CN111200456A - 一种联合自主定位的快速低耗的3d波束赋形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种联合自主定位的快速低耗的3D波束赋形方法，其实现步骤为：1.由自主定位算法得到用户相对于基站的坐标；2.根据基站和用户的坐标计算出基站和用户的相对位置角度；3.根据天线类型、数量和波束数量得到波束全覆盖的第一级码本，融合定位误差设计波束部分覆盖的第二级码本；4.根据基站的离开角和用户到达角在对应码本中搜索，得到每个角度对应的码字，完成波束赋形第一阶段；5.利用融合定位误差的第二级码本在小范围内进行少次波束训练，得到波束赋形最优码字，减少定位误差对波束赋形算法性能的影响。本发明联合自主定位算法完成波束赋形，利用终端位置信息，加快波束训练速度，减小波束训练开销。

Description

一种联合自主定位的快速低耗的3D波束赋形方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种联合自主定位的快速低耗的3D波束赋形方法，可用于5G场景中，在毫米波信道，大规模天线情况下快速低耗的实现波束赋形。

背景技术

在5G场景下，毫米波段的频谱得到了使用，毫米波波长短，但衰减大，可以在终端使用更多的天线，随着阵列天线单元数目的增加，阵列增益也虽然随着干扰的减小而增加，但波束宽度变窄，在发射端和接收机端选择最佳波束对成为了一个新的挑战。波束宽度的减小使波束对准对准变得困难，尤其是当波束对准所需的时间很长时，这可能会影响传输速率。而且，在大规模天线，波束对准开销也是一个问题。因此，需要有效的波束赋形算法来加快波束对准速度，减小通信开销。

现有的波束赋形技术主要有穷举搜算算法、分阶段搜索(IEEE 802.15.3c和IEEE802.11ad)以及分层搜索。

穷举搜索算法是最早的波束对准算法，要对接收端和发射端的码本逐一进行训练得到最优的码字，虽然算法性能好，但随着天线数目和波束数目的增多，这种波束训练方式会造成很大的波束训练开销，因此，在5G毫米波大规模天线系统中不适用。

IEEE 802.15.3c标准采用了准全向、扇区和波束三级搜索策略。在实际搜索中，准全向和扇区被划为同一搜索阶段，叫做扇区搜索。在扇区搜索阶段，发送端有K_t个波束，覆盖了整个360度方向，同样的接收端有K_r个波束。发送端取K_t个波束中的一个波束发射训练信号，接收端遍历K_r个波束接收训练信号，并在接收端计算每一对波束所对应的信噪比。接下来，发送端再取Kr个波束中的另一个来发射信号，接收端依然做同样的处理，直至发送端也遍历完个波束。最后，找出具有最大SNR的波束对，存下这一波束对编号。然后进入到波束搜索阶段，这一阶段发送端和接收端的波束数目分别为 K_t2,K_r2。由于在扇区搜索阶段，算法己经保存下来细化搜索后的扇区编号，接下来波束搜索阶段将继续在这两个扇区间重复扇区搜索阶段的工作，最后便会确定出最优的配对波束编号。

IEEE 802.11ad标准的波束搜索过程包含两个阶段，扇区级搜索阶段(SLS)和多扇区ID检测，在波束训练过程中，发送方和接收方通过波束训练帧进行信息交互，确定彼此间通信所使用的天线模式，波束训练过程结束后，才可以进行有用数据通信。波束训练过程结束后，才可以进行有用数据通信。在SLS阶段，为了找到最优的发射扇区编号，接收端发送扇区扫描帧K_t*K_r次。MIDC阶段包含了MID子阶段和波束组合(BC)阶段，在MID子阶段，同样的需要K_t*K_r次扫描帧的交互，以进一步确定出接收端的扇区波束编号。在BC子阶段，对前面两阶段确定的编号所对应的扇区内所有的具有高分辨力的细波束进行遍历探测，测试所需次数表示为S²，这里S—般是一个比7小的常数值，然后确定出最优的波束对。

现在使用较多的分层搜索，是利用分层码本，逐步缩小搜索范围，最后得到最佳匹配码字。在分层搜索中，关键是用到了分层码本，分层码本的特点是上一级码本的一个波束的覆盖范围刚好是下一级码本中对应的多个波束的覆盖范围，这样可以逐步细化搜索范围，得到最佳匹配波束。现在常用的分层码本有二分码本和三分码本，即上一层的一个波束覆盖范围覆刚好是下一层两个或者三个波束的覆盖范围。分层搜索的搜索次数是2*log2N或3*log3N(N为天线个数)，虽然利用分层搜索的波束赋形算法需要的波束训练次数比上述三种波束赋形算法少，但随着天线数目的增加，波束训练次数也不断增加。

现有的波束搜索算法中，穷举搜索算法性能最好，但在毫米波、大规模天线系统中有搜索次数多，波束训练开销大的问题，分阶段搜索和分层搜索中，虽然对搜索复杂度进行了改进，但在大规模天线系统中训练开销大的问题任然有待解决。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种联合自主定位的快速低耗的3D波束赋形方法，旨在快速、低开销地实现收发端波束对准。

本发明的技术方案是这样实现的：

技术原理

本发明的基本思想是利用收发端的相对位置信息进行波束赋形。

波束赋形包含两个方面：一是设计出各终端的码本，二是在终端码本中找到最佳波束对需要的码字。

在基于位置信息的波束赋形过程中，可以分为三个阶段：

第一阶段中，用自主定位算法得到用户相对于基站的坐标，然后分别计算出基站和用户的到达角和离开角。第二阶段中，分别设计出基站和用户的码本。第三阶段中，用对应的搜索算法分别在基站和用户的码本中搜索与到达角和离开角匹配的码字。

所述第一阶段：在所选择的3D应用场景中，假设基站位置为A(0,0,h)，利用自主定位算法定位出用户位置，得到用户坐标B(x,y,z)；然后计算出基站和用户的离开角和到达角。

所述第二阶段，是根据基站端和用户端选择的天线类型、天线个数和波数数量，分别设计出全覆盖的一级码本；融合角度误差设计出部分覆盖二级码本。

所述第三阶段，用搜索算法在各个码本中搜索出与对应的离开角和到达角相匹配的码字，完成波束赋形的第一阶段；然后遍历二级码本，找到基站和用户的最佳波束对，完成最终波束赋形。

相较于传统波束赋形方法，联合自主定位的快速低耗的3D波束赋形算法，减少了收发端进行波束训练的次数，只需要在码本中找到与对应目标角度匹配的码字，然后进行少次波束训练就可以完成波束赋形，简单易实现，快速完成波束对准；而且在波束赋形第一阶段，不需要信道状态信息，降低了波束训练开销。

二.实现方案

根据上述原理，本发明的技术方案包括如下：

根据自主定位算法得到用户相对于基站的坐标；

计算出基站的离开角和用户的到达角，在3D场景下，离开角和到达角都分解为方位角和俯仰角；

统计定位误差，将最大定位误差转换为相应的角度误差；

根据天线类型、个数和波束数目设计一级码本，融合角度误差设计二级码本；

5)用二分搜索算法在终端的一级码本中搜索与对应角度最匹配的码字，用二级码本进行少次波束训练，得到波束赋形最优码字；

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明在对波束对准过程中，对现有波束赋形算法进行改进，使用自主定位算法得到用户相对于基站的坐标，将该坐标转换为基站和用户的相对角度，在波束赋形第一阶段中，直接在各个码本中找与其对应的目标角度需要的码字，不需要信道状态信息，降低了波束训练开销；

本发明在波束对准过程中，直接用终端的相对角度在码本中搜索匹配码字完成第一阶段的波束赋形，减少两端波束训练次数，加快了波束赋形速度。

本发明在2D场景下同样适用，自主定位算法中用户随机移动两步，可以得到用户相对于基站的2D坐标，波束赋形过程同3D波束赋形。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种联合自主定位的快速低耗的3D波束赋形方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种联合自主定位的快速低耗的3D波束赋形方法波束搜索流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参照图1，一种联合自主定位算法的3D波束赋形，包括以下步骤：

步骤1，根据自主定位算法得到用户相对于基站的坐标(x,y,z)。

1)利用距离测量方法获取基站A和用户B之间的初始相对距离R₀，并记录A的初始位置为A(0,0,h)，B初始位置未知，记为B₀(x₀,,y₀,z)；

2)获取用户B的第一次移动距离l₁和移动方向角β₁；

3)基站A和用户B互通信息，记录第一次移动后的位置为B₁，获取基站A与用户在当前位置B₁之间的相对距离R₁；

4)重复步骤2)，获得用户B第二次移动的移动距离l₂和移动方向角β₂；

5)基站A和用户B互通信息，记录用户第二次移动后的位置为B₂，获取基站A和用户B在当前位置B₂之间的相对距离R₂；

6)计算基站A和用户B在位置A和B₀之间的相对坐标：

6a)根据上述步骤的结果构建如下坐标方程组：

其中，式<1>表示在初始位置，以基站位置A为球心，用户B在位置B₀的可能坐标所在球面方程；式<2>表示用户第一次移动后，以基站A为球心，用户B在位置B₁的可能坐标所在的球面方程；式<3>表示用户第二次移动后，以基站位置A为球心，用户B 在位置B₂的可能坐标所在的球面方程。x_i、y_i、z分别表示用户B每次移动后的坐标(i＝0,1,2)，h为基站的高度，R_i为用户每次移动后基站和用户的距离(i＝0,1,2)。x₁＝x₀+l₁*cosβ₁，y₁＝y₀+l₁*sinβ₁，x₂＝x₁+l₂*cosβ₂，y₂＝y₁+l₂*sinβ₂；

6b)求解坐标方程组，结果为：

其中，

D＝2*(a₂*b₁-a₁*b₂)； a₁＝l₁*cosβ₁；b₁＝l₁*sinβ₁；c＝l₂*cosβ₂；d＝l₂*sinβ₂；a₂＝a₁+c；b₂＝b₁+d；

6c)根据上述得到的解x₀、y₀、z做出对用户B的坐标判断：

由于基站的位置高度肯定高于用户高度，所以

步骤2，计算出基站的离开角和用户的到达角。

在3D场景下，将基站和用户的相对角度分解为方位角和俯仰角，所以分别计算基站离开角的方位角θ_t和俯仰角

以及用户到达角的方位角θ_r和俯仰角

本实例利用坐标角度转换公式计算基站离开角和用户到达角的方位角和俯仰角：

基站俯仰角：

基站方位角：

用户俯仰角：

用户方位角：

步骤3，对自主定位算法进行多次仿真，统计出最大定位误差δ，结合终端的相对距离R，得到定位误差对应的误差角度

步骤4，根据各自的天线类型、个数和波束数目计算出基站和用户需要的码本；

4a)一级码本的计算：本方案选择的天线类型为均匀面阵，为了兼顾波束覆盖范围和搜索开销，波束数目K＝2*M，M为天线数量；

根据阵列天线接收信号模型，基站和用户端的一级码本为：

k＝0…K-1,m＝0…M-1，θ_k的确定是由于均匀面阵产生的波束宽度分布是不均匀的，经观察发现波束宽度分布符合反正弦函数或者反余弦函数的分布，即波束中心角度θ＝cos^-1x；波束的覆盖范围为[-1,1]，所以总覆盖范围是2，在总覆盖范围内生成K个波束，k为波束索引；分别将各自的水平和垂直维度的天线数和波束数以及θ_k带入上述公式，得到第一级垂直维度码本和水平维度码本；

4b)二级码本的设计：完成波束赋形第一阶段会得到一个波束索引，以该波束索引对应的波束角度θ为中心，误差角度

为增量，确定第二阶段波束训练的角度范围

在该范围内产生K′个波束，每个波束对应的码字为

其中：k′为二级波束索引；

所述二级码本产生的波束是部分覆盖的，利用该码本在小范围内进行少次波束训练，得到最优波束赋形码字，减少了定位误差对波束赋形的影响，提高了波束赋形的精度。

步骤5，用二分搜索算法在基站和用户的一级码本中分别搜索与对应角度最匹配的码字，用二级码本进行波束训练，得到最终的波束赋形码字；

本步骤的实现如下：在基站水平码本中搜索与θ_t最匹配的码字，在垂直码本中搜索与

最匹配的码字，将搜索到的两个码字做克罗内克积得到进行波束赋形时基站的最优码字w_t。每一次搜索的具体步骤如下：

5a)在码本设计的过程中，每个码字对应一个波束，即每个码字索引对应一个波束索引；令第一个波束的索引0为二分搜索算法中的左端点left，最后一个波束的索引(K-1)为二分搜索算法中的右端点right，目标角度为θ_t，

5b)用索引的中点mid＝(left+right)/2对应的波束角度与目标角度作比较，如果目标角度的余弦值gol大于mid，则令left＝mid，反之令right＝mid，重新计算中间索引与两端点比较，重复上述步骤，直到在码本找到与目标角度最接近的的角度对应的索引k；

5c)用步骤5b)分别在基站的水平码本和垂直码本中进行搜索，分别找到两个码本中与目标角度对应的波束的索引k_h和k_v，W(k_h+1)即为波束k_h对应的码字，W(k_v+1)即为波束k_v对应的码字，将搜索到的水平码字和垂直码字做克罗内克积，得到波束赋形时基站的码字w_t；

5d)用二分搜索算法在接收端的码本中搜索与到达角匹配的码字；

本步骤以用户到达角为目标角度，在接收端的码本中进行搜索，实现过程同上，重复上述步骤，得到波束赋形时用户的码字w_r。

通过上述步骤，实现了基站和用户波束赋形的第一阶段；

5e)用步骤4)设计的二级码本在基站和用户端进行少次波束训练，完成最后的波束赋形，二级波束训练减少了定位误差对波束赋形的影响，提高了联合自主定位算法的波束赋形的性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种联合自主定位的快速低耗的3D波束赋形方法，其特征在于，包括：

1)根据自主定位算法得到用户相对于基站的坐标；

2)利用基站和用户坐标计算出基站的离开角和用户的到达角；

3)统计定位误差并转换为相应的角度误差；

4)融合角度误差设计二级码本；

5)利用现有的波束全覆盖的一级码本，在无信道状态信息情况下，完成波束赋形第一阶段，利用4)设计的波束部分覆盖的二级码本进行少次波束训练，得到波束赋形最优码字。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤1)中通过自主定位算法得到用户相对于基站的位置坐标方法如下：

1)利用距离测量方法获取基站A和用户B之间的初始相对距离R₀，并记录A的初始位置为A(0,0,h)，B初始位置未知，记为B₀(x_0,,y₀,z)；

2)获取用户B第一次移动距离l₁和移动方向角β₁；

3)基站A和用户B互通信息，记录用户第一次移动后的位置为B₁，获取基站A与用户在当前位置B₁之间的相对距离R₁；

4)重复步骤2)，获得用户B第二次移动的移动距离l₂和移动方向角β₂；

5)基站A和用户B互通信息，记录用户第二次移动后的位置为B₂，获取基站A和用户B在当前位置B₂之间的相对距离R₂；

6)计算基站A和用户B在位置B₀之间的相对坐标：

6a)根据上述步骤的结果构建如下坐标方程组：

其中，式<1>表示在初始位置，以基站位置A为球心，用户B在位置B₀的可能坐标所在球面方程；式<2>表示用户第一次移动后，以基站A为球心，用户B在位置B₁的可能坐标所在的球面方程；式<3>表示用户第二次移动后，以基站位置A为球心，用户B在位置B₂的可能坐标所在的球面方程；x_i、y_i、z分别表示用户B每次移动后的坐标(i＝0,1,2)，h为基站的高度，R_i为用户每次移动后基站和用户的距离(i＝0,1,2)；x₁＝x₀+l₁*cosβ₁，y₁＝y₀+l₁*sinβ₁，x₂＝x₁+l₂*cosβ₂，y₂＝y₁+l₂*sinβ₂；

6b)求解坐标方程组，结果为：

其中，

D＝2*(a₂*b₁-a₁*b₂)；a₁＝l₁*cosβ₁；b₁＝l₁*sinβ₁；c＝l₂*cosβ₂；d＝l₂*sinβ₂；a₂＝a₁+c；b₂＝b₁+d；

6c)根据上述得到的解x₀、y₀、z做出对用户B坐标的判断：

由于基站的位置高度肯定高于用户，所以

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤2)中基站离开角和用户到达角的计算方法如下：基站坐标(0,0,h)；用户坐标(x,y,z)

1)基站俯仰角：

用户俯仰角：

2)基站方位角：

用户方位角：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤3)统计定位误差并转换为相应的角度误差的方法如下：

对自主定位算法进行多次仿真，统计出最大定位误差δ，结合基站和用户的相对距离R，得到最大定位误差对应的误差角度

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤4)中融合角度误差的二级码本设计的步骤如下：

1)在目标角度θ的基础上添加角度误差

二级搜索的角度范围为

2)按精度需求把1)中的角度范围划分为K’个波束，波束索引为0…(K’-1)；

3)根据阵列天线接收信号模型以及天线数量M，波数数量K’以及角度覆盖范围确定出二级码本为

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤5)中利用二分搜索算法，在基站垂直码本中搜索与

最匹配的码字，在水平码本中搜索与θ_t最匹配的码字，将搜索到的两个码字做克罗内克积得到进行波束赋形时基站的最优码字w_t；每一次搜索的具体步骤如下：

1)在码本设计的过程中，每个码字对应一个波束，即每个码字索引对应一个波束索引；令第一个波束的索引0为二分搜索算法中的左端点left，最后一个波束的索引(K-1)为二分搜索算法中的右端点right，目标角度为θ_t，

2)用索引的中点mid＝(left+right)/2对应的波束角度与目标角度作比较，如果目标角度的余弦值gol大于mid，则令left＝mid，反之令right＝mid，重新计算中间索引与两端点比较，重复上述步骤，直到在码本找到与目标角度最接近的角度对应的索引k；

3)用步骤2)分别在基站的水平码本和垂直码本中进行搜索，分别找到两个码本中与目标角度对应的波束的索引k_h和k_v，W(k_h+1)即为波束k_h对应的码字，W(k_v+1)即为波束k_v对应的码字，将搜索到的水平码字和垂直码字做克罗内克积，得到波束赋形时基站的码字w_t；

4)以用户到达角为目标角度，在用户端的码本中进行搜索；实现过程同上，重复上述步骤，得到波束赋形时用户端的码字w_r；

通过上述步骤，实现了基站和用户波束赋形的第一阶段；

5)利用二级码本，在基站和用户端进行少次波束训练，得到波束赋形最优码字。

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