[发明专利]一种基于波束形成技术降低毫米波通信能量损耗的方法

摘要

本发明公开了一种基于波束形成技术降低毫米波通信能量损耗的方法。其实现方案是：综合考虑以下四种波束形成技术，模拟波束形成技术(ADF)，数字波束形成技术(DBF)，混合波束形成技术(HBF)以及相移网络结构下的波束形成技术(PSN)，在不同应用场合下，获得四种技术在初始化小区搜索发送信号的所需的时间延迟，同时获得移动终端所消耗的功率，最终通过计算分别得到四种波束形成技术的能量消耗，并选择出能量消耗最小的波束形成技术。另一方面，通过改进主同步信号的时隙结构，缩小主同步信号的发送时延，从而提高带宽，达到进一步降低毫米波通信能量损耗的目的。本发明解决了现阶段毫米波技术能量消耗过大的问题，可用于5G毫米波通信网络。

主权项

1.一种基于波束形成技术降低毫米波通信能量损耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、获取初始化搜索基站的时间延迟，得到主同步信号总时间：搜索基站的时间延迟包括移动终端搜索基站发射原始同步信号所需的时间和GPS定位情况下GPS定位所需要的时间，获取初始化搜索基站的时间延迟包括两个步骤：(1‑1)获取移动终端搜索基站发射原始同步信号所需的时间，所述移动终端指移动用户的终端设备，由移动用户控制，与基站间建立双向的无线电话电路并进行通话；所述初始化搜索基站的过程，移动终端需要通过搜索基站向每一个方向发送的射频信号来获得同步信息，时间延迟由移动终端需要搜索的移动终端和基站之间的信道总数和搜索每一个信道所花费的时间决定，按如下步骤进行：(1‑1‑1)获得搜索一个信道时所花费的时间TPSS，移动终端为了接收到基站发送的初始同步信号，需要从各个方向搜索未知位置的基站所发来的信号，移动终端搜索每一个方向所需的时间为TPSS，TPSS与主同步信号的副载波带宽BSC成反比，(1‑1‑2)获得扫描点个数ND，扫描点个数ND指移动终端采用不同波束形成技术搜索基站所需的信道个数，基站和移动终端的天线阵列大小以及波束形成技术的类型共同决定不同方向下的扫描点个数ND；对于模拟波束形成技术ABF，扫描点个数为基站的天线阵列大小NBS与移动终端的天线阵列大小NMS的乘积；对于数字波束形成技术DBF，由于DBF可以在同一时刻向不同方向发射信号，其扫描点个数等于基站的天线阵列大小NBS，而与移动终端的天线阵列大小无关；混合波束形成技术HBF和相移网络波束形成技术PSN的扫描点个数还与移动端射频链的可利用数量NRF有关，射频链的可利用数量NRF指在同一时刻，运用射频的耦合特性，波束形成技术可以向多少个不同的方向发送信号，HBF和PSN的ND＝NBS×NMS/NRF；(1‑1‑3)获得移动终端搜索基站发来的原始同步信号所需的时间t1，其中t1＝ND×Tpss；(1‑2)获取GPS定位所需要的时间，移动终端用于GPS定位所花费的时间，移动终端需要通过GPS定位与所在小区中的基站取得联系；定位的方法分为三种，一是不使用GPS定位，移动终端向所有基站可能坐落的方向进行全方位信号发射，称为non CI，简称nCI；二是在移动终端自身已经储备GPS定位信息下，其可以直接向基站发送信息，而不需要花费额外的时间来获得GPS定位信息，称为CInD；三是移动终端需要花费一定的时间来获得GPS定位信息，以达到能够和基站进行通信的状态，称为CID；通过使用GPS定位，移动终端的扫描点个数会有所减少，获得GPS定位需要额外的时间，时间延迟不考虑DBF波形，DBF可以在同一时间向不同方向传送信号，不需要GPS定位也能够快速找到基站，按如下步骤进行：(1‑2‑1)重新获得扫描点数ND，在CInD和CID情况下，ABF、HBF、PSN三种波束成形技术的扫描点个数均等于基站的天线阵列大小NBS，与移动NBS终端的天线阵列大小无关；(1‑2‑2)获得GPS定位时延，在CInD情况下不存在GPS定位时延；在CID情况下，设GPS定位时延为tCI；(1‑2‑3)结合步骤(1‑1)中移动终端搜索基站发来的原始同步信号所需的时间t1，GPS定位所需要的时间tCI，得到主同步信号总时间tDel，tDel＝t1+tCI＝ND×Tpss+tCI；步骤二、获取初始化搜索基站的功率损耗：在功率损耗计算中，模数转换器是消耗功率最多，移动终端中模数转换器的功率损耗，模数转换器分为高功率HPADC和低功率LPADC两种类型，移动终端的功率损耗由模数转换器的功率损耗PADC、模数转换器的位数b、信号采样频率B和每个模数转换器单元所消耗的功耗c决定，具体计算功率损耗的过程如下：(2‑1)获得采样频率，根据采样定理，信号带宽可由主同步信号的副载波带宽Bsc得到，毫米波通信技术主同步信号共包含6个资源模块，每个模块又包含12个副载波信号，因此共72个副载波信号，副载波带宽BSC为15kHZ，主同步信号在频域上占用宽度为1.08MHz的带宽；获得频带利用率a，指单位频带内所能实现的信息速率，通过a和BSC得到总的带宽Btol＝BSC/a，最后得出采样频率B，采样频率为信号总带宽的两倍，即B＝2Btol；(2‑2)获得模数转换器的参数，根据实际的移动终端参数获得移动终端模数转换器的位数b和单位比特消耗功率c；(2‑3)获得初始化搜索基站的功率损耗，移动终端用于初始化搜索基站的功率损耗PADC＝cB2b；步骤三、获得移动终端初始化搜索基站的总能量损耗，搜索基站的时间延时和单位时间内的功率消耗共同决定，即EADC＝PADC×tDel，移动终端消耗的总能量为EADC；毫米波通信时，在non CI、CInD和CID三种情况下，可以根据步骤一至步骤三分别得到四种波束形成技术ABF、DBF、HBF、PSN的能量消耗EABF、EDBF、EHBF、EPSN，比较EABF、EDBF、EHBF、EPSN，得到最小的能量损耗所用的波束形成技术，确定功耗最小的波束形成方法；步骤四、通过改进主同步信号的时隙结构进一步降低能量损耗，最终确定毫米波通信能量损耗最低的波束形成技术：一个时隙可分为7个正交频分复用OFDM符号，一个OFDM符号包含八个粒子资源，主同步信号就在OFDM符号的第三个粒子资源中，通过缩小主同步信号的发送时延，缩小初始化搜索基站的时间延迟，可以提高主同步信号的带宽，进一步降低移动终端能量损耗；主同步信号的发送时间t_Del缩小用T_SC，PSS表示，即相同的时间间隔内，改进前的时隙结构只能用来发送一个信号，改进后可以发送k个信号，相同的时间所述方法时隙结构发送的信号速率是原先的k倍，减少信号传递的时间延迟；时隙结构改进后，获得移动终端的能量损耗，具体可分为以下四个步骤：(4‑1)获得改进后主同步信号的发送时间TSC，PSS；(4‑2)获得采样频率，近似认为主同步信号的副载波带宽增加为原来的k倍，则副载波带宽根据频带利用率a和得到信号总的带宽B_tol，得出采样频率B，采样频率为信号总带宽的两倍，即B＝2B_tol；(4‑3)获得初始化搜索基站的功率损耗，根据实际的移动终端参数获得移动终端模数转换器的位数b和单位比特损耗功率c，即可获得初始化搜索基站的功率损耗PADC＝cB2b；(4‑4)获得改进主同步信号的时隙结构后的能量损耗，总能量损耗EADC＝PADC×TSC，PSS；最终确定毫米波通信能量损耗最低的波束形成技术，总的量损耗为EADC＝PADC×TSC，PSS。