CN111106861A - 通过角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种通过角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的方法、基站和介质，所述方法用于基站，所述方法包括：获取设备旋转的角速度和当前时刻的信道矩阵；根据当前时刻的信道矩阵计算当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差；根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和角速度预测毫米波信道的分布，及通过所述毫米波信道的分布来进行波束赋形。上述实施方式的方法，借助毫米波信道在角度域上虚拟信道矩阵的稀疏特性，通过设备旋转的角速度，预测毫米波信道分布，从而进行波束赋形，这样可减小因设备旋转导致的信道变化而需要重新进行信道估计的开销，减少因波束搜索和波束训练来寻找进行通信时的合适的波束的时间开销。
Description
技术领域
本申请涉及毫米波通信技术领域，尤其涉及一种通过感知设备旋转的角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的方法、基站和介质。
背景技术
目前，毫米波通信的波束赋形主要分为数字波束赋形、模拟波束赋形和混合波束赋形。数字波束赋形是通过信道估计来获得信道状态信息，再以最大化系统频谱效率等为准则设计波束赋形矩阵。数字波束赋形需要每根天线都连接一个射频链路，而毫米波通信所使用的是大规模天线阵列，因此需要很大的成本开销和能耗，并且获得信道状态信息需要很大信令反馈开销和实现复杂度。
模拟波束赋形通过使用相位调整器来生成定向波束，通过波束搜索找到最优的收发波束。基于码本的波束训练的方法，如协议IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad，通过穷尽搜索，找到使得信噪比最大的发送波束和接受波束对来进行通信。
然而，毫米波天线使用的是大规模天线阵列以及毫米波信道变化较快，因此在用户设备旋转时，重新进行信道估计，这大大增加了成本。基于码本的波束训练的方法，需要对波束进行穷尽搜索来找到合适的波束，时间成本较大。
发明内容
本申请提供了一种通过角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的方法、基站和介质。
本申请的实施方式提供了一种通过角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的方法，用于基站，所述方法包括：
获取设备旋转的角速度和当前时刻的信道矩阵；
根据所述当前时刻的信道矩阵计算当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差；
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和所述角速度预测毫米波信道的分布；及
通过所述毫米波信道的分布来进行波束赋形。
上述实施方式的方法，借助毫米波信道在角度域上虚拟信道矩阵的稀疏特性，通过设备旋转的角速度，预测毫米波信道分布，从而进行波束赋形，这样可减小因设备旋转导致的信道变化而需要重新进行信道估计的开销，减少因波束搜索和波束训练来寻找进行通信时的合适的波束的时间开销。
在某些实施方式中，获取设备旋转的角速度，包括：所述基站接收由所述设备发送的所述角速度，所述角速度由所述设备的陀螺仪检测得到。
在某些实施方式中，根据所述当前时刻的信道矩阵计算当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，包括：
根据多个所述当前时刻的信道矩阵，进行阵列响应矩阵变换，得到多个所述当前时刻的虚拟信道矩阵；
根据多个所述当前时刻的虚拟信道矩阵获取多个所述当前时刻的虚拟信道各元素的方差。
在某些实施方式中，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和所述角速度预测毫米波信道的分布，包括：
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和第i个路径的子路径数量，获取所述第i个路径的各子路径复增益的方差；
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和所述角速度，获取所述第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率；
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率；
根据所述第i个路径的各子路径复增益的方差、所述第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率、所述第i个路径的子路径落在未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率和所述第i个路径的子路径数量，获取未来时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差；
根据所述未来时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差预测所述毫米波信道的分布。
在某些实施方式中，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和所述第i个路径的子路径数量，获取所述第i个路径的各子路径复增益的方差，包括：
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，得到累加和，所述累加和为所述第i个路径的子路径可能落在全部角度区间的当前时刻的虚拟信道矩阵中对应的全部元素方差的累加和；
根据所述累加和与所述第i个路径的子路径数量的比值，获取所述第i个路径的各子路径复增益的方差。
在某些实施方式中，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和所述角速度，获取所述第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率，包括：
根据所述角速度，获取到达角重叠区间，其中，所述到达角重叠区间为所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的到达角落在与所述未来时刻的各到达角区间重叠的全部到达角区间；
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的到达角落在各到达角区间内的概率；
根据所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的到达角落在各角度区间内的概率和所述到达角重叠区间，获取所述第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率。
在某些实施方式中，根据所述角速度，获取到达角重叠区间，包括：
根据所述角速度和所述当前时刻的到达角区间，获取所述设备在未来时刻的各到达角区间的区间划分；
根据所述设备在未来时刻的各到达角区间的区间划分，获取所述到达角重叠区间。
在某些实施方式中，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取第i个路径的子路径在所述当前时刻的到达角落在各到达角区间内的概率，包括：根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取第i路径的第L个子路径的到达角可能落在的全部到达角区间；
获取所述全部到达角区间的第s个到达角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
计算所述第s个到达角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第一累加和；
获取所述全部到达角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
计算所述全部到达角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第二累加和；
根据所述第一累加和与所述第二累加和，获取所述第i路径的第L个子路径在所述当前时刻的到达角落在各到达角区间内的概率。
在某些实施方式中，根据各路径的子路径在所述当前时刻的到达角落在各角度区间内的概率和所述到达角重叠区间，获取所述第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率，
包括：
计算所述第i个路径的子路径在所述到达角重叠区间的概率的加权和，所述概率的加权和作为第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率。
在某些实施方式中，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率，包括：
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的离开角落在各离开角区间内的概率，所述当前时刻的离开角落在各离开角区间内的概率作为所述第i个路径的子路径在所述未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率。
在某些实施方式中，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的离开角落在各离开角区间内的概率，包括：
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i路径的第L个子路径的离开角可能落在的全部离开角区间；
获取所述全部离开角区间的第s个离开角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
计算所述第s个离开角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第三累加和；
获取所述全部离开角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
计算所述全部离开角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第四累加和；
根据所述第三累加和与所述第四累加和，获取所述第i个路径的第L个子路径在所述当前时刻的离开角落在各离开角区间的概率。
本申请的实施方式提供了一种基站，所述基站包括处理器和存储器，所述存储器存储有一个或多个程序，所述程序被所述处理器执行时实现上述任一实施方式的方法。
本申请的实施方式提供了一种包含计算机可执行指令的非易失性计算机可读存储介质，当所述计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，使得所述处理器执行上述任一实施方式的方法。
上述实施方式的基站和介质，借助毫米波信道在角度域上虚拟信道矩阵的稀疏特性，通过设备旋转的角速度，预测毫米波信道分布，从而进行波束赋形，这样可减小因设备旋转导致的信道变化而需要重新进行信道估计的开销，减少因波束搜索和波束训练来寻找进行通信时的合适的波束的时间开销。
本申请的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实施方式的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请实施方式的方法的流程示意图；
图2是本申请实施方式的方法的另一流程示意图；
图3是本申请实施方式的方法的又一流程示意图；
图4是本申请实施方式的方法的再一流程示意图；
图5是本申请实施方式的方法的再一流程示意图；
图6是本申请实施方式的方法的再一流程示意图；
图7是表示当前时刻的各到达角区间的区间划分示意图；
图8是表示未来时刻的各到达角区间的区间划分示意图；
图9是表示到达角重叠区间的示意图；
图10是表示到达角重叠区间的另一示意图；
图11是本申请实施方式的方法的再一流程示意图；
图12是本申请实施方式的方法的再一流程示意图；
图13是本申请实施方式的当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差的仿真图；
图14是本申请实施方式的方法的再一流程示意图；
图15是本申请实施方式的方法的再一流程示意图；
图16是本申请实施方式的方法的再一流程示意图；
图17是本申请实施方式的当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差的另一仿真图；
图18是本申请实施方式的估计旋转第51个帧的未来时刻的虚拟信道分布的仿真图；
图19是本申请实施方式的估计旋转第101个帧的未来时刻的虚拟信道分布的仿真图；
图20是本申请实施方式的估计旋转第151个帧的未来时刻的虚拟信道分布的仿真图。
具体实施方式
下面详细描述申请的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
参照图1，本申请实施方式提供了一种通过角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的方法、基站及介质。
本申请的实施方式提供的一种通过角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的方法可用于基站。基站用于与用户设备进行无线通信。
方法包括：
步骤1，获取设备旋转的角速度和当前时刻的信道矩阵；
步骤3，根据当前时刻的信道矩阵计算当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差；
步骤5，根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和角速度预测毫米波信道的分布，及
步骤12，通过毫米波信道的分布来进行波束赋形。
上述实施方式的方法，借助毫米波信道在角度域上虚拟信道矩阵的稀疏特性，通过设备旋转的角速度，预测天线在未来一段时间内的空间角度区域划分，来估计未来旋转后的毫米波信道分布，从而进行波束赋形，这样可减小因设备旋转导致的信道变化而需要重新进行信道估计的开销，减少因波束搜索和波束训练来寻找进行通信时的合适的波束的时间开销。
在相关技术中，毫米波通信需要使用的是大规模的天线阵列，而且，毫米波信道的变化速度较快，使得在用户设备旋转的情况下，需要重新进行信道估计，这样极大地增加了时间和资金的成本开销，而且，由此获取的信道状态信息实现的复杂程度高，需要很大的信令反馈的开销，进一步增大了对毫米波通信的信道估计的难度，并且进行波束赋形的情况下，需要对波束进行穷尽搜索，来找到合适的波束，这需要的时间成本也较大，因此，为了能实现毫米波信道分布的估计，以此来进行波束赋形，需要对预测毫米波信道分布的方法进一步地研究和分析。
请参考图1，具体地，通过获取设备旋转的角速度，从而估计角度域上的虚拟信道矩阵在空间角度区域划分的变化，由当前时刻(第1帧)的信道矩阵计算当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，结合角速度，预测毫米波信道的分布特点，此外，根据大数定律，未来时刻(第t帧)的虚拟信道矩阵的各元素，服从均值为零的复高斯分布，由此，可知未来时刻的虚拟信道均值必为零，只需要估计未来时刻虚拟信道的方差来预测毫米波信道分布，如此，通过当前时刻的信道矩阵估计未来时刻的信道矩阵的分布，这样计算估计得到的毫米波信道分布，可以减少大部分的信道估计时间开销，降低预测毫米波信道分布的成本。
需要理解的是，在本实施方式中，研究的毫米波通信主要是考虑下行链路通信，下行链路通信是指信号从基站到移动台的物理信道，也就是说，基站作为发射端，用户设备作为接收端，基站发送数据信号给用户设备的通信过程就是下行链路通信。信道矩阵能反映天线域上各接收天线和发射天线之间信道增益的大小，反映信道状态的好坏。在进行通信的情况下，接收端通过信道估计来获得信道矩阵，才能对信号进行正确的解调，才可以作为进行波束赋形的参考，选择与信道增益最大的最接近的波束方向来进行通信，最接近是指一般选择最接近的波束方向，也可以通过系统设置的预设规则进行选择，以达到较佳的通信效果。
此外，毫米波通信中存在着到达角和离开角，发射端对应着离开角，接收端对应着到达角，设毫米波信道的路径数量为Ncl，每个路径的子路径数量为Nray，假设不同路径的子路径的到达角和离开角可能落在的区间之间是没有重叠的，则第t帧的虚拟信道矩阵的第q行第p列元素
的大小为第t帧落在第q个到达角区间和第p个离开角区间的至多一条路径的全部子路径的增益的和，
其中
为第i个路径的第L个子路径(公式中以小写L来表示)的复增益，服从均值为0，方差为
的复高斯分布，且同一路径内的不同子路径的复增益独立同分布，
和
分别为第i个路径的第L个子路径的到达角和离开角，其分布可以为任意分布，且同一路径内的不同子路径的到达角和离开角分别独立分布，
和
分别为根据空间绝对角度定义的第t帧的到达角区间和离开角区间，
为指示函数。
在某些实施方式中，请参考图2，步骤1包括：
步骤11：基站接收由设备发送的角速度，角速度由设备的陀螺仪检测得到。如此，方便了角速度的获取，并通过设备旋转的角速度，可对未来时刻的信道空间角度区域进行划分，使得能更加准确地预测毫米波信道分布。
具体地，在本实施方式中，发射端天线的位置和角度通常是固定的，也就是说，不发生平移或旋转；而接收端是不发生平移运动，只进行均匀角速度的旋转运动，其旋转的角速度可以通过接收端自带的陀螺仪等相关传感器测量获得，并将测得的角速度反馈给发射端。如此，基站根据设备发送的角速度，结合当前时刻的角度区域，可计算接收端在未来时刻的角度区域。
在某些实施方式中，请参考图3，步骤3包括：
步骤31：根据多个当前时刻的信道矩阵，进行阵列响应矩阵变换，得到多个当前时刻的虚拟信道矩阵；
步骤33：根据多个当前时刻的虚拟信道矩阵获取多个当前时刻的虚拟信道各元素的方差。如此，可计算得当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，通过当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，可进一步地预测毫米波信道的分布。
具体地，毫米波通信需要结合大规模多输入多输出(MIMO)技术，需要利用大规模天线阵列，通过波束赋形技术得到强增益，以抵抗高的路径损耗和信号衰减，不同的天线阵列有着不一样的功能，天线单元之间的摆放位置也影响着阵列接收信号，故基站和用户设备都统一采用半波长均匀线性天线阵列，即天线单元间的距离为半波长，公式为：d＝λ/2，半波长均匀线性天线阵列能使得接收端和发送端的天线都有相同的特性，便于对毫米波信道分布的预测。
多个当前时刻(第1帧)的虚拟信道矩阵，可由多个当前时刻(第1帧)的信道矩阵，通过相应的阵列响应矩阵变换得到。设接收端接收天线数量为NR，发射端发射天线数量为NT，定义接收阵列响应向量和发射阵列响应向量分别为：
根据阵列响应向量，可得到阵列响应矩阵，接收阵列响应矩阵是多个不同角度的接收阵列响应向量(列向量)排成一行构成的矩阵，发射阵列响应矩阵是多个不同角度的发射阵列响应向量(列向量)排成一行构成的矩阵。
即定义接收阵列响应矩阵AR和发射阵列响应矩阵AT，分别为：
接收阵列响应矩阵AR和发射阵列响应矩阵AT均不随时间变化，两者均为离散傅里叶变换矩阵。
第1帧的信道矩阵H1可以通过接收阵列响应矩阵AR和发射阵列响应矩阵AT，分解为第1帧在角度域上的虚拟信道矩阵
公式为：
其中，
为发射阵列响应矩阵AT的复共轭矩阵，
为虚拟信道矩阵
的第q行第p列元素，虚拟信道矩阵
的元素
可以直接反映第q个到达角区间和第p个离开角区间的信道增益。
由此，根据上述公式可知，虚拟信道矩阵
的计算公式为：
通过多个第1帧的信道矩阵进行阵列变换，可得到多个第1帧的虚拟信道矩阵，接着，根据多个第1帧的虚拟信道矩阵各元素，对多个第1帧的虚拟信道矩阵各元素的平方求期望，进而得到第1帧的虚拟信道矩阵各元素的方差，公式为：
如此，通过得到第1帧的虚拟信道矩阵各元素的方差，可获得第1帧的虚拟信道矩阵的各元素的分布，进而可预测第t帧的虚拟信道矩阵各元素的分布，从而进一步地预测毫米波信道的分布。
在某些实施方式中，请参考图4，步骤5，包括：
步骤6：根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和第i个路径的子路径数量，获取第i个路径的各子路径复增益的方差；
步骤7：根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和角速度，获取第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率；
步骤8：根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取第i个路径的子路径在未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率；
步骤9：根据第i个路径的各子路径复增益的方差、第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率、第i个路径的子路径落在未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率和第i个路径的子路径数量，获取未来时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差；
步骤10：根据未来时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差预测毫米波信道的分布。
具体地，第i个路径是指任意i＝1，2，...，N_cl，由第1帧的虚拟信道矩阵各元素的方差和角速度，可得到第t帧的虚拟信道矩阵各元素的方差，从而预测毫米波信道的分布，来进行波束赋形。
根据大数定律，假设各路径的子路径的角度没有重合区域，第t帧的虚拟信道矩阵的各元素
服从均值为0的复高斯分布，令其方差为
即
从步骤3可知，通过当前时刻的信道估计已经获得第1帧的多个当前时刻的虚拟信道矩阵，并通过对第1帧的虚拟信道矩阵的各元素求期望，获得了第1帧的虚拟信道矩阵的各元素的方差，
从第1帧的虚拟信道矩阵的各元素的分布，预测第t帧的虚拟信道矩阵各元素的分布，则对第t帧的虚拟信道矩阵各元素的平方取期望，公式为：
进而，可以得到第t帧的虚拟信道矩阵的各元素方差的计算公式为：
其中，Nray为第i个路径的子路径数量，
为第i个路径的各子路径复增益的方差，
为第i个路径的子路径落在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率，
为第i个路径的子路径落在未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率，未来时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差可为上述四个参数相乘得到，如此，由未来时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差可预测毫米波信道的分布。
此外，由第t帧的虚拟信道矩阵各元素的方差对毫米波信道的分布进行预测，进而进行波束赋形。由于波束赋形一般需要信道矩阵，因为信道矩阵的各元素方差反映的是在空间中不同离开角和到达角方向的信道增益，因此，可由预测得到的未来时刻的虚拟信道矩阵，进行阵列变换得到未来时刻的信道矩阵，未来时刻的信道矩阵可以作为进行波束赋形的参考，也就是说，根据未来时刻的信道矩阵，选择与信道增益最大的方向或最接近的波束方向来进行通信，还可以是系统设置预设规则的方向进行选择，如此，有利于对波束方向的选择，进一步减少因波束搜索和波束训练来寻找进行通信时的合适的波束的时间开销。
在某些实施方式中，请参考图4和图5，步骤6，包括：
步骤61：根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，得到累加和，其中，累加和为第i个路径的子路径可能落在全部角度区间的当前时刻的虚拟信道矩阵中对应的全部元素方差的累加和；
步骤63：根据累加和与第i个路径的子路径数量的比值，获取第i个路径的子路径复增益的方差。
具体地，由当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，通过第i个路径的子路径可能落在的全部角度区间在当前时刻的虚拟信道矩阵中对应的全部元素方差的累加和。此处全部角度区间是指第i个路径的子路径有概率地落到的区间，这些区间中的每一个区间都会用于计算累加和，也就是计算这些区间对应的当前时刻的虚拟信道矩阵中的全部元素方差的累加和，利用累加和与第i个路径的子路径数量作比值，可获得第i个路径的各子路径复增益的方差
公式为：
在某些实施方式中，请参考图4和图6，步骤7，包括：
步骤71：根据角速度，获取到达角重叠区间，其中，到达角重叠区间为第i个路径的子路径在当前时刻的到达角落在与未来时刻的各到达角区间重叠的全部到达角区间；
步骤73：根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取第i个路径的子路径在当前时刻的到达角落在各到达角区间内的概率；
步骤75：根据第i个路径的子路径在当前时刻的到达角落在各角度区间内的概率和到达角重叠区间，获取第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率。如此，通过设备旋转的角速度预测天线在未来一段时间内的空间角度区域划分，来估计未来旋转后的信道分布，减小因设备旋转导致的信道变化而需要重新进行信道估计的开销。
具体地，由角速度，获取到达角重叠区间，到达角重叠区间为第i个路径的子路径在当前时刻的到达角，落在与未来时刻的各到达角区间重叠的全部到达角区间，下面以一个具体实施例，加以说明到达角重叠区间。
图7表示第1帧(当前时刻)的到达角区间的区间划分，第1帧的区间可划分为第1角度区间，第2角度区间，第3角度区间和第4角度区间，第1帧的区间划分用实线表示，图8表示第t帧(未来时刻)的各到达角区间的区间划分，第t帧的区间可划分为第A角度区间，第B角度区间，第C角度区间和第D角度区间，第t帧的区间划分用虚线表示，当第1帧旋转30度到第t帧的情况下，请参考图9，当到达角重叠区间为图9中双向箭头标出的角度区间。
请参考图10，根据到达角重叠区间，和第i个路径的子路径在第1帧的到达角落在各角度区间内的概率，可以获取第i个路径的子路径在第t帧的到达角落在各到达角区间内的概率，比如，当计算第i个路径的子路径在第t帧的第B角度区间的概率，就是计算第1帧的到达角落在第2角度区间的阴影部分角度区域和第3角度区间的阴影部分角度区域，这两个角度区域的概率的加权和。
在某些实施方式中，请参考图4、图6和图11，步骤71，包括：
步骤711：根据角速度和当前时刻的到达角区间，获取设备在未来时刻的各到达角区间的区间划分；
步骤713：根据设备在未来时刻的各到达角区间的区间划分，获取到达角重叠区间。如此，通过设备旋转的角速度和当前时刻的到达角区间，能够获得未来时刻的各到达角区间的区间划分。
具体地，接收端(用户设备)不发生平移运动，只进行匀角速度的旋转运动，未来时刻的各到达角区间的区间划分根据用户设备旋转的角速度和当前时刻的到达角区间进行划分，假设接收端旋转的角速度为ωrad/帧，用户设备在未来时刻的第q个到达角区间
可以表示为：
这里q可代表任意一个到达角区间或各到达角区间。
假设第1帧旋转30度到第t帧，当想获得第1帧哪些角度区间与第t帧45度到90度这个角度区间重叠的话，要找第1帧哪些角度区间包含75度到120度，第1帧角度区间包含有75度到120度的角度区间，就与第t帧45度到90度的角度区间重叠。
在某些实施方式中，请参考图12，步骤73，包括：
步骤731：根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取第i路径的第L个子路径的到达角可能落在的全部到达角区间；
步骤732：获取全部到达角区间的第s个到达角区间在当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
步骤733：计算第s个到达角区间在当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第一累加和；
步骤734：获取全部到达角区间在当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
步骤735：计算全部到达角区间在当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第二累加和；
步骤736：根据第一累加和与第二累加和，获取第i路径的第L个子路径在当前时刻的到达角落在各到达角区间内的概率。
具体地，结合图12，由公式
可知，同一个路径的子路径，叠加得到的虚拟信道矩阵的各元素的方差大小，与该路径的子路径的到达角落在该角度区域内的概率大小成正比关系。因此，可以通过虚拟信道矩阵对应该到达角区间的所有元素方差的累加和，占虚拟信道矩阵对应该路径的子路径的角度对应所有角度区域的元素方差的累加和的比例，来估计该路径的子路径的到达角落在该到达角区间内的概率。第i路径的第L个子路径在第1帧的到达角落在第s个到达角角度区间的概率为该子路径落在第s个到达角角度区间对应的虚拟信道矩阵的元素方差的累加和，与该子路径可能落在的全部角度区间在虚拟信道矩阵中对应的全部元素方差的累加和的比值。
更具体地，由第1帧的虚拟信道矩阵各元素的方差，得到第i路径的第L个子路径的到达角可能落在的全部到达角区间，在计算全部到达角区间的第s个到达角区间的情况下，计算第s个到达角区间在第1帧的虚拟信道矩阵的各元素方差的第一累加和，接着，在计算全部到达角区间的情况下，计算全部到达角区间在第1帧的虚拟信道矩阵的各元素方差的第二累加和，将第一累加和与第二累加和的比值作为第1帧的第i个路径的第L个子路径的到达角，落在第s个到达角角度区间的概率，公式为：
下面以一个具体的实施例加以说明。
图13为第1帧的虚拟信道矩阵各元素的方差，横轴AOD表示离开角的角度区域对应的方差，竖轴AOA表示到达角的角度区域对应的方差，粗框线中为第i个路径的全部子路径到达角对应的所有角度区间，则该路径的子路径落在第7个到达角区间的概率为虚框线中的角度区域对应的方差的第一累加和与粗框线中的角度区域对应的方差的第二累加和的比值。
在某些实施方式中，请参考图4、图6和图14，步骤75，包括：
步骤751：计算第i个路径的子路径在到达角重叠区间的概率的加权和，概率的加权和作为第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率。
具体地，由于子路径的到达角是一个随机变量，有可能落在多个到达角区间中的任何一个角度区间内，所以可估计到达角落在每一个有可能落在的到达角区间的概率，假设任意子路径
的到达角，落在其所在到达角区间内各角度的概率是均匀分布的，则第i个路径的子路径在第t帧的到达角落在第q个到达角区间内的概率，可以通过该子路径落在与第t帧的该到达角区间重叠的第1帧的全部到达角区间概率的加权和来估计，公式为：
其中，计算第t帧的第q个到达角区间的概率时，第1帧的第s个到达角区间的概率的权值，可以为第1帧第s个到达角区间重叠的角度区间的长度，与第t帧的第q个到达角区间的总长度的比值，
通过第1帧的第i路径的子路径到达角落在第s个到达角区间内的概率和第1帧的第s个到达角区间的概率的权值，可得到第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率。
在某些实施方式中，请参考图15，步骤8，包括：
步骤81：根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取第i个路径的子路径在当前时刻的离开角落在各离开角区间内的概率，当前时刻的离开角落在各离开角区间内的概率作为第i个路径的子路径在未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率。
具体地，由第1帧的虚拟信道矩阵各元素的方差，可计算得到第i个路径的子路径在第1帧的离开角落在任一离开角区间内的概率，第1帧的离开角落在任一离开角区间内的概率可作为第i个路径的子路径在第t帧的离开角落在任一离开角区间内的概率，也就是说，第i个路径的任意子路径，在第t帧的离开角落在第p个离开角区间内的概率，与该子路径在第1帧的离开角落在第p个离开角区间内的概率相同，公式为：
在某些实施方式中，请参考图15和图16，步骤81，包括：
步骤811：根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取第i路径的第L个子路径的离开角可能落在的全部离开角区间；
步骤812：获取全部离开角区间的第s个离开角区间在当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
步骤813：计算第s个离开角区间在当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第三累加和；
步骤814：获取全部离开角区间在当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
步骤815：计算全部离开角区间在当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第四累加和；
步骤816：根据第三累加和与第四累加和，获取第i路径的第L个子路径在当前时刻的离开角落在各离开角区间的概率。如此，
具体地，由公式
可知，同一个路径的子路径，叠加得到的虚拟信道矩阵的各元素的方差大小，与该路径的子路径的离开角落在该角度区域内的概率大小成正比关系。因此，可以通过虚拟信道矩阵对应该离开角区间的所有元素方差的累加和，占虚拟信道矩阵对应该路径的子路径的角度对应所有角度区域的元素方差的累加和的比例，来估计该路径的子路径的离开角落在该离开角区间内的概率。第i个路径的第L个子路径在第1帧的离开角落在第p个离开角角度区间的概率为，该子路径落在第p个离开角角度区间对应的虚拟信道矩阵的元素方差的累加和，与该子路径可能落在的全部角度区间在虚拟信道矩阵中对应的全部元素方差的累加和的比值。
更具体地，由第1帧的虚拟信道矩阵各元素的方差，得到第i个路径的第L个子路径的离开角可能落在的全部离开角区间，在计算全部离开角区间的第s个离开角区间的情况下，计算第s个离开角区间在第1帧的虚拟信道矩阵的各元素方差的第三累加和，接着，在计算全部离开角区间的情况下，计算全部离开角区间在第1帧的虚拟信道矩阵的各元素方差的第四累加和，将第三累加和与第四累加和的比值作为第1帧的第i个路径的第L个子路径的离开角，落在第s个离开角角度区间的概率，公式为：
下面以一个具体的实施例加以说明。
图17为第1帧的虚拟信道矩阵各元素的方差，横轴AoD表示离开角的角度区域对应的方差，竖轴AoA表示到达角的角度区域对应的方差，粗框线中为第i个路径的全部子路径离开角对应的所有角度区间，则该路径的子路径落在第14个离开角区间的概率为虚框线中的角度区域对应的方差的第三累加和与粗框线中的角度区域对应的方差的第四累加和的比值。
请参图18至图20，为感知设备旋转的角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的仿真示意图，所采用的信道模型为Saleh-Valenzuela Channel Model，路径的数量为3个，分别为第1路径，第2路径和第3路径，各路径的子路径的数量均相同，每个路径均有20个子路径，路径角度拓展为7.5°，载波频率为60.48GHz，天线种类为半波长均匀线性阵列，发射天线和接收天线数量均为16条，接收端(用户设备)旋转角速度为0.1°/frame，预测未来旋转第51个帧、第101个帧、第151个帧的虚拟信道分布。
通过虚拟信道矩阵各元素的方差的公式，
具体地，估计第51帧的虚拟信道矩阵各元素的方差，请参考图18，图18是估计旋转第51个帧的未来时刻的虚拟信道分布，图18(a)表示第1帧角度域信道矩阵元素分布的实际方差，图(b)和图(c)分别为利用图(a)算得的未来时刻3个路径落在各空间角度区域内的概率和3个路径增益的方差，具体地，在图18(b)表示第51帧3个路径落在各空间角度区域内的概率，在图18(c)表示第51帧3个路径增益的方差，也就是说，
对应图18(b)的第q行第p列，不同空间角度区域
的对应图18(c)，图18(d)为利用上面公式计算得到的未来时刻虚拟信道矩阵各元素的方差，也就是说，图18(d)是估计得到的第51帧虚拟信道矩阵各元素的方差，图18(e)为通过Monte-Carlo方法(现有技术)计算得到的实际的未来时刻虚拟信道矩阵各元素的方差，也就是说，图18(e)是实际的第51帧虚拟信道矩阵各元素的方差。
可以看出，图18中的图18(d)和图18(e)十分接近，说明利用该方法估计得到的虚拟信道矩阵的元素方差较准确。
类似地，估计第101帧和第151帧的虚拟信道矩阵各元素的方差，也同估计第51帧的虚拟信道矩阵各元素的方差一样，图19与图20在这里不进行详细说明。
本申请实施方式提供的一种基站，包括处理器和存储器，存储器存储有一个或多个程序，程序被处理器执行时实现上述任一实施方式的方法。
例如，程序被处理器执行的情况下，实现通过角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的方法的步骤：
步骤1，获取设备旋转的角速度和当前时刻的信道矩阵；
步骤3，根据当前时刻的信道矩阵计算当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差；
步骤5，根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和角速度预测毫米波信道的分布，及
步骤12，通过毫米波信道的分布来进行波束赋形。
本申请的实施方式提供了一种包含计算机可执行指令的非易失性计算机可读存储介质，当计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，使得处理器执行上述任一实施方式的方法。
例如，处理器执行计算机可执行指令的情况下，实现通过角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的方法的步骤：
步骤1，获取设备旋转的角速度和当前时刻的信道矩阵；
步骤3，根据当前时刻的信道矩阵计算当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差；
步骤5，根据当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和角速度预测毫米波信道的分布，及
步骤12，通过毫米波信道的分布来进行波束赋形。
具体地，程序包括计算机程序代码。计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、以及软件分发介质等处理器可以是指计算机包含的处理器。
可以理解的，处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理模块的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。
应当理解，本发明的实施方式的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明的各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。
Claims (13)
1.一种通过角速度预测毫米波信道分布来进行波束赋形的方法，用于基站，其特征在于，所述方法包括：
获取设备旋转的角速度和当前时刻的信道矩阵；根据所述当前时刻的信道矩阵计算当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差；
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和所述角速度预测毫米波信道的分布；及
通过所述毫米波信道的分布来进行波束赋形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取设备旋转的角速度，包括：所述基站接收由所述设备发送的所述角速度，所述角速度由所述设备的陀螺仪检测得到。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述当前时刻的信道矩阵计算当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，包括：
根据多个所述当前时刻的信道矩阵，进行阵列响应矩阵变换，得到多个所述当前时刻的虚拟信道矩阵；
根据多个所述当前时刻的虚拟信道矩阵获取多个所述当前时刻的虚拟信道各元素的方差。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和所述角速度预测毫米波信道的分布，包括：根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和第i个路径的子路径数量，获取所述第i个路径的各子路径复增益的方差；
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和所述角速度，获取所述第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率；
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率；
根据所述第i个路径的各子路径复增益的方差、所述第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率、所述第i个路径的子路径落在未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率和所述第i个路径的子路径数量，获取未来时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差；
根据所述未来时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差预测所述毫米波信道的分布。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和所述第i个路径的子路径数量，获取所述第i个路径的各子路径复增益的方差，包括：
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，得到累加和，其中，所述累加和为所述第i个路径的子路径可能落在全部角度区间的当前时刻的虚拟信道矩阵中对应的全部元素方差的累加和；
根据所述累加和与所述第i个路径的子路径数量的比值，获取所述第i个路径的各子路径复增益的方差。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差和所述角速度，获取所述第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率，包括：
根据所述角速度，获取到达角重叠区间，其中，所述到达角重叠区间为所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的到达角落在与所述未来时刻的各到达角区间重叠的全部到达角区间；
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的到达角落在各到达角区间内的概率；
根据所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的到达角落在各角度区间内的概率和所述到达角重叠区间，获取所述第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述角速度，获取到达角重叠区间，包括：
根据所述角速度和所述当前时刻的到达角区间，获取所述设备在未来时刻的各到达角区间的区间划分；
根据所述设备在未来时刻的各到达角区间的区间划分，获取所述到达角重叠区间。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的到达角落在各到达角区间内的概率，包括：
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的第L个子路径的到达角可能落在的全部到达角区间；
获取所述全部到达角区间的第s个到达角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
计算所述第s个到达角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第一累加和；
获取所述全部到达角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
计算所述全部到达角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第二累加和；
根据所述第一累加和与所述第二累加和，获取所述第i路径的第L个子路径在所述当前时刻的到达角落在各到达角区间内的概率。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据第i个路径的子路径在所述当前时刻的到达角落在各角度区间内的概率和所述到达角重叠区间，获取所述第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率，包括：
计算所述第i个路径的子路径在所述到达角重叠区间的概率的加权和，所述概率的加权和作为第i个路径的子路径在未来时刻的到达角落在各到达角区间内的概率。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率，包括：
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的离开角落在各离开角区间内的概率，所述当前时刻的离开角落在各离开角区间内的概率作为所述第i个路径的子路径在所述未来时刻的离开角落在各离开角区间内的概率。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i个路径的子路径在所述当前时刻的离开角落在各离开角区间内的概率，包括：
根据所述当前时刻的虚拟信道矩阵各元素的方差，获取所述第i路径的第L个子路径的离开角可能落在的全部离开角区间；
获取所述全部离开角区间的第s个离开角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
计算所述第s个离开角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第三累加和；
获取所述全部离开角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差；
计算所述全部离开角区间在所述当前时刻的虚拟信道矩阵的各元素方差的第四累加和；
根据所述第三累加和与所述第四累加和，获取所述第i个路径的第L个子路径在所述当前时刻的离开角落在各离开角区间的概率。
12.一种基站，其特征在于，所述基站包括处理器和存储器，所述存储器存储有一个或多个程序，所述程序被所述处理器执行时实现权利要求1至11任一项所述的方法。
13.一种包含计算机可执行指令的非易失性计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-11任一项所述的方法。
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