本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种面向高速移动用户的频控阵基站协作传输方法。
背景技术：
拥有丰富可用频谱资源的毫米波是下一代无线通信的有效选择。然而，与低频段通信相比更大的路径传输损耗导致毫米波通信拥有高指向性传输的特性，常用阵列技术来补偿传输损耗，从而达到提高通信质量的目的。面对运动轨迹固定且已知的高速用户，如动车、高铁等轨道交通系统，现有的提高用户通信质量的方法大多采用相控阵，通过设计移相器参数使相控阵天线间存在相位差，从而将波束集中在空间中一个方位角上来保证信号在目标用户位置的完整性，提高通信质量。
随着轨道交通系统技术的提高，轨道用户的稳定运行速度已经达到350km/h。由于相控阵波束形状不随时间变化，现有的使用相控阵的方法需要不断改变移相器参数来保证波束集中在目标用户位置上，从而提供持续有效的服务，使得实施成本高昂。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种面向高速移动用户的频控阵基站协作传输方法，利用频控阵时间依赖性，通过优化设计频控阵频率偏移与激活基站，实现波束峰值自动伴随高速用户运动轨迹来移动，提高服务质量。同时降低实施成本，平衡基站维护成本。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种面向高速移动用户的频控阵基站协作传输方法，包括以下步骤：
s1、随机初始化k个基站搭载的频控阵频率与基站激活参数并令i＝1，k＝1，m＝1，其中，m为第m个天线，i为迭代次数，k为基站数量，fk为第k个基站的m个天线各自频率组成的m行1列向量，bk为第k个基站激活状态的控制参数，且bk≥0，m为一个基站的天线数量；
s2、根据频控阵在ts时刻的波束增益，计算得到波束增益中与第k个基站第m个天线的有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]的导数并判断所述导数是否不等于零，若是，则进入步骤s3，否则，进入步骤s4，其中，fk,m为第k个基站的m个天线的频率，τk,m,s为第k个基站第m个天线的发射波束到目标的时刻，fl,n为第l个基站第n个天线的频率，τl,n,s为第l个基站的第n个天线的发射波束到目标的时刻，为波束增益中与第k个基站第m个天线的有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]的导数，为第k个基站的m个天线第i-1次迭代的频率，为第l个基站第n个天线第i-1次迭代的频率；
s3、针对所述导数不等于零时，分别计算得到波束增益中与第k个基站第m个天线的频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]近似的参数αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s；
s4、针对所述导数等于零时，分别计算得到波束增益中与第k个基站第m个天线的频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]近似的参数αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s；
s5、根据步骤s3或步骤s4得到的参数αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s，计算得到第k个基站的m个天线第i次迭代的频率并令其中，为第l个基站第n个天线第i次迭代的频率，为第l个基站第i次迭代的激活状态控制参数；
s6、判断所述中的计数值m是否大于m，若是，则进入步骤s7，否则，令计数值m加1，并返回步骤s2，其中，m为第m个天线，m为一个基站的天线数量；
s7、计算得到第k个基站第i次迭代的激活状态控制参数并令其中，为第l个基站第n个天线第i次迭代的频率，为第l个基站第i次迭代的激活状态控制参数；
s8、判断所述激活状态控制参数中的计数值k是否大于k，若是，则进入步骤s9，否则，令计数值k加1，m＝1，并返回步骤s2，m为第m个天线，k为第k个基站，k为基站数量；
s9、判断是否满足终止条件，若是，则输出基站激活参数结束运行，完成频控阵基站的协作传输，否则，令迭代次数i加1,k＝1，m＝1，并返回步骤s2。
进一步地，所述步骤s2中导数的表达式如下：
其中，2πfk,mτk,m,s为第k个基站的第m个阵元发射的信号到达目标位置处的相位，为第k个基站的m个天线第i-1次迭代的频率，为第l个基站第n个天线第i-1次迭代的频率，τl,n,s为第l个基站的第n个天线的发射波束到目标的时刻，ts为信号发射时刻，c为光速，(rk,s,θk,s)为用户在ts时刻相对于第k个基站的位置，2πτk,m,s为第k个基站的第m个阵元发射的信号到达目标位置处的相位项2πfk,mτk,m,s中fk,m的系数，τk,m,s为第k个基站第m个天线的发射波束到目标的时刻。
再进一步地，所述步骤s3中参数αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s的表达式如下：
其中，αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s为对波束增益中与第k个基站第m个天线的频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]进行近似的参数，τk,m,s为第k个基站第m个天线的发射波束到目标的时刻，为第k个基站第m个天线在第i-1迭代时的频率，为第l个基站第n个天线第i-1次迭代的频率，τl,n,s为第l个基站的第n个天线的发射波束到目标的时刻，为波束增益中与频控阵频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]对fk,m的导数，为第k个基站的m个天线第i-1次迭代的频率，表示向上取整，表示向下取整，ts为信号发射时刻，c为光速。
再进一步地，所述步骤s4中参数αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s的表达式如下：
其中，αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s为对波束增益中与第k个基站第m个天线的频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]进行近似的参数，为第k个基站第m个天线在第i-1迭代时的频率，τl,n,s为表示第l个基站的第n个天线的发射波束到目标的时刻，ts为信号发射时刻，c为光速，为第l个基站第n个天线第i-1次迭代的频率，τk,m,s为第k个基站第m个天线的发射波束到目标的时刻。
再进一步地，所述步骤s5中的表达式如下：
其中，为第k个基站第m个天线第i次迭代的频率，m为一个基站的天线数量，k为基站数量，s为将一段服务时间划分为s个时隙，为将第k个基站的二元基站激活控制因子i(bk)第i-1次迭代连续化后的激活基站控制因子，a(rk,s)为第k个基站在s时刻的信号衰减因子，为第l个基站第i-1次迭代的连续化激活基站控制因子，a(rl,s)第l个基站在ts时刻的信号衰减因子，表示(·)的取值范围为[f0-δf,f0+δf]，f0为频控阵载波频率，[-δf,δf]为频控阵频率偏移取值上下界，γ为连续化后的激活基站控制因子中的参数，bk为第k个基站激活状态的控制参数。
再进一步地，所述步骤s7中激活状态控制参数的表达式如下：
其中，λ为平衡基站维护成本与服务质量权重因子，γ为连续化后的激活基站控制因子中的参数，第k个基站第i-1次迭代的激活状态控制参数，s为将一段服务时间划分为s个时隙，m为一个基站的天线数量，k为基站数量，a(rk,s)为第k个基站在s时刻的信号衰减因子，为第l个基站的连续化激活基站控制因子，为第k个基站的第m个阵元在第i-1迭代时发射的信号到达目标位置处的相位，为第l个基站第n个天线在第i-1迭代时的频率，τl,n,s为第l个基站的第n个天线的发射波束到目标的时刻，a(rl,s)第l个基站在ts时刻的信号衰减因子，为第l个基站第i次迭代的激活状态控制参数，qk表示该项与第k个基站的激活基站控制因子相关部份的常数部分，为该项与第k个基站的激活基站控制因子相关部分的常数部分表示，μ为拉格朗日乘数。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用频控阵波束自动扫描的能力，与现有的相控阵方法相比，本发明提供的方法无需频繁更新阵列参数，降低了实施成本；
(2)本发明通过设计频控阵频率偏移，使产生的波束峰值时刻伴随高速用户运动轨迹移动，在一定的时间周期内最大化用户的平均波束增益，与相控阵不随时间变化的波形相比拥有更高的服务质量；
(3)本发明通过优化激活基站，实现平衡服务质量与基站维护成本，在降低基站维护成本的同时选择激活的基站，与随机激活基站相比使服务质量更优；
(4)本发明提出了一种低复杂度的算法来联合优化频控阵频率偏移以及基站激活，算法每一步具有平稳解，保证其收敛性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种面向高速移动用户的频控阵基站协作传输方法，其实现方法如下：
s1、随机初始化k个基站搭载的频控阵频率与基站激活参数并令i＝1，k＝1，m＝1，其中，m为第m个天线，i为迭代次数，k为基站数量，为第k个基站的m个天线各自频率组成的m行1列向量，bk为第k个基站激活状态的控制参数，且bk≥0，m为一个基站的天线数量；
s2、根据频控阵在ts时刻的波束增益，计算得到波束增益中与第k个基站第m个天线的有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]的导数并判断所述导数是否不等于零，若是，则进入步骤s3，否则，进入步骤s4；
本实施例中，频控阵在ts时刻的波束增益可以表示为：，其中，ts为信号发射时刻，s表示将一段服务时间划分为s个时隙，s为第s个时隙，(rk,s,θk,s)为用户在ts时刻相对于第k个基站的位置，为第k个基站二元激活基站控制因子，为0时表示关闭第k个基站，为1时激活第k个基站，a(rk,s)为第k个基站在ts时刻的信号衰减因子，fk,m为第k个基站第m个天线的频率，其中，第k个基站的第m个天线到目标的时延，c为光速，2πfk,mτk,m,s为第k个基站的第m个阵元发射的信号到达目标位置处的相位，相似的i(bl)为第l个基站的二元激活基站控制因子，a(rl,s)第l个基站在ts时刻的信号衰减因子，fl,n为第l个基站第n个天线的频率，τl,n,s为第l个基站的第n个天线的发射波束到目标的时刻，波束增益中与频控阵频率有关的项为cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]，定义为该项对第k个基站第m个天线的频率fk,m求导，即(i-1)为第(i-1)次迭代；
s3、针对所述导数不等于零时，分别计算得到波束增益中与第k个基站第m个天线的频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]近似的参数αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s，并进入步骤s5：
其中，αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s为对波束增益中与第k个基站第m个天线的频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]进行近似的参数，即将cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]近似为αk,l,m,n,s(fk,m-βk,l,m,n,s)2+ρk,l,m,n,s再求解，αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s的取值有两种情况，上式为当波束增益中与频控阵频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]的导数不为0时的求取方式，(i-1)为第(i-1)次迭代，fk,m为第k个基站第m个天线的频率，其中，为第k个基站的第m个天线到目标的时延，c为光速，2πfk,mτk,m,s为第k个基站的第m个阵元发射的信号到达目标位置处的相位，相似的fl,n为第l个基站第n个天线的频率，τl,n,s为第l个基站的第n个天线的发射波束到目标的时刻，为波束增益中与频控阵频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]对fk,m求导，表示向上取整，表示向下取整；
s4、针对所述导数等于零时，分别计算得到波束增益中与第k个基站第m个天线的频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]近似的参数αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s，并进入步骤s5：
其中，αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s为对波束增益中与第k个基站第m个天线的频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]进行近似的参数，即将cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]近似为αk,l,m,n,s(fk,m-βk,l,m,n,s)2+ρk,l,m,n,s再求解，αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s的取值有两种情况，上式为当波束增益中与频控阵频率有关项cos[2π(fk,mτk,m,s-fl,nτl,n,s)]的导数为0时的求取方式，(i-1)为第(i-1)次迭代，fk,m为第k个基站第m个天线的频率，其中，为第k个基站的第m个天线到目标的时延，c为光速，2πfk,mτk,m,s为第k个基站的第m个阵元发射的信号到达目标位置处的相位，2πfk,mτk,m,s为第k个基站的第m个阵元发射的信号到达目标位置处的相位，相似的fl,n为第l个基站第n个天线的频率，τl,n,s为第l个基站的第n个天线发射波束到目标的时刻；
s5、据步骤s3或步骤s4得到的参数αk,l,m,n,s、βk,l,m,n,s和ρk,l,m,n,s，计算得到第k个基站的m个天线第i次迭代的频率并令
其中，为将第k个基站的二元基站激活控制因子i(bk)连续化后的激活基站控制因子，γ为大于0的常数，不为0时表示激活基站k，否则表示关闭基站k，a(rk,s)为第k个基站在s时刻的信号衰减因子，相似的为第l个基站的连续化激活基站控制因子，a(rl,s)第l个基站在ts时刻的信号衰减因子，表示(·)的取值范围为[f0-δf,f0+δf]，其中，f0为频控阵载波频率，[-δf,δf]为频控阵频率偏移取值上下界，即频控阵频率偏移取值大于-δf小于δf，频控阵频率为频控阵载波频率加上频控阵频率偏移；
s6、判断所述中的计数值m是否大于m，若是，则进入步骤s7，否则，令计数值m加1，并返回步骤s2；
s7、计算得到第k个基站第i次迭代的激活状态控制参数并令
其中，为第l个基站的第n个天线第i次迭代的频率，为第l个基站第i次迭代的激活状态控制参数，λ为平衡基站维护成本与服务质量权重因子，为人为选取的常数，γ为连续化后的激活基站控制因子中的参数，是人为选取的一个大于0的常数，[·]+表示取0和(·)中大的那一个，μ为拉格朗日乘数，根据卡罗需-库恩-塔克(karush-kuhn-tucker,kkt)条件求得所有s个时刻的平均频控阵波束增益为：将平均频控阵波束增益中二元激活基站控制因子i(bk)用连续化激活基站控制因子代替后，将其分为两个部分，第一部分为将该项中与第k个基站的激活基站控制因子相关部分的常数部分表示为qk，m为一个基站的天线个数，s表示将一段服务时间划分为s个时隙，a(rk,s)为第k个基站在s时刻的信号衰减因子，另一个部分为将与第k个基站的激活基站控制因子相关部分的常数部分表示为即其中，s表示将一段服务时间划分为s个时隙，(i-1)为第k个基站在s次迭代，为第l个基站的连续化激活基站控制因子，a(rk,s)为第k个基站在s时刻的信号衰减因子，fk,m为第k个基站第m个天线的频率，其中，第k个基站的第m个天线到目标的时延，c为光速，2πfk,mτk,m,s为第k个基站的第m个阵元发射的信号到达目标位置处的相位，相似的fl,n为第l个基站第n个天线的频率，τl,n,s为第l个基站的第n个天线发射波束到目标的时刻，a(rl,s)第l个基站在ts时刻的信号衰减因子。
s8、判断所述激活状态控制参数中的计数值k是否k，若是，则进入步骤s9，否则，令计数值k加1，m＝1，并返回步骤s2；
s9、判断是否满足终止条件，若是，则输出基站激活参数结束运行，完成频控阵基站的协作传输，否则，令迭代次数i加1,k＝1，m＝1，并返回步骤s2。
本发明通过设计频控阵频率偏移，使产生的波束峰值时刻伴随高速用户运动轨迹移动，在一定的时间周期内最大化用户的平均波束增益，与相控阵不随时间变化的波形相比拥有更高的服务质量；本发明通过优化激活基站，实现平衡服务质量与基站维护成本，在降低基站维护成本的同时选择激活的基站，与随机激活基站相比使服务质量更优。