波帶寬為15kHz，那么搜索時延就為5ms；若副載波帶寬上升至250KHz，那么搜索時延便降為0.3ms。

(1-1-2)獲得掃描點個數(shù)N_D。掃描點個數(shù)N_D指移動終端采用不同波束形成技術(shù)搜索基站所需的信道個數(shù)，基站和移動終端的天線陣列大小以及波束形成技術(shù)的類型共同決定不同方向下的掃描點個數(shù)N_D。對于模擬波束形成技術(shù)ABF，掃描點個數(shù)為基站的天線陣列大小N_BS與移動終端的天線陣列大小N_MS的乘積；對于數(shù)字波束形成技術(shù)DBF，由于DBF可以在同一時刻向不同方向發(fā)射信號，其掃描點個數(shù)等于基站的天線陣列大小N_BS，而與移動終端的天線陣列大小無關(guān)；混合波束形成技術(shù)HBF和相移網(wǎng)絡(luò)波束形成技術(shù)PSN的掃描點個數(shù)還與移動端射頻鏈的可利用數(shù)量N_RF有關(guān)，射頻鏈的可利用數(shù)量N_RF指在同一時刻，運(yùn)用射頻的耦合特性，波束形成技術(shù)可以向多少個不同的方向發(fā)送信號。HBF和PSN的N_D＝N_BS×N_MS/N_RF。

(1-1-3)獲得移動終端搜索基站發(fā)來的原始同步信號所需的時間t₁，其中t₁＝N_D×T_pss。

(1-2)獲取GPS定位所需要的時間。

GPS定位所需要的時間是指移動終端用于GPS定位所花費(fèi)的時間。移動終端需要通過GPS定位與所在小區(qū)中的基站取得聯(lián)系。定位的方法分為三種，第一種情況是不使用GPS定位，移動終端向所有基站可能坐落的方向進(jìn)行全方位信號發(fā)射，稱為non CI,簡稱nCI；第二種情況是在移動終端自身已經(jīng)儲備GPS定位信息下，其可以直接向基站發(fā)送信息，而不需要花費(fèi)額外的時間來獲得GPS定位信息，稱為CInD；第三種情況是指移動終端需要花費(fèi)一定的時間來獲得GPS定位信息，以達(dá)到能夠和基站進(jìn)行通信的狀態(tài)，稱為CID。通過使用GPS定位，移動終端的掃描點個數(shù)會有所減少，但獲得GPS定位需要額外的時間。本部分時間延遲不考慮DBF波形，因為DBF可以在同一時間向不同方向傳送信號，這樣便不需要GPS定位也能夠快速找到基站。按如下步驟進(jìn)行：

(1-2-1)重新獲得掃描點數(shù)N_D，在CInD和CID情況下，ABF、HBF、PSN三種波束成形技術(shù)的掃描點個數(shù)均等于基站的天線陣列大小N_BS，與移動N_BS終端的天線陣列大小無關(guān)。

(1-2-2)獲得GPS定位時延。在CInD情況下不存在GPS定位時延；在CID情況下，設(shè)GPS定位時延為t_CI。

(1-2-3)結(jié)合步驟(1-1)中移動終端搜索基站發(fā)來的原始同步信號所需的時間t₁，GPS定位所需要的時間t_CI，得到主同步信號總時間t_Del，t_Del＝t₁+t_CI＝N_D×T_pss+t_CI。

步驟二：獲取初始化搜索基站的功率損耗。

在功率損耗計算中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是消耗功率最多的模塊，因此本發(fā)明主要考慮移動終端中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功率損耗。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器分為高功率HPADC和低功率LPADC兩種類型，本發(fā)明將分別在這兩種情況下考慮移動終端的功率損耗。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功率損耗P_ADC由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)b、信號采樣頻率B和每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元所消耗的功耗c決定，具體計算功率損耗的過程如下：

(2-1)獲得采樣頻率。根據(jù)采樣定理，采樣頻率為信號帶寬的兩倍，而信號帶寬可由主同步信號的副載波帶寬Bsc得到。毫米波通信技術(shù)主同步信號共包含6個資源模塊，每個模塊又包含12個副載波信號，因此共72個副載波信號，副載波帶寬BSC為15kHZ，主同步信號在頻域上占用寬度為1.08MHz的帶寬。

獲得頻帶利用率a(指單位頻帶內(nèi)所能實現(xiàn)的信息速率)，通過a和BSC得到總的帶寬B_tol＝B_SC/a。最后得出采樣頻率B，采樣頻率為信號總帶寬的兩倍，即B＝2B_tol。

(2-2)獲得模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參數(shù)。根據(jù)實際的移動終端參數(shù)獲得移動終端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)b和單位比特消耗功率c。

(2-3)獲得初始化搜索基站的功率損耗。移動終端用于初始化搜索基站的功率損耗P_ADC＝cB2^b。

步驟三：獲得移動終端初始化搜索基站的總能量損耗。

設(shè)移動終端消耗的總能量為E_ADC，其由搜索基站的時間延時和單位時間內(nèi)的功率消耗共同決定，即E_ADC＝P_ADC×t_Del。針對毫米波通信時，在non CI、CInD和CID三種情況下，可以根據(jù)步驟一至步驟三分別得到四種波束形成技術(shù)ABF、DBF、HBF、PSN的能量消耗E_ABF、E_DBF、E_HBF、E_PSN，比較E_ABF、E_DBF、E_HBF、E_PSN，得到最小的能量損耗，相應(yīng)地確定功耗最小的波束形成方法。

步驟四：通過改進(jìn)主同步信號的時隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低能量損耗。

在不同情況下選擇出能量損耗最低的波束形成技術(shù)后，本發(fā)明提出了一種改進(jìn)型的主同步信號的時隙結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步降低能量損耗。一個時隙可分為7個正交頻分復(fù)用OFDM符號，一個OFDM符號包含八個粒子資源，主同步信號就在OFDM符號的第三個粒子資源中。通過縮小主同步信號的發(fā)送時延，也就是縮小初始化搜索基站的時間延遲，可以提高主同步信號的帶寬，進(jìn)而達(dá)到進(jìn)一步降低移動終端能量損耗的目的，改進(jìn)后的時隙結(jié)構(gòu)參考圖2。具體實施步驟如下：將主同步信號的發(fā)送時間t_Del縮小用T_SC，PSS表示，即這樣在相同的時間間隔內(nèi)，改進(jìn)前的時隙結(jié)構(gòu)只能用來發(fā)送一個信號，改進(jìn)后卻可以發(fā)送k個信號，也就是說花費(fèi)相同的時間，現(xiàn)有的時隙結(jié)構(gòu)發(fā)送的信號速率是原先的k倍，這樣能夠有效減少信號傳遞的時間延遲。

時隙結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，獲得移動終端的能量損耗，具體可分為以下四個步驟：

(4-1)獲得改進(jìn)后主同步信號的發(fā)送時間T_SC，PSS。

(4-2)獲得采樣頻率。近似認(rèn)為主同步信號的副載波帶寬增加為原來的k倍，則副載波帶寬根據(jù)頻帶利用率a和得到信號總的帶寬B_tol，最后得出采樣頻率B，采樣頻率為信號總帶寬的兩倍，即B＝2B_tol。

(4-3)獲得初始化搜索基站的功率損耗。根據(jù)實際的移動終端參數(shù)獲得移動終端模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)b和單位比特?fù)p耗功率c，即可獲得初始化搜索基站的功率損耗P_ADC＝cB2^b。

(4-4)獲得改進(jìn)主同步信號的時隙結(jié)構(gòu)后的能量損耗?？偰芰繐p耗E_ADC＝P_ADC×T_SC，PSS。

本發(fā)明的效果可通過以下仿真實驗進(jìn)一步說明：

1.實驗參數(shù)

本實驗采用6比特的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行仿真實驗，GPS定位所需的額外時延為1.5ms，HBF和PSN的射頻鏈路可利用數(shù)量取4，基站的天線陣列大小取64，移動終端的天線陣列大小取16，在改進(jìn)后主同步信號的時隙結(jié)構(gòu)中，取B_SC為250kHz。

2.實驗環(huán)境

本實驗基于MATLAB平臺對時間延遲、功率損耗和總能量損耗的進(jìn)行了仿真，并通過折線圖進(jìn)行了結(jié)果展示。

3.實驗內(nèi)容

3.1獲得不同波束形成技術(shù)的時間延遲

根據(jù)仿真實驗所設(shè)定的具體參數(shù)和步驟一，可以獲得不同波束形成技術(shù)的時間延遲。因為數(shù)字波束形成技術(shù)DBF可以在同一時間向不同方向發(fā)送信號，所以DBF只考慮基站天線個數(shù)，不考慮移動終端的天線個數(shù)，采用DBF花費(fèi)的時延為64個T_PSS傳送時間?；旌喜ㄊ纬杉夹g(shù)HBF和相移網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的波束形成技術(shù)PSN具有射頻鏈模塊，可以在同一時間內(nèi)把部分不同方向的信號耦合在一起發(fā)送，在本實驗中，設(shè)定采用HBF和PSN下射頻鏈可耦合的方向數(shù)為4，也就是說在移動終端的16個天線所通往的16個方向中，一次可以發(fā)送的信號方向為4個，則采用HBF和PSN所花時延為64*16/4＝256個T_PSS傳送時間。而ABF所花時延為64*16＝1024個T_PSS傳送時間，具體結(jié)果參考圖3。

3.2獲得不同波束形成技術(shù)的功率消耗

根據(jù)仿真實驗所設(shè)定的具體參數(shù)和步驟二，由公式P_ADC＝cB2^b可以獲得不同波束形成技術(shù)的功率消耗。具體結(jié)果參考圖4。

3.3獲得不同波束形成技術(shù)的能量消耗

根據(jù)仿真實驗所設(shè)定的具體參數(shù)和步驟三，可以得到nCI、CInD和CID三種情況下，四種波形分別在高功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器和低功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器下的總能量能量消耗。在nCI情況下，高功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器情況和低功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器情況相類似，DBF的能耗最低，ABF、HBF以及PSN三種波形情況相似，隨著信號帶寬增加至10MHZ，四種波束形成技術(shù)損耗趨于一致,具體結(jié)果如圖5所示；在CInD情況下，高功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器情況和低功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器情況相類似，ABF的能耗最低，DBF、HBF、PSN三種波形情況相似，隨著信號帶寬增加至10k Hz，四種波束形成技術(shù)損耗趨于一致，具體結(jié)果如圖6所示；相對于nCI和CInD情況，在CID情況下四種波形的損耗都是最高的，相比較而言，四種波形中DBF能量損耗最低，PSN和HBF能量消耗曲線基本重合，同時處于能量消耗最大的位置，具體結(jié)果如圖7所示。根據(jù)以上實驗結(jié)果，可以在nCI情況下，選擇DBF，在CInD情況下，選擇ABF；在CID情況下，選擇DBF，這樣在不同情況下可以使移動終端的能量損耗最低。還可以得出在所有情況下，當(dāng)B_SC取大于250kHz后，四種波束形成技術(shù)的能量損耗值基本趨于一致，所以B_SC取250kHz是所有波束形成技術(shù)取得較低能量損耗的一個理想值。這樣就可以在不同情況下得到最低能量損耗的波束形成技術(shù)，從而最大程度地降低毫米波技術(shù)的損耗。

3.4獲得改進(jìn)后主同步信號的能量損耗情況

根據(jù)仿真實驗所設(shè)定的具體參數(shù)和步驟四以及3.3中的結(jié)論，取B_SC為250k Hz，進(jìn)一步進(jìn)行主同步信號改進(jìn)時隙結(jié)構(gòu)后的仿真實驗。隨著k值的增加，B_SC則不斷增加，能量損耗則不斷下降，當(dāng)k值取到8時，能量損耗降低到最小值并趨于平緩，因此k取8是一個較為理想的數(shù)值。

綜合以上仿真結(jié)果可以得出，在不同情況下，通過選擇能量損耗最低的波束形成技術(shù)和時隙縮小倍數(shù)，即k值，能夠有效降低移動終端用于小區(qū)初始搜索的能量損耗。因此，本發(fā)明所述基于波束形成技術(shù)來降低毫米波通信能量損耗的方法能夠有效降低毫米波技術(shù)的能量損耗。

以上僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行了描述，并不將本發(fā)明的技術(shù)方案限制于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的主要技術(shù)構(gòu)思的基礎(chǔ)上所作的任何公知變形都屬于本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)范疇，本發(fā)明具體的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書的記載為準(zhǔn)。