[发明专利]一种通过多个子波束叠加设计波束宽度的波束扫描方法

说明书

本发明公开了一种通过多个子波束叠加设计波束宽度的波束扫描方法，在小区发现阶段基站广播导频信号时，建立小区搜索延迟和扫描波束最小数量的表达式，通过K次波束扫描覆盖整个区域；利用一维均匀线性阵列，将N_T个阵列天线分成M个子阵列，建立子阵列模型，并给出总阵列响应，分析子阵列个数M和扫描波束最小数量K之间的关系，调整每个子波束的方向，实现灵活波束宽度扫描；分析在期望覆盖区域上的波束形成增益和阵列天线数量的关系，设计并优化灵活宽度的波束数量K，达到最大化系统容量。本发明优化了灵活宽度波束的扫描数量，通过设计最佳灵活宽度波束的数量，降低了用户发现的开销，使系统容量得到了很大的提高，解决用户发现和数据传输间覆盖间隙问题。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种通过多个子波束叠加设计波束宽度的波束扫描方法。

背景技术

随着现代社会的高速发展，新型多媒体业务和智能终端数量不断增长，使得移动通信系统对系统容量、数据速率等多方面的要求越来越高。5G的目标能力指标要求峰值达到20Gbit/s，而传统提升频谱效率的方式已经不足以应对这么高的容量需求，现在所使用的3GHz以下的频段已经拥堵不堪，因此毫米波成为了人们关注的热点，具有丰富频谱资源的毫米波大大缓解了目前移动通信中的频谱资源压力。然而与使用较低载波频率的传统通信方法相比，毫米波频段存在严重的路径损耗，并且只适合短距离的通信，为了进一步补偿路径损耗和扩大通信覆盖距离，人们考虑将5G毫米波和大规模MIMO技术相结合，大规模MIMO技术通过在基站侧配置合理形状的天线阵列，通过波束形成技术使得发送信号获取波束形成增益，弥补毫米波的高路径损耗特性，在提升系统功率效率的同时能够显著提高系统容量。

在毫米波通信系统中，用户发现和初始接入是建立通信的基本条件，如图2小区发现的时间帧结构图所示，整个时间帧由小区发现和数据传输两部分构成，基站在初始发送广播信号时，每发送一个搜索波束，都会等待用户接收到信号之后的反馈，共需要发送K个波束，在建立连接之后再进行数据传输。所需搜索波束数量的增加，使得小区搜索时延增加，因此数据传输阶段的时间越短。而搜索时延与波束宽度有关，尽管窄波束天线能够改进信道质量，但是它仅具有较小的波束覆盖范围，若定向波束是窄波束将会增加小区搜索时延；宽波束天线能够覆盖更广的范围，但是它的波束增益会受到影响，这些搜索方式都会显著地影响广播信道信号的传播。然而，只有在用户接入后才能够应用波束形成技术来实现特定波束的定向传输，进而在数据传输阶段获得波束形成增益，使用户接收到的信号功率增大。数据传输区域的覆盖距离由于波束形成技术的高增益而增大。因此在初始用户发现和数据传输之间还存在一定的覆盖缺口，将会引起用户接入到网络的等待时间的延长，这在一定程度上增大了小区搜索时延，不能保证用户与系统迅速构建链路连接，系统容量随之下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种通过多个子波束叠加设计波束宽度的波束扫描方法，设计具有合适宽度和增益的灵活波束宽度来降低小区搜索延迟，同时使系统容量最大。

本发明采用以下技术方案：

一种通过多个子波束叠加设计波束宽度的波束扫描方法，包括以下步骤：

S1、在小区发现阶段基站广播导频信号时，建立小区搜索延迟和扫描波束最小数量的表达式，通过K次波束扫描覆盖整个区域；

S2、利用一维均匀线性阵列，将N_T个阵列天线分成M个子阵列，建立子阵列模型，并给出总阵列响应F(θ)，分析子阵列个数M和扫描波束最小数量K之间的关系，调整每个子波束的方向，实现灵活波束宽度扫描；

S3、分析在期望覆盖区域上的波束形成增益和阵列天线数量的关系，设计并优化灵活宽度的波束数量K，达到最大化系统容量。

具体的，步骤S1中，扫描波束的最小数量为：

K≥Θ_t/Θ_s