CN112383336A - 一种用于远距离高速飞行物体的波束追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体的说是涉及一种用于远距离高速飞行物体的波束追踪方法。本发明提出了一种基于远距离高速飞行物体下的波束追踪方法，在首次波束对准成功后，通过这一时刻的位置、速度信息来估计下一时刻的位置信息，以减少波束搜索范围，提高波束追踪的成功率。在首次波束对准过程中，本发明采用一种两阶段的波束搜索方法，提高了波束对准的成功率，在首次波束对准成功后，通过获得当前时刻的位置，速度信息来估算下一时刻的位置信息，减小波束追踪的搜索范围，提高波束追踪的成功率。

Description

一种用于远距离高速飞行物体的波束追踪方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种用于远距离高速飞行物体的波束追踪方法。

背景技术

毫米波通信已被公认为是发展中的5G的重要技术之一，由于在毫米波频段(30-300GHz)上有丰富的频谱，毫米波技术有巨大的潜力来实现各种需要数据的移动应用，然而，与传统微波频段相比，毫米波频段的信号传输损耗严重，这是毫米波通信的一个关键挑战。为了弥补这一路径损耗，毫米波通信通常采用大规模天线阵列配合波束成形技术以获得较高功率增益。

现如今地面毫米波技术已经越来越成熟了，但在高空中的毫米波技术仍旧是非常有前景的技术领域，高空中的毫米波技术只需要考虑视距条件下，这是高空应用环境的优点。然而，远距离高速飞行的物体，远距离飞行中，由于毫米波传播路径的损耗非常严重，宽波束的波束增益不能满足传输需求，高速移动下，信道变换较快，也为波束追踪提出了挑战。

波束跟踪算法大体可分为两类，一类算法是直接波束跟踪，通过对波束方向的预测或检测进行跟踪。由于物体运动变化的连续性，波束变化也有一定规律可循。发射端不需要每次都重新进行波束成形，可以根据物体运动状态或者之前时刻的状态信息减少计算复杂度从而具有更高的实时性。波束跟踪通常有两种控制方法：一种是对每个目标用户采用独立的波束进行跟踪；另外一种是从预先设定好的波束集合中选择最契合的波束。

另一类算法是间接波束跟踪，通过对信道信息矩阵的跟踪计算得出波束成形矩阵从而到达波束跟踪的效果。这类算法首先将信道表示成射线跟踪模型，于是信道矩阵可由波达角，离开角和路径复增益三个参数可确定。由于毫米波信道多径效应不明显，散射径不丰富，造成实际通信中可用传输路径很少(也就是常说的空间稀疏性)，于是估计完整的高维度信道矩阵可以简化成对波达角，离开角和路径复增益的估计。

现有的波束追踪方法大多只适应于地面，慢速，近距离的应用场景，随着毫米波应用的逐渐发展，人们把目光投入到了高空，高速，远距离的应用场景。这导致了在波束追踪时，不仅需要考虑平面角的变化，也需要考虑俯仰角的变化。波束追踪技术也由传统的2D平面追踪变为崭新的3D立体追踪，这也为波束追踪技术带来了新的机遇与挑战。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于远距离高速飞行物体下的波束追踪方法，在首次波束对准成功后，通过这一时刻的位置、速度信息来估计下一时刻的位置信息，以减少波束搜索范围，提高波束追踪的成功率。

本发明的技术方案是：一种用于远距离高速飞行物体的波束追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、首次波速对准：对飞行物体进行全方位的波速扫描，通过波束搜索方法获得最优波束：假设得到N个波束，对N个波束进行测量后，选择信噪比最高的波束作为当前时刻的最优波束，进入步骤S2，否则重复步骤S1；

S2、利用获得的当前时刻最优波束，获取飞行物体的位置、速度信息，估算下一时刻飞行物体的位置、速度信息，通过当前时刻与下一时刻飞行物体的信息，获得角度差，通过角度差确定下一时刻的波束追踪范围，并采用如步骤S1所述的波束选择方法选择最优波束进行波束追踪。

本发明总的技术方案，在首次波束对准过程中，由于飞行物体位置信息的未知性，需要进行全方位的波束扫描，在波束扫描后，通过比较不同波束的接收信噪比来确定最佳波束。在首次波束对准的前提下，在下一时刻波束跟踪的过程中，通过已知这一时刻的飞行物体位置信息，飞行速度，来计算下一时刻飞行物体的位置信息，大大降低了搜索的复杂度，提高波束跟踪的成功率。距离与高速是本发明的应用环境的两个最大的特点。远距离飞行中，由于毫米波传播路径的损耗非常严重，宽波束的波束增益不能满足传输需求，所以可采用窄波束进行传输。高速飞行过程中，由于信道变化快速，在相干时间内波束对准也是一个需要去解决的问题

进一步的，所述波束搜索方法具体是采用穷举搜索的方法对N个波束进行比较判断。

穷举搜索是一种最基本的方法，在穷举搜索的过程中，通过比较使用不同码字的接收信号的信噪比来确定最优波束，从而实现波束对准的方法。穷举搜索的过程中，由于实际应用中射频链路的局限性，无法同时实现所有波束的发射与接收，这就导致了穷举搜索的时间花销会很大，可能会出现大于信道相干时间的情况。

进一步的，所述波束搜索方法具体是采用两阶段的波束搜索方法，具体为：

设定系数ε，在第一阶段搜索的总能量为εE_tot,第二阶段搜索的总能量为(1-ε)E_tot，E_tot是总能量；

在第一阶段中，设定门限阈值TH，分配给每个波束的能量为εE_tot/N，即E⁽¹⁾＝εE_tot/N，匹配滤波后输出为

h_l为第l个波束对应的信道，

为高斯噪声，满足

当r_l ⁽¹⁾≥TH时，保留此波束对，否则删除，获得第一阶段的搜索结果，假设有m个波束对被保留了下来，其集合为M；

在第二阶段中，每个波束对分配得到的能量为(1-ε)E_tot/m，匹配滤波后的输出

为高斯噪声，满足

令l_ES＝arg max_l∈M|r_l ⁽²⁾+r_l ⁽¹⁾|，则l_ES为搜索后的最优波束。

本发明提出一种基于两阶段的波束搜索方法，通过给定一个门限阈值，第一次波束扫描使用较少的时间，获取高于门限值的波束集合，删去低于门限值的波束集合，对获取的波束集合进行第二次扫描，比较第二次接收端信号的信噪比，找到最优的波束。实现波束对准

已知这一时刻的位置，飞行角度，飞行速度等信息，估计下一时刻的飞行位置，计算两个时刻的角度差，可以缩小搜索范围，减少波束搜索的开销，提高波束追踪的成功率，因此步骤S2的具体方法为：

根据获得的当前时刻最优波束，假设获得飞行物体的位置信息(x_k,y_k,z_k)，飞行速度v_k，飞行方向α_k,β_k，α_k为平面飞行方向，β_k为俯仰飞行方向，则物体与节点间的平面角与俯仰角分别为θ_k,

令下一次波束跟踪的时间间隔为Δt，估算下一时刻物体的飞行位置为：

其中：

则下一时刻物体的平面角与俯仰角θ_k+1,

表示为：

则获得角度差表示为：

通过角度差，估算下一时刻物体的运动范围，即波束追踪范围。

本发明的工作原理是：

考虑一个点对点的毫米波通信问题，令θ_t、

θ_r、

分别为发端的平面角与俯仰角和收端的平面角与俯仰角。假设在发射端与接收端的天线数分别为N_T、N_R，此时阵列的导向矢量形式为：

其中N_x代表x轴方向天线数目，N_y代表y轴方向天线数目，且满足N_T＝N_xN_y，令

为在发射端覆盖所有离开角的单位波束集合，令

为在接收端覆盖所有到达角的单位波束集合。相应发射端和接收端模拟波束成形矩阵形式为：

因此码本C可由发端波束集合与收端波束集合的笛卡尔积组成，C＝{(w，f)：w∈C_T，f∈C_R}，N＝L_TL_R为码本的大小。

为了便于说明，使用(w_l，f_l)表示第l个波束对。考虑一个频率平坦，快衰落的信道模型，其中在波束对准期间信道是不变的。令

为毫米波信道。在三维平面下，信道模型为：

其中K代表簇的数目，L代表每一簇中散射路径数目，α_k，l为第k簇中第1条路径的复增益。

分别为发射波束的平面角和俯仰角。

分别为接收波束的平面角和俯仰角。

波束对准的目的是在码本C中选取最优波束对，满足l_opt＝arg max_l∈[1：N]|f_l ^HHw_l|²。然而，鉴于并不知道信道H的信息。为了选取最优波束，只能进行波束训练。假设发送导频序列s为长度为n_s，能量为E的信号。在发端波束成形后，经过信道到达接收端，接收端的接收信号y_l＝f_l ^HHw_ls+f_l ^HZ_l，l∈[1：N]，接收端再进行匹配滤波得到信号r_l＝s^Hy_l＝Eh_l+z_l。在对N个波束进行测量后，然后选择信噪比最高的波束l_ES＝arg max_l∈[1：N]|r_l|.若l_ES＝l_opt，则波束对准成功，否则失败。

在本发明中，给定一个波束搜索的时间T，以及传输信号的功率是恒定的。这意味着波束训练的总能量是恒定的E_tot。在穷举搜索中，每一个波束的可能性是相当的，即在搜索中为每一个波束预留的能量为E_tot/N。在高速飞行物体的应用环境下，大部分的波束在不对准时，不能接收到信号。为了提高波束对准的成功率，减少错误概率。本发明提供一种两阶段的搜索方法，第一阶段旨在滤除掉大部分的波束，第二阶段在剩下的波束中进行精确搜索，以确定最优波束，完成波束对准。

如上述所说的波束搜索方法，预先给定一个系数ε，在第一阶段搜索的总能量为εE_tot，第二阶段搜索的总能量为(1-ε)E_tot。在第一阶段中分配给每个波束的能量为εE_tot/N。即E⁽¹⁾＝εE_tot/N。由上述所说的波束搜索方法，在第一阶段的搜索过程中，通过匹配滤波后输出为

给定一个门限阈值TH，当r_l ⁽¹⁾≥TH时，保留此波束对，用于后续第二阶段的波束搜索。当r⁽¹⁾＜TH时，删去该波束对。假设通过第一阶段的搜索，有m个波束对被保留了下来，其集合为M，在第二阶段的搜索中，每个波束对分配得到的能量为(1-ε)E_tot/m，在第二阶段的搜索过程中，通过匹配滤波后的输出

则令l_ES＝arg max_l∈M|r_l ⁽²⁾+r_l ⁽¹⁾|，则l_ES为搜索后的最优波束。

如上述所说的波束搜索方法，在首次波束对准后，可以获得飞行物体的位置信息(x_k，y_k，z_k)，飞行速度v_k，飞行方向α_k，β_k(分别为平面飞行方向与俯仰飞行方向)。此时该物体与节点间的平面角与俯仰角分别为θ_k，

令下一次波束跟踪的时间间隔为Δt，不妨假设在时间间隔内，物体沿直线飞行，下一时刻物体的飞行位置为：

其中：

则下一时刻物体的平面角与俯仰角θ_k+1，

可表示为：

则角度差可表示为：

通过角度差，可以估算下一时刻物体的运动范围，减小波束追踪的范围，提高波束追踪的成功率。

如上述所说的波束追踪方法，在最初的波束搜索过程中，由于远距离波束搜索的局限性，穷举搜索过程中，本发明只能在最高层中进行穷举搜索，已知相邻两时刻的角度差，通过比较角度差与各层码字包括范围的大小关系，找出适合的层数，即为适合搜索的范围，在这一层这个码字与相邻码字所包含的最高层码字中用上述波束搜索方法进行搜索，获得下一时刻的最佳波束，完成波束跟踪。

本发明的有益效果：

在首次波束对准过程中，本发明采用一种两阶段的波束搜索方法，提高了波束对准的成功率，在首次波束对准成功后，通过获得当前时刻的位置，速度信息来估算下一时刻的位置信息，减小波束追踪的搜索范围，提高波束追踪的成功率。

附图说明

图1是本发明使用的分层码本。

图2是实施例1基于远距离高速飞行物体下的波束追踪实施例框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，以便本领域的技术人员能够更好地理解本发明。

在以下描述中，为了方便理解，采用了一些数学符号，N_T代表发送端天线数目，N_R代表接收端天线数目，原本的发送端分层码本结构如图1所示，接收端类似，每个码字长度为N_T，分别代表对应天线的幅度相位。每一层的码字的范围的集合覆盖整个角度域，由于是二分的码本，每一个码字包含2个子码字，它包含的角度范围为子码字的范围之和。发端最高层的码本可表示为：

接收端类似，最高层码本可表示为：

发端与收端的码本经过笛卡尔积，构成该传输过程的码本C，表示为：C＝{(w，f)：w∈C_T，f∈C_R}。码字个数N＝L_TL_R，第l个码字(波束对)表示为(w_l，f_l)，

为传输信道。

用s代表发送的导频信号，s的能量为E。如图2所示，在首次波束对准过程中，所耗费的总能量是恒定的E_tot，为了提高波束对准的成功率，本发明采用两阶段的波束搜索方法，第一阶段用εE_tot的能量进行穷举搜索，第一阶段的接收信号可表示为

接收信号通过匹配滤波器后，输出为：

给定门限阈值TH，当r_l ⁽¹⁾≥TH时，保留此波束对，用于后续第二阶段的波束搜索。当r_l ⁽¹⁾＜TH时，删去该波束对。

第一阶段的搜索，有m个波束对被保留了下来，其集合为M，如图2所示，第二阶段用(1-ε)E_tot的能量对剩余波束进行搜索。在第二阶段的波束搜索过程中，每个波束对分配得到的能量为(1-ε)E_tot/m，在第二阶段的搜索过程中，通过匹配滤波后的输出

则l_ES＝arg max_l∈M|r_l ⁽²⁾+r_l ⁽¹⁾|为最优波束，完成首次波束对准。

如图2所示，在这一刻波束追踪成功的前提下，进行下一时刻的波束追踪，可以获得这一时刻飞行物体的位置信息(x_k，y_k，z_k)，飞行速度v_k，飞行方向α_k，β_k(分别为平面飞行方向与俯仰飞行方向)。此时该物体与节点间的平面角与俯仰角分别为θ_k，

两次波束追踪的时间间隔为Δt，在时间间隔内，物体沿直线飞行，下一时刻物体的飞行位置为：

其中：

则下一时刻物体的平面角与俯仰角θ_k+1，

可表示为：

相邻时间间隔的角度差为：

由于分层码本中，每一层的波束宽度不同，设每层的波束宽度分别为θ_n，

通过比较角度差与每一层的波束宽度，确定下一时刻波束追踪的范围。具体步骤为：当θ_n+1≤Δθ≤θ_n且

时，取min{m，n}层为搜索范围的层数，该波束对在这层的码字以及其相邻的码字所覆盖的角度为搜索范围。进行下一时刻的波束搜索。

确定下一时刻波束跟踪的搜索范围后，如图2所示，进行下一时刻的波束追踪，通过使用上述的两阶段波束搜索方法，完成下一时刻的波束追踪。本次波束追踪的总能量为E_tot，本次搜索范围中的波束集合为K，第一阶段用εE_tot的能量进行穷举搜索，第一阶段的接收信号可表示为

接收信号通过匹配滤波器后，输出为：

给定门限阈值TH，当r_l ⁽¹⁾≥TH时，保留此波束对，用于后续第二阶段的波束搜索。当r_l ⁽¹⁾＜TH时，删去该波束对。第一阶段的搜索，有m^(k)个波束对被保留了下来，其集合为M^k，第二阶段用(1-ε)E_tot的能量对剩余波束进行搜索。在第二阶段的波束搜索过程中，每个波束对分配得到的能量为(1-ε)E_tot/m^(k)，在第二阶段的搜索过程中，通过匹配滤波后的输出

则

为最优波束，完成波束追踪。这次波束搜索范围比初始的波束对准的搜索范围小，每一阶段分配给每个波束的能量更高，波束追踪的成功率更高。

Claims (4)

1.一种用于远距离高速飞行物体的波束追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、首次波速对准：对飞行物体进行全方位的波速扫描，通过波束搜索方法获得对准波束：假设得到N个波束，对N个波束进行测量后，选择信噪比最高的波束作为当前时刻的对准波束，进入步骤S2，否则重复步骤S1；

S2、利用获得的当前时刻对准波束，获取飞行物体的位置、速度信息，估算下一时刻飞行物体的位置、速度信息，通过当前时刻与下一时刻飞行物体的信息，获得角度差，通过角度差确定下一时刻的波束追踪范围，并采用如步骤S1所述的波束选择方法选择对准波束进行波束追踪。

2.根据权利要求1所述的一种用于远距离高速飞行物体的波束追踪方法，其特征在于，所述波束搜索方法具体是采用穷举搜索的方法对N个波束进行比较判断。

3.根据权利要求1所述的一种用于远距离高速飞行物体的波束追踪方法，其特征在于，所述波束搜索方法具体是采用两阶段的波束搜索方法，具体为：

设定系数ε，在第一阶段搜索的总能量为εE_tot,第二阶段搜索的总能量为(1-ε)E_tot，E_tot是总能量；

在第一阶段中，设定门限阈值TH，分配给每个波束的能量为εE_tot/N，即E⁽¹⁾＝εE_tot/N，匹配滤波后输出为

h_l为第l个波束对应的信道，

为高斯噪声，满足

当r_l ⁽¹⁾≥TH时，保留此波束对，否则删除，获得第一阶段的搜索结果，假设有m个波束对被保留了下来，其集合为M；

在第二阶段中，每个波束对分配得到的能量为(1-ε)F_tot/m，匹配滤波后的输出

为高斯噪声，满足

令l_ES＝argmax_l∈M|r_l ⁽²⁾+r_l ⁽¹⁾|，则l_ES为搜索后的最优波束。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于远距离高速飞行物体的波束追踪方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法是：

根据获得的当前时刻最优波束，假设获得飞行物体的位置信息(x_k,y_k,z_k)，飞行速度v_k，飞行方向α_k,β_k，α_k为平面飞行方向，β_k为俯仰飞行方向，则物体与节点间的平面角与俯仰角分别为θ_k,

令下一次波束跟踪的时间间隔为Δt，估算下一时刻物体的飞行位置为：

其中：

则下一时刻物体的平面角与俯仰角θ_k+1,

表示为：

则获得角度差表示为：

通过角度差，估算下一时刻物体的运动范围，即波束追踪范围。

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