CN111224699B - 一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，包括：计算区域量化后波束对应的空间域；结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型；在理想波束模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；根据计算得到的理想波束预编码矩阵，采用改进的DDL‑GP算法获取适合实际系统的波束预编码方案。本发明基于毫米波大规模阵列天线下的混合波束预编码系统，相比于传统混合波束设计方案能够有效提高通信容量和覆盖效率。

Description

一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法

技术领域

本发明涉及毫米波波束赋形，属于无线通信技术领域，具体而言涉及一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法。

背景技术

无人机是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人飞机,具有低成本、可快速部署、广覆盖等特征，可作为空中基站，为地面用户提供通信服务，为了满足无人机基站对高传输速率的追求，毫米波段凭借着具有巨大的免许可连续带宽，并可实现的吉比特级传输速率，在无人机通信系统中受到研究者的广泛关注。但是，由于毫米波的高频段，会面临较大的路径增益损耗，为了弥补传播损耗这一问题，无人机毫米波通信需要用大规模天线阵列下的波束成形技术来改善链路质量。

波束成形系统分为模拟波束成形系统、数字波束成形系统和混合波束成形系统。其中，模拟波束成形系统有幅度恒定的限制和相位控制分辨率较低的问题，而纯数字系统会拥有较多的元器件的消耗，大大增加了系统的成本，且复杂度较高不利于运用在实际系统中。而混合波束成形系统综合考虑了二者的优缺点，可以在不消耗大量元器件的情况下得到最优的波束效果。在具体求解过程中，首先根据阵元响应和信道特性得到的无限制理想波束预编码矢量，再根据系统中有限的射频链数目得到次优的闭式近似值，从而获得适合实际系统的波束设计方法。

传统的无人机毫米波波束覆盖方法产生的波束较窄，不利于对大范围区域进行覆盖，而部分方法得到的宽波束在区域边缘通信质量恶化，使区域内的通信效果不均匀。因此，有必要研究一种考虑整体覆盖效果的面向无人机基站通信的毫米波波束设计方法。

发明内容

基于前述技术问题，本发明目的在于提供一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，首先提出在空间域上将无人机波束覆盖区域进行分块量化，获得对应波束的阵列响应范围；而后，对量化区域对应的理想波束模型运用逆离散时间傅里叶变换，以获得理想的发射端波束预编码向量；最后，基于理想预编码向量采用改进的DDL-GP算法获得了最优的混合预编码方法。本发明基于毫米波大规模阵列天线下的混合波束预编码系统，相比于传统混合波束设计方案能够有效提高通信容量和覆盖效率。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，所述波束生成方法包括：

S1：计算区域量化后波束对应的空间域；

S2：结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型；

S3：在理想波束模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；

S4：根据计算得到的理想波束预编码矩阵，采用改进的DDL-GP算法获取适合实际系统的波束预编码方案。

进一步的实施例中，步骤S1中，所述计算区域量化后波束对应的空间域的过程包括以下步骤：

S11：考虑一个阵元间距为半波长且发射角为(ψ_ht,ψ_vt)∈[-π/2,π/2)×[-π/2,π/2)的发射波束，计算该波束对应的空间域，方法如下：

(ψ_h,ψ_v)∈[-π,π)×[-π,π)

其中，ψ_h＝2πd_h sinψ_ht cosψ_vt/λ，ψ_v＝2πd_v sinψ_vt/λ，λ是波长，d_h和d_v分别是水平方向和垂直方向上的天线阵元间距，θ_h和θ_v分别是水平方向和垂直方向上的信号发射角；

S12：计算量化的空间域间隔，方法如下：

其中，Z_h和Z_v分别表示水平方向和竖直方向上的量化数目；

S13：计算分块后的空间域范围，方法如下：

其中，Δ_h,m和Δ_v,n分别表示水平域第m个、垂直域第n个子区域的空间域范围。

进一步的实施例中，步骤S2中，所述结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型的过程包括以下步骤：

S21：计算收发两端均采用毫米波平面阵列下的通信信道模型，方法如下：

其中，K为莱斯因子，α_l是满足高斯分布的复信道增益，L表示非直视路径的个数，M_BS和M_MS分别表示发射端与接收端的天线数目，变量ψ_h(v)和θ_h(v)分别表示不同信道的信号发射角和到达角；a_BS(ψ_h,ψ_v)和a_MS(θ_h,θ_v)分别表示发射角和到达角的归一化阵列响应向量；对于M_BS＝M_h×M_v个阵元的均匀平面阵，发射端归一化阵列响应可以表示为：

其中，

表示克罗内克积，对应的阵列响应可表示为：

其中[·]^T表示矩阵的转置变换，ψ_h(v)可由第一步求得，接收端归一化阵列响应可由同样的形式得到；

S22：计算块衰落信道下的接收信号，方法如下：

其中，y表示接收信号，ρ表示发射端信噪比，H表示信道矩阵，s表示传输符号，满足E[|s|²]≤1，其中E[·]表示取均值；n为均值为0，方差为σ²的加性高斯白噪声，c表示混合波束成形系统的波束成形矢量，由模拟波束控制矩阵F_RF和基带波束成形向量v_BB组成；w表示接收端结合向量，与发射端预编码矢量c作用类似，同样可以w分为模拟结合矩阵W_RF和基带结合向量w_BB；[·]^H表示矩阵的共轭转置变换；

S23：将信号传输速率表示为：

其中，

是区域内的理想波束成形矢量，C(ψ_h,ψ_v)是非零增益，由詹森不等式可得C(ψ_h,ψ_v)为常数时，式(a)取等号，即传输速率达最大。

进一步的实施例中，步骤S3中，所述在理想波束模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵的过程包括以下步骤：

S31：对于平面阵列，阵列响应可以表示为：

其中，m_h＝0:M_h-1，m_v＝0:M_v-1。

S32：根据逆离散时间傅里叶变换求得理想预编码向量：

S33：考虑波束覆盖范围U_m,n，使信号速率最佳的理想波束预编矢量为：

其中，

是水平和垂直域上的波束覆盖区域的中心位置，

和

分别是从中心位置到水平边界和垂直边界的宽度。

进一步的实施例中，步骤S4中，所述根据计算得到的理想波束预编码矩阵，采用改进的DDL-GP算法获取适合实际系统的波束预编码方案的过程包括以下步骤：

S41：对模拟波束控制矩阵F_RF与残差向量F_res进行初始化，其中，F_RF＝[]，

S42：建立观测矩阵κ_can：

其中floor[]表示向下取整，mod(·,·)表示取余操作，m＝1,2,...,M_BS；n＝1,2,...,M_BS；

S43：设置射频链的数目M_RF，当i≤M_RF时重复以下步骤S44-S411，直至i＞M_RF时迭代终止，进行步骤S412，其中i是迭代计数变量，每进行一次迭代，计数变量值加1；

S44：计算当前残差与观测矩阵的内积Γ：

S45：将内积进行比较，找出结果中最大值所对应的下标k：

S46：更新模拟波束控制矩阵F_RF：F_RF＝[F_RFκ_can(:,k)]。

S47：计算迭代方向d：

S48：计算当前迭代步长g：

S49：计算此时基带波束成形向量v_BB：v_BB＝[v_BB 0]+gd。

S410：计算残差向量F_res：F_res＝F_res-gF_RFd。

S411：采用下述公式将当前残差向量量化对观测向量进行更新：κ_can(:,k)＝τ(F_res)。

S412：结束迭代后，对基带波束成形向量v_BB进行归一化：

S413：根据最新的F_RF和v_BB得到最终混合波束预编码方案c＝F_RFv_BB。

进一步的实施例中，所述波束生成方法还包括：

S5：将步骤S4中获得的波束预编码方案代入混合波束成形结构中，对该波束预编码方案对毫米波通信波束的覆盖效果进行检测。

本发明针对无人机基站覆盖效果不佳的问题，从混合波束成形系统出发，通过信号发射角/到达角将空间域量化分块，进而运用逆离散傅里叶变换获得理想波束成形矢量，在考虑系统开销和复杂度的情况下，提出了面向实际系统的无人机毫米波波束预编码方法。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

1)能够实现区域内波束的均匀覆盖，2)有效地提高系统通信容量，3)保证较低的复杂度。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法的流程图。

图2是本发明的毫米波阵列混合波束成形系统结构框图。

图3是本发明的目标区域量化示意图。

图4是案例中采用本发明中波束预编码方法后波束方向仿真图。

图5是案例中对获得的大小为40×40的矩阵各点取模，得到的散点图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图2，本案例中发射端与接收端均采用阵元数目为M_BS＝M_MS＝40×40的UPA阵列，载波频率为60GHz毫米波，阵元间距为半波长，传输信道为块衰落信道，莱斯因子为K＝13.5dB，令α₀＝α_l＝1，非视距路径数目为L＝2，发射方向角和波达方向角设置为(ψ_h1,ψ_v1)＝(π/3,π/5)、(ψ_h2,ψ_v2)＝(-π/6,π/12)和(θ_h1,θ_v1)＝(-π/12，π/6)、(θ_h2,θ_v2)＝(π/6，-π/3)。

本实施例包括以下步骤：

第一步，计算区域量化后对应波束的阵列响应区域，具体过程如下：

1.1，对应覆盖区域的空间域为：

(ψ_h,ψ_v)∈[-π,π)×[-π,π)

1.2，分为Z_h×Z_v＝14×14的子块后量化的空间域间隔为：

1.3，分块后的空间域范围为：

1.4，以编号(m,n)为(1,1)的波束为例，其空间域范围为：

图3是本发明的目标区域量化示意图。

第二步、结合阵列响应，计算量化区域波束的理想模型，具体过程如下：2.1，计算发射端40×40个阵元的均匀平面阵归一化阵列响应：

同样，计算接收端归一化阵列响应：

其中，ψ_h(v)和θ_h(v)由1.3已求得。

计算收发两端均采用UPA阵列下的通信信道模型：

第三步、计算理想波束预编码向量，具体过程如下：

3.1，对于平面阵列，阵列响应可以表示为：

其中，m_h＝0:M_h-1，m_v＝0:M_v-1。

3.2，在3.1的条件下，根据逆离散时间傅里叶变换求得理想预编码向量：

3.3，在3.2的情况下，考虑波束覆盖范围U_m,n，根据1.3求得理想波束预编矢量为：

将上式获得的大小为40×40的矩阵各点取模，可得到如图5的散点图。

第四步、得到实际的波束预编码方案c，本案例以射频链数目M_RF＝12为例进行说明，具体方法如下：

4.1，令F_RF＝[·]，F_res＝c^opt。

4.2，建立观测矩阵κ_can：

4.3，根据射频链的数目，当迭代计数变量i≤12时重复以下步骤4.4-4.11，并在每次迭代后，将计数变量值加1，直至i＞12，转入步骤4.12，计数变量值的初始取值可为1。

4.4，计算当前残差与观测矩阵的内积：

4.5，将内积进行比较，找出结果中最大值所对应的下标k：

4.6，更新模拟波束控制矩阵F_RF：F_RF＝[F_RFκ_can(:,k)]。

4.7，计算迭代方向：

4.8，计算当前迭代步长：

4.9，计算此时基带波束成形向量：v_BB＝[v_BB 0]+gd。

4.10，计算残差向量：F_res＝F_res-gF_RFd。

将当前残差向量量化对观测向量进行更新：κ_can(:,k)＝τ(F_res)。

4.12，结束迭代后，对基带波束成形向量进行归一化：

4.13，根据最新的F_RF和v_BB得到最终混合波束预编码方案c＝F_RFv_BB。

第五步、将上述步骤获得的预编码方案代入混合波束成形结构中，观察该方案对毫米波通信波束的覆盖效果。

本实施得到的效果可以通过图4仿真实验中所获得的波束形状进行进一步说明。在图4中，本发明提出的波束预编码方法，在射频链数目增大时，波束形状逐渐趋于理想情况，拥有较高的平均波束增益，在覆盖区域内特别是趋于边缘达到较好的覆盖效果，能为无人机提高稳定的通信效果。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1.一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，其特征在于，所述波束生成方法包括：

S1：计算区域量化后波束对应的空间域；

S2：结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型；

S3：在理想波束模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；具体包括如下子步骤：

S31：对于平面阵列，阵列响应可以表示为：

其中，m_h＝0:M_h-1，m_v＝0:M_v-1；

S32：根据逆离散时间傅里叶变换求得理想预编码向量：

S33：考虑波束覆盖范围U_m,n，使信号速率最佳的理想波束预编矢量为：

其中，

是水平和垂直域上的波束覆盖区域的中心位置，

和

分别是从中心位置到水平边界和垂直边界的宽度；

S4：根据计算得到的理想波束预编码矩阵，采用改进的DDL-GP算法获取适合实际系统的波束预编码方案，具体包括如下子步骤：

S41：对模拟波束控制矩阵F_RF与残差向量F_res进行初始化，其中，F_RF＝[]，

S42：建立观测矩阵κ_can：

其中floor[ ]表示向下取整，mod(·,·)表示取余操作，m＝1,2,...,M_BS；n＝1,2,...,M_BS；

S43：设置射频链的数目M_RF，当i≤M_RF时重复以下步骤S44-S411，直至i>M_RF时迭代终止，转入步骤S412，其中i是迭代计数变量，每进行一次迭代，计数变量值加1；

S44：计算当前残差与观测矩阵的内积Γ：

S45：将内积进行比较，找出结果中最大值所对应的下标k：

S46：更新模拟波束控制矩阵F_RF：F_RF＝[F_RF κ_can(:,k)]；

S47：计算迭代方向d：

S48：计算当前迭代步长g：

S49：计算此时基带波束成形向量v_BB：v_BB＝[v_BB 0]+gd；

S410：计算残差向量F_res：F_res＝F_res-gF_RFd；

S411：采用下述公式将当前残差向量量化对观测向量进行更新：κ_can(:,k)＝τ(F_res)；

S412：结束迭代后，对基带波束成形向量v_BB进行归一化：

S413：根据最新的F_RF和v_BB得到最终混合波束预编码方案c＝F_RFv_BB。

2.根据权利要求1所述的面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，其特征在于，步骤S1中，所述计算区域量化后波束对应的空间域的过程包括以下步骤：

S11：考虑一个阵元间距为半波长且发射角为(ψ_ht,ψ_vt)∈[-π/2,π/2)×[-π/2,π/2)的发射波束，计算该波束对应的空间域，方法如下：

(ψ_h,ψ_v)∈[-π,π)×[-π,π)

其中，ψ_h＝2πd_hsinψ_htcosψ_vt/λ，ψ_v＝2πd_vsinψ_vt/λ，λ是波长，d_h和d_v分别是水平方向和垂直方向上的天线阵元间距，θ_h和θ_v分别是水平方向和垂直方向上的信号发射角；

S12：计算量化的空间域间隔，方法如下：

其中，Z_h和Z_v分别表示水平方向和竖直方向上的量化数目；

S13：计算分块后的空间域范围，方法如下：

其中，Δ_h,m和Δ_v,n分别表示水平域第m个、垂直域第n个子区域的空间域范围。

3.根据权利要求1所述的面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，其特征在于，步骤S2中，所述结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型的过程包括以下步骤：

S21：计算收发两端均采用毫米波平面阵列下的通信信道模型，方法如下：

其中，K为莱斯因子，α_l是满足高斯分布的复信道增益，L表示非直视路径的个数，M_BS和M_MS分别表示发射端与接收端的天线数目，变量ψ_h(v)和θ_h(v)分别表示不同信道的信号发射角和到达角；a_BS(ψ_h,ψ_v)和a_MS(θ_h,θ_v)分别表示发射角和到达角的归一化阵列响应向量；对于M_BS＝M_h×M_v个阵元的均匀平面阵，发射端归一化阵列响应可以表示为：

其中，

表示克罗内克积，对应的阵列响应可表示为：

其中[·]^T表示矩阵的转置变换，ψ_h(v)可由第一步求得，接收端归一化阵列响应可由同样的形式得到；

S22：计算块衰落信道下的接收信号，方法如下：

其中，y表示接收信号，ρ表示发射端信噪比，H表示信道矩阵，s表示传输符号，满足E[|s|²]≤1，其中E[·]表示取均值；n为均值为0，方差为σ²的加性高斯白噪声，c表示混合波束成形系统的波束成形矢量，由模拟波束控制矩阵F_RF和基带波束成形向量v_BB组成；w表示接收端结合向量，与发射端预编码矢量c作用类似，同样可以w分为模拟结合矩阵W_RF和基带结合向量w_BB；[·]^H表示矩阵的共轭转置变换；

S23：将信号传输速率表示为：

其中，

是区域内的理想波束成形矢量，C(ψ_h,ψ_v)是非零增益，由詹森不等式可得C(ψ_h,ψ_v)为常数时，式(a)取等号，即传输速率达最大。

4.根据权利要求1所述的面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，其特征在于，所述波束生成方法还包括：

S5：将步骤S4中获得的波束预编码方案代入混合波束成形结构中，对该波束预编码方案对毫米波通信波束的覆盖效果进行检测。

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