文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190683
中文引用格式： 向爽，劉曉東. 基于5G毫米波的小區(qū)發(fā)現(xiàn)方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(11)：6-9.
英文引用格式： Xiang Shuang，Liu Xiaodong. Research on cell discovery method based on 5G millimeter wave[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(11)：6-9.
0 引言
現(xiàn)如今，無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的用戶和數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，5G技術(shù)將考慮使用毫米波頻段解決頻譜資源有限的難題，毫米波技術(shù)將大幅度提升數(shù)據(jù)傳輸速率、頻譜利用率和吞吐量[1]。毫米波技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線接入網(wǎng)將存在嚴(yán)重的傳播損耗，所以毫米波傳輸技術(shù)目前的研究趨勢(shì)是采用高定向波束形成技術(shù)[2]將總輻射功率集中在非常小的角度上，從而擴(kuò)大傳輸范圍。3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)中的非獨(dú)立組網(wǎng)(Non-Stand Alone，NSA)[3]新空口標(biāo)準(zhǔn)中定義了混合組網(wǎng)架構(gòu)SDN以及用戶面和控制面之間的功能劃分。在5G毫米波技術(shù)中，初始小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程作為無(wú)線通信系統(tǒng)最重要的第一步，高定向多波束傳輸造成的時(shí)延和覆蓋問(wèn)題直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能[4]。因而毫米波小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程的時(shí)延問(wèn)題具有重要的研究?jī)r(jià)值。
文獻(xiàn)[5]中指出毫米波基站全向廣播毫米波會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)可發(fā)現(xiàn)區(qū)域(控制面范圍)與毫米波服務(wù)可用區(qū)域(用戶面范圍)之間不匹配的問(wèn)題，必須使用高定向傳輸擴(kuò)展毫米波基站的覆蓋范圍。文獻(xiàn)[6]中介紹了NSA 5G新空口標(biāo)準(zhǔn)中的混合組網(wǎng)架構(gòu)以及用戶面與控制面的功能分離。文獻(xiàn)[7]提出了一種窮舉算法，該算法的缺點(diǎn)在于毫米波基站掃描所有的方向，造成較大的時(shí)延。本文提出了一種基于窮舉算法利用用戶背景信息的限制訪問(wèn)延遲的改進(jìn)算法，性能優(yōu)于當(dāng)前可用的發(fā)現(xiàn)算法。
1 毫米波初始小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程
毫米波小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程指毫米波UE接收并解碼毫米波BS廣播的同步信號(hào)獲得小區(qū)信息以建立小區(qū)連接。不同于LTE系統(tǒng)中基站eNodeB[8]全向廣播同步信號(hào)，毫米波BS定向發(fā)射波束通過(guò)掃描不同的天線配置搜索毫米波UE波束，直到UE能正確解碼同步信號(hào)[9]。因此這個(gè)同步過(guò)程存在嚴(yán)重的延遲。目前的天線技術(shù)有多種天線配置，可以提供不同的波束寬度，并根據(jù)波束寬度，可以使用不同的指向方向。
波束寬度的選擇對(duì)小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程有重要影響。寬波束能更快地掃描空間，但它們可以達(dá)到相對(duì)接近的用戶。亦然,窄波束可以覆蓋很遠(yuǎn)的用戶，但是它們需要更多的天線配置變化來(lái)掃描整個(gè)空間。因此，發(fā)現(xiàn)過(guò)程必須在空間搜索的速度和范圍之間進(jìn)行權(quán)衡。
在MiWEBA提出的系統(tǒng)架構(gòu)中，背景信息可以提供毫米波基站和毫米波用戶終端的位置估計(jì)，從而在改進(jìn)小區(qū)發(fā)現(xiàn)延遲方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]。背景信息可以包含如通道增益預(yù)測(cè)、UE空間分布、之前訪問(wèn)中成功使用的天線配置等信息。理想情況下，如果背景信息提供了完整的信息，BS和UE可以直接用窄波束指向?qū)Ψ?。BS發(fā)送的波束序列為B=[b0，b1，b2，…，bm]T，UE發(fā)送的波束序列為U=[u0，u1，u2，…，un]T。實(shí)際情況下，背景信息的位置信息都是估計(jì)值，不精確，但小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程能通過(guò)背景信息縮小搜索。如果毫米波基站BS由于背景信息的不精確，初始波束b0不能立即搜索到用戶，則根據(jù)給定的搜索序列b1…bm使用其他波束進(jìn)行搜索。同樣，在UE側(cè)發(fā)送第一個(gè)波束u0，如果沒(méi)有從BS搜索到信號(hào)，則按順?biāo)阉靼l(fā)送搜索序列的其他波束u1…un。每個(gè)BS波束切換都要檢測(cè)整個(gè)UE搜索序列，通過(guò)其n個(gè)波束掃描。在沒(méi)有搜索成功的情況下檢測(cè)所有可能的UE波束后，BS切換到下一個(gè)波束重新搜索UE 發(fā)送的波束序列。只有當(dāng)一個(gè)UE和一個(gè)BS波束一致時(shí)，BS同步信號(hào)才可以在UE端被解碼。
2 小區(qū)發(fā)現(xiàn)算法
檢測(cè)波束B和U的序列是確定毫米波小區(qū)發(fā)現(xiàn)階段性能的關(guān)鍵特征。在這一節(jié)中，本文將重點(diǎn)討論基于UE位置估計(jì)的算法，在初始服務(wù)請(qǐng)求期間，UE位置估計(jì)通過(guò)分離的控制平面?zhèn)鬟f給網(wǎng)絡(luò)。本文從分析UE處理開始，然后轉(zhuǎn)向BS處理。
2.1 窮舉算法
本文應(yīng)用了一種動(dòng)態(tài)適應(yīng)波束寬度搜索算法，稱為窮舉算法。搜索開始設(shè)置波束寬度和指向方向(
，d0)，如果UE沒(méi)有被檢測(cè)到，毫米波BS會(huì)依次掃描每個(gè)方向，保持相同的波束寬度
。如果仍然沒(méi)有搜索到UE，毫米波基站將以減小的波束寬度重新啟動(dòng)圓形掃描。這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直到搜索波束寬度和指向方向的每一個(gè)組合。窮舉算法的基本原理是通過(guò)寬波束檢測(cè)附近的用戶，逐步擴(kuò)大搜索范圍。
2.2 改進(jìn)算法
為了更有效地利用背景信息，本文提出了窮舉算法的改進(jìn)算法。當(dāng)一個(gè)UE基于估計(jì)的位置信息加入網(wǎng)絡(luò),服務(wù)毫米波BS迅速計(jì)算正確的波束寬度(Width)并指出方向(
，d0)。如果位置信息不準(zhǔn)確,用戶可能不被發(fā)現(xiàn)，因此，BS依次執(zhí)行n個(gè)扇區(qū)掃描，每個(gè)扇區(qū)寬度為2π/n。第一個(gè)選定的扇區(qū)r對(duì)應(yīng)于包含用戶估計(jì)(不準(zhǔn)確)位置的區(qū)域。為了克服位置信息的不準(zhǔn)確性，BS通過(guò)寬度為w0且方向與d0相鄰的波束檢測(cè)扇區(qū)r。在這個(gè)搜索過(guò)程中，BS按順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蚪惶姘l(fā)射波束。如果沒(méi)有檢測(cè)到用戶，BS會(huì)縮小波束寬度，再次將波束指向估計(jì)的用戶位置，并類似地檢測(cè)扇區(qū)內(nèi)相鄰波束的方向。在沒(méi)有建立任何UE連接的情況下完成對(duì)第一個(gè)扇區(qū)的掃描后，對(duì)相鄰的n-1扇區(qū)的其他每個(gè)扇區(qū)重復(fù)相同的迭代掃描，順時(shí)針和逆時(shí)針交替。當(dāng)UE被檢測(cè)到或當(dāng)所有n個(gè)扇區(qū)被掃描到且沒(méi)有任何用戶連接時(shí)，進(jìn)程結(jié)束。
改進(jìn)算法相對(duì)于窮舉算法的優(yōu)點(diǎn)在于一定程度上避免了搜索的盲目性，位置誤差造成的UE相對(duì)于背景信息的位置關(guān)系可能在同一側(cè)或者不同側(cè)。相對(duì)于窮舉算法直接遍歷所有區(qū)域，改進(jìn)算法在目標(biāo)小區(qū)域兩側(cè)掃描顯然節(jié)省了相當(dāng)多的時(shí)間，性能更好。
3 仿真結(jié)果
本文通過(guò)MATLAB模擬器進(jìn)行的數(shù)值模擬來(lái)評(píng)估所提出算法的小區(qū)發(fā)現(xiàn)性能。傳輸路徑損耗定義為：
其中，PL定義為傳輸路徑損耗，α=82.02 dB，參考距離l0=5 m，k=2.36，l表示為傳輸距離，主同步信號(hào)PSS采集的最小信號(hào)電平，直接從文獻(xiàn)[8]中的給出的經(jīng)驗(yàn)測(cè)量值導(dǎo)出，Th=-73 dBm，其信噪比大于10 dB，BS發(fā)射功率設(shè)置為Pt=30 dBm。毫米波BS側(cè)最小可配置波束寬度為0.015 7 rad。較大的波束寬度(180°，120°，90°，72°，60°，48°，36°)是通過(guò)按比例減少方向的數(shù)量來(lái)獲得的，測(cè)試場(chǎng)景提供5個(gè)定距200 m的固定毫米波基站，在區(qū)域內(nèi)設(shè)置1 000個(gè)用戶隨機(jī)分布，同時(shí)隨機(jī)選擇用戶的方向。
圖1是天線配置切換次數(shù)和位置誤差的關(guān)系圖，圖中的曲線是窮舉算法和初始波束寬度分別設(shè)置為360°、180°和120°的改進(jìn)算法。在位置誤差逐漸增大時(shí)，平均切換次數(shù)迅速增加，當(dāng)初始波束寬度設(shè)置為360°時(shí)，改進(jìn)算法的性能優(yōu)于窮舉算法，當(dāng)誤差增大時(shí)，窄波束較高的誤差精度會(huì)嚴(yán)重影響改進(jìn)算法的性能。對(duì)于改進(jìn)算法，初始波束寬度設(shè)置為360°是性能最好的。
天線配置切換次數(shù)和初始波束寬度的關(guān)系圖如圖2所示。該圖表示在使用改進(jìn)算法在發(fā)現(xiàn)用戶之前天線配置切換的平均次數(shù)。為了便于比較，還給出了窮舉算法的結(jié)果。對(duì)于10 m位置誤差，改進(jìn)算法的天線配置的切換次數(shù)顯示最小在120°左右，對(duì)應(yīng)扇區(qū)數(shù)n=3。由于探測(cè)距離較遠(yuǎn)區(qū)域的延遲，扇區(qū)越窄，則會(huì)增加所需切換的次數(shù)。在這種情況下，當(dāng)扇區(qū)數(shù)量增加太多時(shí)，位置誤差對(duì)算法性能的影響更大。在這些情況下，窮舉算法的性能優(yōu)于改進(jìn)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。此外，當(dāng)位置誤差增加到或超過(guò)15 m時(shí)，改進(jìn)算法最小值會(huì)向更寬的波束寬度移動(dòng)，以360°作為初始波束寬度性能最好。
通過(guò)仿真可以得出，改進(jìn)算法受初始波束寬度和位置誤差的影響，在設(shè)置合適的初始波束寬度和位置誤差的情況下，改進(jìn)算法的性能優(yōu)于窮舉算法。
4 結(jié)論
本文提出了一種基于傳統(tǒng)算法的改進(jìn)小區(qū)發(fā)現(xiàn)算法，該算法通過(guò)控制面與用戶面平面分割的混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用背景信息改進(jìn)小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)仿真可以得出結(jié)論，改進(jìn)算法受初始波束寬度和位置精度的影響，在設(shè)置合適的初始波束寬度和位置精度的情況下，改進(jìn)算法的性能優(yōu)于窮舉算法。
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作者信息:
向 爽1，2，劉曉東1，2
(1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢430072；2.武漢虹旭信息技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢430072)