一种太赫兹与低频协作通信感知一体化的波束管理方法

本发明涉及无线通信技术，具体涉及一种适用于太赫兹与sub-6ghz频段共存的无线移动网络的波束管理技术。

背景技术：

1、未来的6g网络旨在支持智慧交通和低空经济等新型应用，这些应用需要高数据传输速率和精确感知。现有的频段难以支撑巨大的数据吞吐和感知定位精度，因而推动无线通信向更高的未开发频段发展。具有超宽带的太赫兹terahertz频段被视为实现tera-bps数据传输速率和毫米级感知分辨率的关键技术，但是太赫兹通信面临严重的路径损耗和直射径los(line-of-sight)遮挡挑战，限制网络覆盖范围。当前通信标准允许多频段共存，即双连接dc技术(dual-connectivity)。dc允许用户可以同时连接两个不同的频段，如太赫兹与sub-6ghz频段。sub-6ghz频段相对于太赫兹属于低频。与独立的太赫兹通信相比，dc提供稳定的sub-6 ghz链路可提升网络覆盖，但是太赫兹与低频共存网络存在以下的技术问题：

2、1)为了补偿太赫兹的路径损耗，通常收发端使用高指向性波束提供的功率增益。但是极窄波束带来移动用户波束管理的挑战，包括频繁的波束切换和严重的波束失准效应，这导致极高的切换开销，限制太赫兹网络有效数据吞吐。

3、2)太赫兹窄波束对准的需要频繁的控制信令传输，开销巨大。并且，在高密度、高移动性的网络中，极窄波束对准需要较高的精度，极易导致波束失准，进而降低链路稳定性。需要设计方案辅助太赫兹波束对准，并保证用户在网络中无缝切换。

4、3)需要基于当前的通信标准和帧结构，开发适用于太赫兹与低频的双频段切换方案，与太赫兹频段的通信感知一体化isac协作，最小化移动用户的切换时间。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对太赫兹与低频共存网络，提供一种利用双频段协作通信感知一体化技术实现更强波束对准更低开销的波束切换的移动用户波束管理方法。

2、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种太赫兹与低频协作通信感知一体化的波束管理方法，包括如下步骤：

3、s1.设定通信与感知的业务对太赫兹isac网络的性能需求；

4、s2.提取当前网络参数、信号参数和帧结构参数；

5、s3.根据太赫兹isac网络的性能需求、当前网络参数、信号参数和帧结构参数分别计算平均波束失准概率和平均波束切换开销关于用户速度和同步信号块ssb(synchronization signal block)周期的函数；

6、s4.基于平均波束失准概率函数和平均波束切换开销函数得到满足太赫兹isac网络的性能需求的可行ssb周期；

7、s5.移动用户随机接入和数据传输阶段：

8、用户位置检测步骤：sub-6ghz宏基站按照可行ssb周期发送同步信号块ssb持续监测和定位网络中的基站位置信息和用户位置信息，基站位置信息和用户位置信息通过回程链接传输给最近的太赫兹基站；

9、用户随机接入步骤：最近的太赫兹基站按照可行ssb周期发送预设数量的同步信号块ssb给移动用户，移动用户接收并测量ssb，选择功率最大的ssb并向最近的太赫兹基站上报ssb信息，最近的太赫兹基站根据移动用户上报的ssb信息为用户配置波束，建立通信链路；

10、数据传输步骤：最近的太赫兹基站使用参考信号持续估计用户速度，预测用户轨迹，预判需要进行波束切换时进入步骤s6；通过感知障碍物位置，预测波束切换，提高太赫兹波束对准能力，通过预测用户移动轨迹，预判所需波束切换，从而降低控制信令开销；

11、s6.基于isac感知辅助的波束切换：最近的太赫兹基站根据接收到ssb得到候选波束信息，一个ssb表征对应候选波束，并判断候选波束是否被阻挡，如否，则最近的太赫兹基站进行对移动用户的速度和当前波束的覆盖距离进行估计，触发太赫兹同站波束切换，确定切换的太赫兹波束接入最近的太赫兹基站；如是，则判断次近的太赫兹基站是否可用，当次近的太赫兹基站可用，则触发太赫兹同频小区切换，确定切换的太赫兹波束接入次近的太赫兹基站；当次近的太赫兹基站不可用，则触发低频频带切换，选择低频波束接入sub-6ghz宏基站。

12、本发明利用通信感知一体化技术isac(integrated sensing andcommunication)实现定位和用户跟踪，进而辅助太赫兹波束对准，实现太赫兹小区内、太赫兹小区间和太赫兹-低频频带间高效率的无缝波束切换。通常的isac辅助只利用单一频段。对于低频存在精度不足，对于高频，存在信号处理复杂度较高、信令开销较大的问题。本发明创新地提出利用低频的粗感知用户位置检测，用户的大小为m级，粗精度探测即可，采用sub-6ghz信号。

13、在粗感知确定了用户位置的前提下，仅用太赫兹在特定区域做精扫描和精确速度估计，采用thz信号进行用户速度估计和切换类型决策确定，可以显著降低开销，同时保证波束切换的精确度和有效性。

14、具体的，太赫兹同站波束切换的具体步骤为：最近的太赫兹基站将当前波束的覆盖距离估计值除以可行ssb周期的时间长度得到速度阈值，判断移动用户的速度估计值是否小于等于速度阈值，如是，最近的太赫兹基站按照ssb周期传输预设数量的ssb，如否，最近的太赫兹基站立即传输预设数量的ssb；移动用户接收并测量ssb，选择功率最大的ssb并向最近的太赫兹基站上报ssb信息；最近的太赫兹基站根据移动用户上报的ssb信息为用户配置波束，完成波束切换。

15、太赫兹同频小区切换具体步骤为：最近的太赫兹基站通过回程链接通知次近的太赫兹基站立即传输一个ssb突发集，该ssb突发集表征有次近的太赫兹基站的所有波束；移动用户接收并测量该ssb突发集，选择功率最大的ssb并向次近的太赫兹基站上报ssb信息；次近的太赫兹基站根据移动用户上报的ssb信息为用户配置波束，执行小区切换，完成次近的太赫兹基站的初始接入，完成波束切换。

16、低频频带切换具体步骤为：最近的太赫兹基站通过回程链接通知sub-6ghz宏基站立即传输一个ssb突发集；该ssb突发集表征sub-6ghz宏基站的所有波束，移动用户接收并测量该ssb突发集，选择功率最大的ssb并向该sub-6ghz宏基站上报该ssb信息；该sub-6ghz宏基站根据移动用户上报的ssb信息为用户配置波束，执行频带切换完成sub-6ghz宏基站的初始接入，完成波束切换。

17、在这个基础上，针对isac的帧结构设计，权衡了频繁传输信令导致的高开销和和信令传输不足导致的感知信息不及时，不能有效切换的问题。本发明设计了太赫兹与低频协作isac方案和波束管理信令周期，即同步信号块ssb周期，找到了最合适的ssb周期，可以同时满足可测速度需求、波束对准能力需求和覆盖范围需求。

18、本发明的有益效果为：

19、(1)为了提高太赫兹窄波束对准性能和降低对准开销，本发明提供一种基于isac的太赫兹与低频协作的波束切换解决方案。本发明可有效减少网络中波束失准概率和波束切换信令开销，并且可兼容现有5g协议。

20、(2)本发明为基于isac的通信网络，设计可同时满足波束失准门限、用户速度和数据载荷效率需求的ssb周期。该改进的isac帧结构兼容当前空口标准帧结构。

21、(3)本发明提供的波束切换方案能与当前无线通信网络空口兼容，所提的ssb周期设计高度兼容当前5g帧结构，仅在当前参数集上做微小调整，具有较高的实用性。