CN113507333B

CN113507333B - 波束追踪方法和相关设备

Info

Publication number: CN113507333B
Application number: CN202110695090.0A
Authority: CN
Inventors: 马嫄; 任思雷; 全智
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2041-06-22
Also published as: CN113507333A

Abstract

本申请提供了一种波束追踪方法和相关设备，其中方法包括：根据第n‑1个时隙的模拟波束确定第n个时隙的模拟波束，n为大于或等于3的整数；根据第n个时隙的模拟波束计算第n个时隙的通信速率；若第n个时隙的通信速率与目标通信速率之间的差值不大于第一预设阈值，则确定第n个时隙的模拟波束为目标信干噪比对应的模拟波束；目标通信速率是根据目标信干噪比确定的；或，若n不小于第二预设阈值，则确定目标时隙的模拟波束为目标信干噪比对应的模拟波束，目标时隙为第1个时隙至第n个时隙中通信速率最大的时隙；其中，第1个时隙和第2个时隙的模拟波束以及通信速率是预先设定的。采用本申请，能够降低波束追踪的时延。

Description

波束追踪方法和相关设备

技术领域

本申请涉及通信技术领域，具体涉及一种波束追踪方法和相关设备。

背景技术

毫米波通信在未来的5G建设中是十分具有前景的技术，因为它能带来巨大的可用带宽从而大大提高数据的传输速率，但是毫米波通信仍然存在着许多严重的问题。据相关研究表明，电磁波在自由空间的传播与波长成反比，而毫米波在传播的过程中必然存在巨大的能量损耗。比如，由于大气对毫米波的吸收，频率为60GHz的毫米波的损耗能达到10dB/Km，而频率为700MHz的电磁波的损耗仅仅为0.01dB/Km。因此，毫米波通信会遭受很大的能量损耗；尤其对于移动通信而言，不断变化的移动设备更会导致毫米波信号能量的快速下降。

未来的无线通信服务将会基于多天线、多用户技术来提高通信容量、实现分集、增加多路复用增益。由于毫米波的短波长，因此毫米波通信设备可以在较小的区域内布置大量的天线，利用波束成形技术来实现较高的空间信号增益以补偿毫米波通信的路损。然而多天线的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)系统利用波束成形技术形成的波束较窄，为了实现可靠通信，每个射频链都应该选择合适的模拟波束来确保高质量的通信速率，尤其是在用户不断移动的情况下。因为在毫米波通信系统下，即使是轻微的环境变化或波束错位也会导致显著的信号下降。因此，高效的波束选择与跟踪策略对于保证毫米波移动通信性能十分重要。

传统的穷尽波束搜索会扫描波束空间中所有可能的波束对以实现最佳性能，但是穷尽搜索会耗费大量的时间，带来不可避免的通信延迟。为了解决穷尽搜索中耗时较长的问题，分层搜索的方法被提出。分层搜索先利用宽波束识别最佳的波束方向，然后使用高分辨率波束在此区域中寻找更精确的波束方向。分层搜索能很大程度地加快波束搜索，但是在宽波束的搜索过程中，可能会因为信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)较低而错误地选择区域，并在此错误区域中继续进行更精细的搜索，导致通信性能大大下降。另外，随着通信用户设备的数量的不断增加，对于穷尽搜索和分层搜索而言，寻找最优性能的波束组合都会给实时通信带来不可接受的延时。

发明内容

本申请实施例提供了一种波束追踪方法及相关设备，能够降低波束追踪的时延。

第一方面，本申请实施例提供了一种波束追踪方法，包括：根据第n-1个时隙的模拟波束确定第n个时隙的模拟波束，所述n为大于或等于3的整数；根据所述第n个时隙的模拟波束计算第n个时隙的通信速率；若所述第n个时隙的通信速率与目标通信速率之间的差值不大于第一预设阈值，则确定所述第n个时隙的模拟波束为目标信干噪比对应的模拟波束；所述目标通信速率是根据所述目标信干噪比确定的；或，若所述n不小于第二预设阈值，则确定目标时隙的模拟波束为所述目标信干噪比对应的模拟波束，所述目标时隙为第1个时隙至所述第n个时隙中通信速率最大的时隙；其中，所述第1个时隙和第2个时隙的模拟波束以及通信速率是预先设定的。

在本申请实施例中，根据第n-1个时隙模拟波束来选择第n个时隙的模拟波束，再根据第n个时隙的模拟波束计算第n个时隙的实时的通信速率，并将第n个时隙的实时的通信速率与根据目标信干噪比确定的目标通信速率进行比较，若第n个时隙的实时通信速率与目标通信速率之间的差值不大于第一预设阈值，说明第n个时隙的实时通信速率接近目标通信速率，则可以将第n个时隙的模拟波束作为目标信干噪比对应的模拟波束，在该第n个时隙的模拟波束上进行通信，保证可靠通信；此外，为避免波束追踪次数过多造成时延，还设置波束追踪的最大追踪次数，也即第二预设阈值，若n不小于第二预设阈值，说明波束追踪的次数达到最大追踪次数，则确将第1个时隙至第n个时隙中通信速率最大的时隙的模拟波束作为为目标信干噪比对应的模拟波束，在该第n个时隙的模拟波束上进行通信，保证可靠通信。如此，本申请提供的波束追踪方案，无需穷尽波束搜索，也无需在宽波束搜索，因此能够降低波束追踪的时延。

在一种可能的实现方式中，在所述根据第n-1个时隙的模拟波束确定第n个时隙的模拟波束之前，所述方法还包括：根据所述第n-1个时隙的伪偏导数向量确定所述第n个时隙的伪偏导数向量，所述第n个时隙的伪偏导数向量用于确定所述第n个时隙的模拟波束；若满足以下至少一项，则将所述第n个时隙的伪偏导数向量重置为初始伪偏导数向量，所述初始伪偏导数向量是预先设定的：所述第n个时隙的伪偏导数向量的范数的平方小于或等于第三预设阈值，所述第n-1个时隙的模拟波束的范数的平方小于或等于所述第三预设阈值，所述第n个时隙的伪偏导数向量中的任意一个元素的符号与所述初始伪偏导数向量中对应元素的符号不同；其中，第3个时隙的伪偏导数向量是根据所述初始伪偏导数向量确定的。

在一种可能的实现方式中，所述第n个时隙的伪偏导数向量通过以下公式确定：

其中，

表示所述第n个时隙的伪偏导数向量的估计值，

表示所述第n-1个时隙的伪偏导数向量的估计值，η表示第二步长常量，Δζ(n-1)表示所述第n-1个时隙的模拟波束与第n-2个时隙的模拟波束之间的差，μ表示大于0的第二权重因子，ΔR(n-1)表示所述第n-1个时隙的通信速率与所述第n-2个时隙的通信速率之间的差，上标T表示转置。

在一种可能的实现方式中，所述第n个时隙的模拟波束通过以下公式确定：

其中，ζ(n)表示所述第n个时隙的模拟波束，ζ(n-1)表示所述第n-1个时隙的模拟波束，ρ表示第一步长常量，

表示所述第n个时隙的伪偏导数向量的估计值，λ表示第一权重因子，R^*表示所述目标通信速率，R(n-1)表示所述第n-1个时隙的通信速率。

在一种可能的实现方式中，所述第n个时隙的通信速率通过以下公式计算：

其中，R(n)表示所述第n个时隙的通信速率，Q表示终端的数量，k表示第k个终端，γ_k表示第k个终端的信干噪比；γ_k的表达式如下所示：

其中，P表示上行信号的最大发射功率，N₀表示噪声的功率，

表示矩阵

中第k行第k列的元素，上标H表示共轭转置，

表示第k个终端等效的上行信道向量；

的表达式如下所示：

其中，G表示接收相移矩阵，H_k表示第k个终端的上行信道矩阵，c_k表示第k个终端的模拟波束，所述第n个时隙的模拟波束包含c_k。

第二方面，本申请实施例提供了一种波束追踪装置，包括：确定单元，用于根据第n-1个时隙的模拟波束确定第n个时隙的模拟波束，所述n为大于或等于3的整数；计算单元，用于根据所述第n个时隙的模拟波束计算第n个时隙的通信速率；所述确定单元，还用于若所述第n个时隙的通信速率与目标通信速率之间的差值不大于第一预设阈值，则确定所述第n个时隙的模拟波束为目标信干噪比对应的模拟波束；所述目标通信速率是根据所述目标信干噪比确定的；或，若所述n不小于第二预设阈值，则确定目标时隙的模拟波束为所述目标信干噪比对应的模拟波束，所述目标时隙为第1个时隙至所述第n个时隙中通信速率最大的时隙；其中，所述第1个时隙和第2个时隙的模拟波束以及通信速率是预先设定的。

在一种可能的实现方式中，所述确定单元还用于：在所述根据第n-1个时隙的模拟波束确定第n个时隙的模拟波束之前，根据所述第n-1个时隙的伪偏导数向量确定所述第n个时隙的伪偏导数向量，所述第n个时隙的伪偏导数向量用于确定所述第n个时隙的模拟波束；若满足以下至少一项，则将所述第n个时隙的伪偏导数向量重置为初始伪偏导数向量，所述初始伪偏导数向量是预先设定的：所述第n个时隙的伪偏导数向量的范数的平方小于或等于第三预设阈值，所述第n-1个时隙的模拟波束的范数的平方小于或等于所述第三预设阈值，所述第n个时隙的伪偏导数向量中的任意一个元素的符号与所述初始伪偏导数向量中对应元素的符号不同；其中，第3个时隙的伪偏导数向量是根据所述初始伪偏导数向量确定的。

其中，

表示所述第n个时隙的伪偏导数向量的估计值，

表示矩阵

中第k行第k列的元素，上标H表示共轭转置，

表示第k个终端等效的上行信道向量；

的表达式如下所示：

需要说明的是，第二方面的有益效果请参照第一方面的相关描述。

第三方面，本申请实施例提供了一种网络设备，包括处理器、存储器、通信接口，以及一个或多个程序，上述一个或多个程序被存储在上述存储器中，并且被配置由上述处理器执行，上述程序包括用于执行如上述第一方面中任一项所述的方法中的步骤的指令。

第四方面，本申请实施例提供了一种芯片，其特征在于，包括：处理器，用于从存储器中调用并运行计算机程序，使得安装有上述芯片的设备执行如上述第一方面中任一项上述的方法。

第五方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其存储用于电子数据交换的计算机程序，其中，上述计算机程序使得计算机执行如上述第一方面中任一项所述的方法。

第六方面，本申请实施例提供了一种计算机程序产品，上述计算机程序产品使得计算机执行如上述第一方面中任一项所述的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种通信系统的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种波束追踪方法的流程示意图；

图3是采用本申请技术方案的波束追踪效果图；

图4是本申请实施例提供的一种波束追踪装置的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种网络设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请实施例的技术方案可以应用于各种通信系统，例如：全球移动通信(globalsystem for mobile communications，GSM)系统、码分多址(code division multipleaccess，CDMA)系统、宽带码分多址(wideband code division multiple access，WCDMA)系统、通用分组无线业务(general packet radio service，GPRS)、长期演进(long termevolution，LTE)系统、LTE频分双工(frequency division duplex，FDD)系统、LTE时分双工(time division duplex，TDD)、通用移动通信系统(universal mobiletelecommunication system，UMTS)、全球互联微波接入(worldwide interoperabilityfor microwave access，WiMAX)通信系统、未来的第五代(5th generation，5G)系统或新无线(new radio，NR)等。

本申请实施例中的终端可以指用户设备、接入终端、用户单元、用户站、移动站、移动台、远方站、远程终端、移动设备、用户终端、终端、无线通信设备、用户代理或用户装置。终端还可以是蜂窝电话、无绳电话、会话启动协议(session initiation protocol，SIP)电话、无线本地环路(wireless local loop，WLL)站、个人数字助理(personal digitalassistant，PDA)、具有无线通信功能的手持设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备、中继设备、车载设备、可穿戴设备，未来5G网络中的终端或者未来演进的公用陆地移动通信网络(public land mobile network，PLMN)中的终端等，本申请实施例对此并不限定。

本申请实施例中的网络设备可以是用于与终端通信的设备，该网络设备可以是全球移动通信(global system for mobile communications，GSM)系统或码分多址(codedivision multiple access，CDMA)中的基站(base transceiver station，BTS)，也可以是宽带码分多址(wideband code division multiple access，WCDMA)系统中的基站(NodeB，NB)，还可以是LTE系统中的演进型基站(evoled NodeB，eNB或eNodeB)，还可以是云无线接入网络(cloud radio access network，CRAN)场景下的无线控制器，或者该网络设备可以为中继设备、接入点、车载设备、可穿戴设备以及未来5G网络中的网络设备或者未来演进的PLMN网络中的网络设备，5G系统中的基站的一个或一组(包括多个天线面板)天线面板，或者还可以为构成gNB或传输点的网络节点，如基带单元(baseband unit，BBU)，或分布式单元(distributed unit，DU)等，本申请实施例并不限定。

在一些部署中，gNB可以包括集中式单元(centralized unit，CU)和DU。gNB还可以包括有源天线单元(active antenna unit，AAU)。CU实现gNB的部分功能，DU实现gNB的部分功能。比如，CU负责处理非实时协议和服务，实现无线资源控制(radio resource control，RRC)，分组数据汇聚层协议(packet data convergence protocol，PDCP)层的功能。DU负责处理物理层协议和实时服务，实现无线链路控制(radio link control，RLC)层、媒体接入控制(media access control，MAC)层和物理(physical，PHY)层的功能。AAU实现部分物理层处理功能、射频处理及有源天线的相关功能。由于RRC层的信息最终会变成PHY层的信息，或者，由PHY层的信息转变而来，因而，在这种架构下，高层信令，如RRC层信令，也可以认为是由DU发送的，或者，由DU+AAU发送的。可以理解的是，网络设备可以为包括CU节点、DU节点、AAU节点中一项或多项的设备。此外，可以将CU划分为接入网(radio access network，RAN)中的网络设备，也可以将CU划分为核心网(core network，CN)中的网络设备，本申请对此不做限定。

在本申请实施例中，终端或网络设备包括硬件层、运行在硬件层之上的操作系统层，以及运行在操作系统层上的应用层。该硬件层包括中央处理器(central processingunit，CPU)、内存管理单元(memory management unit，MMU)和内存(也称为主存)等硬件。该操作系统可以是任意一种或多种通过进程(process)实现业务处理的计算机操作系统，例如，Linux操作系统、Unix操作系统、Android操作系统、iOS操作系统或windows操作系统等。该应用层包含浏览器、通讯录、文字处理软件、即时通信软件等应用。并且，本申请实施例并未对本申请实施例提供的方法的执行主体的具体结构特别限定，只要能够通过运行记录有本申请实施例的提供的方法的代码的程序，以根据本申请实施例提供的方法进行通信即可，例如，本申请实施例提供的方法的执行主体可以是终端，或者，是终端中能够调用程序并执行程序的功能模块。

另外，本申请的各个方面或特征可以实现成方法、装置或使用标准编程和/或工程技术的制品。本申请中使用的术语“制品”涵盖可从任何计算机可读器件、载体或介质访问的计算机程序。例如，计算机可读介质可以包括，但不限于：磁存储器件(例如，硬盘、软盘或磁带等)，光盘(例如，压缩盘(compact disc，CD)、数字通用盘(digital versatile disc，DVD)等)，智能卡和闪存器件(例如，可擦写可编程只读存储器(erasable programmableread-only memory，EPROM)、卡、棒或钥匙驱动器等)。另外，本文描述的各种存储介质可代表用于存储信息的一个或多个设备和/或其它机器可读介质。术语“机器可读介质”可包括但不限于，无线信道和能够存储、包含和/或承载指令和/或数据的各种其它介质。

图1是本申请实施例提供的一种通信系统的示意图。图1中的通信系统可以包括至少一个终端(例如终端1、终端2)和网络设备。网络设备用于为终端提供通信服务并接入核心网，终端可以通过搜索网络设备发送的同步信号、广播信号等接入网络，从而进行与网络的通信。终端可以接收来自网络设备的配置信息或者系统信息等。应理解的是，该通信系统中包括的网络设备可以是一个或多个。一个网络设备可以向一个或多个终端发送数据或控制信令。多个网络设备也可以同时向一个或多个终端发送数据或控制信令。

下面结合具体实施方式对本申请提供的技术方案进行详细的介绍。

为了解决现有移动毫米波多输入多输出通信系统中上行混合波束成形的模拟波束搜索时间过长、无法建立可靠通信连接的问题，本申请提出了一种自适应数据驱动的波束跟踪方案来快速地建立可靠通信连接。在保证多用户(也即多终端)上行通信的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)的基础上，该方案仅仅依赖于实时测量的数据，没有显式或隐式地使用模型假设或者先验信息，通过基于伪偏导数(Pseudo-Partial-Derivative，PPD)的时变参数建立局部动态线性化模型，并通过多次迭代最小化跟踪误差来搜索最佳波束方向，以保证移动毫米波多输入多输出系统中多用户的通信质量。

请参阅图2，图2是本申请实施例提供的一种波束追踪方法的流程示意图，该方法可应用于图1所示的通信系统，例如图1所示的网络设备，该方法包括但不限于如下步骤：

201、根据第n-1个时隙的模拟波束确定第n个时隙的模拟波束，所述n为大于或等于3的整数。

其中，

表示所述第n个时隙的伪偏导数向量的估计值，

表示所述第n-1个时隙的伪偏导数向量的估计值，η表示第二步长常量，Δζ(n-1)表示所述第n-1个时隙的模拟波束与第n-2个时隙的模拟波束之间的差，μ表示大于0的第二权重因子，ΔR(n-1)表示所述第n-1个时隙的通信速率与所述第n-2个时隙的通信速率之间的差，上标T表示转置。需要说明的是，本申请中，“|| ||₂”表示二阶范数，也可以简写为“|| ||”。

作为一种示例，公式(1)和公式(2)可以通过以下方式得到：

在第n个时隙，上行通信速率R(n)与其选择的模拟波束ζ(n)的关系可由以下一般的离散时间系统描述：

R(n)＝f(R(n-1),…,R(n-n_p),ζ(n),…,ζ(n-n_s)) (3)#

在公式(3)中，R(n)表示在第n个时隙的通信速率(也即上行通信速率)，n_p和n_s是未知的阶数，f(·)代表未知的非线性系统；ζ(n)表示第n个时隙的模拟波束，也即在第n个时隙在候选码本集中选择的模拟波束。

非线性系统的动态线性化基于以下两个假设：

假设1：非线性系统f(·)对ζ(n)的偏导数是连续的。

假设2：非线性系统(3)，也即公式(3)满足利普希茨连续条件，即满足公式(4)。

|ΔR(n)|≤c||Δζ(n)||₂(4)#

在公式(4)中，c为小的正数常量。

对于任意的n，均有：

ΔR(n)＝R(n)-R(n-1) (5)

Δζ(n)＝ζ(n)-ζ(n-1),Δζ(n)≠0 (6)

考虑到非线性系统(3)以及假设1和假设2，对于所有的时隙n，都存在一个伪偏导数向量(PPD vector)ξ(n)，使得公式(3)转化为以下等效模型：

ΔR(n)＝ξ^T(n)Δζ(n) (7)

在公式(7)中，上标T表示转置，||ξ(n)||₂≤c。

为了估计伪偏导数向量ξ(n)，定义了如下的准则函数：

在公式(8)中，μ>0，表示第二权重因子；

为ξ(n)的估计值；

表示准则函数。

求解如下的最优条件：

可以求得：

在公式(1)中，η为第二步长常量。

为了准确地跟踪迭代变化参数ξ(n)，并确保Δζ(n)≠0，使用以下复位方案：若第n个时隙的伪偏导数向量的范数的平方小于或等于第三预设阈值，或第n-1个时隙的模拟波束的范数的平方小于或等于第三预设阈值，或第n个时隙的伪偏导数向量中的任意一个元素的符号与初始伪偏导数向量中对应元素的符号不同，则则将第n个时隙的伪偏导数向量重置为初始伪偏导数向量，初始伪偏导数向量是预先设定的。也可以描述为为如下所示：

如果

或

或

则

其中，

是一个向量，

表示

中的第i个元素，ξ(0)为初始伪偏导数向量；σ是一个小的正数常量，也即第三阈值，当||Δζ(n-1)||₂或者

过小的时候用来重置

该重置方案能增强数据驱动估计算法的跟踪能力。

为了选择合适的模拟波束达到目标通信速率R^*以实现可靠通信，考虑以下准则函数：

在公式(10)中，J(ζ(n))表示准则函数，λ为第一权重因子。

重写公式(7)，则有：

在公式(11)中，

为ξ(n)的估计值。

求解如下最优条件：

可以求得公式(2)：

在公式(2)中，ρ为第一步长常量。

202、根据所述第n个时隙的模拟波束计算第n个时隙的通信速率。

表示矩阵

中第k行第k列的元素，上标H表示共轭转置，

表示第k个终端等效的上行信道向量；

的表达式如下所示：

作为一种示例，公式(13)至公式(15)可以通过以下方式得到：

对于毫米波多输入多输出系统，其在网络设备侧，例如基站(Base Station，BS)侧，具有N_BS个天线，以及N_RF个射频链，而每个射频链有M个天线，故存在以下关系：N_BS＝N_RF×M；其在终端侧，例如用户终端侧的移动用户终端数(也即终端数)为Q，每个终端有N_MS个天线，此处令终端数目等于射频链的数目(此为把各个终端的信号分离开的基本条件)，即N_RF＝Q。在移动毫米波多输入多输出通信系统中，利用波束成形技术可形成窄波束以实现较高的空间信号增益。由于毫米波多输入多输出系统波束较窄，为了实现可靠通信，上行混合波束成形中基站端的每个射频链与各个终端都应该选择合适的模拟波束来确保高质量的通信速率。定义在第n个时隙，基站端的每个射频链的模拟波束g_l(其中

)与各个终端的模拟波束c_k(其中k＝1,2,...,Q)组成的集合为向量ζ(n)，则第k个终端通过一个模拟波束向基站端发射的上行信号x_k可以表示为：

x_k＝c_ks_k #(16)

在公式(16)中，s_k为第k个终端的数据符号；c_k表示第k个终端选择的模拟波束，

也即表示c_k的向量大小为N_MS行1列。需要说明的是，本申请中，

为基站的模拟接收波束，c_k为终端的模拟发射波束。

对于每一个终端来说，上行信号的最大发射功率为P，即

因此，在基站的天线端接收到的数据流y_x可以表示为：

在公式(17)中，H_k表示第k个终端的上行信道矩阵，

也即表示矩阵H_k的大小为N_BS行N_MS列；x_k表示第k个终端通过一个模拟波束向基站端发射的上行信号；n₀表示复加性高斯白噪声，其协方差矩阵满足

N₀表示噪声的功率，

表示矩阵大小为N_BS×N_BS的单位矩阵；

也即表示向量n₀的大小为N_BS行1列。

在基站端，第

个射频链的接收相移向量表示为

(其中

)，也即第

个射频链的接收相移向量即为第

个射频链的模拟波束

也即表示向量

的大小为M行1列，因此，整个基站端的接收相移矩阵G可以表示为：

在公式(18)中，

也即表示矩阵G的大小为N_RF行N_BS列。

基站端接收到的信号要经过相移矩阵和数字波束成形之后才能把多终端的信号分开。公式(17)是未经过相移矩阵和数字波束成形接收到的信号，公式(19)是经过了相移矩阵后接收到的信号，同理公式(21)是经过了数字波束成形后接收到的信号。

经过了相移矩阵后，基站端接收的信号

可表示为：

在公式(19)中，G表示接收相移矩阵，n₀表示复加性高斯白噪声，

为第k个终端等效的上行信道向量，

s＝[s₁,s₂,…,s_k,…,s_Q]^T；其中，

表示“定义为”，也即

为了消除终端间的影响，数字波束成形采用迫零算法进行设计，如公式(20)所示：

在公式(20)中，上标H表示共轭转置，

因此，经过数字波束成形后，基站端接收的信号

可以表示为：

在公式(21)中，

表示相移矩阵后基站端接收的信号，s＝[s₁,s₂,…,s_k,…,s_Q]^T，

G表示接收相移矩阵，n₀表示复加性高斯白噪声。

其中，对于毫米波信道采用有L个有限散射路径的几何信道模型，故第k个终端的上行信道矩阵H_k可以表示为：

在公式(22)中，N_BS表示基站的天线数量；N_MS表示每个终端的天线数量；路径增益

路损

其中D_k表示第k个终端与基站之间的距离，且D_k服从[10,15]的均匀分布，β表示路损指数，本示例中β＝3.76；

和

分别表示第k个终端和基站端的阵列响应向量。

本示例中采用均匀线性阵列，因此

和

可以分别表示为：

在公式(23)和(24)中，N_BS表示基站的天线数量；N_MS表示每个终端的天线数量；d表示两个相邻阵元天线的距离，λ为信号的波长，本示例中满足d＝λ/2的关系；j²＝-1；

表示接收角AoAs，

表示发射角AoDs，发射角AoDs与接收角AoAs服从[-π/2,π/2]的均匀分布。

其中，各终端的模拟波束c_k可从终端的候选模拟码本集F中选择，该候选模拟码本集F是由均匀覆盖空间的|F|个模拟发射光束组成，其可以表示为：

F＝{c¹,c²,...,c^m,...,c^|F|}(25)

公式(25)中的码本c^m(m＝1，2，…，|F|)可表示为：

在公式(26)中，N_MS表示每个终端的天线数量，j²＝-1，

另外，在基站端的每个射频链

(其中

)可从基站端的候选模拟码本集

中选择，其可以表示为：

因此在第n个时隙，基于从基站端的候选模拟码本集

中选择的模拟波束ζ(n)，ζ(n)即基站端的各个射频链

(其中

)与各个终端的模拟波束c_k(其中k＝1,2,...,Q)组成的集合，则多输入多输出上行系统的通信速率R(n)可以表示为：

公式(13)中，γ_k表示第k个终端的信干噪比，其可以表示为：

公式(14)中，P表示上行信号的最大发射功率；下标kk表示矩阵的第k行第k列的元素，即对角线线上的元素。

203、若所述第n个时隙的通信速率与目标通信速率之间的差值不大于第一预设阈值，则确定所述第n个时隙的模拟波束为目标信干噪比对应的模拟波束；所述目标通信速率是根据所述目标信干噪比确定的；或，若所述n不小于第二预设阈值，则确定目标时隙的模拟波束为所述目标信干噪比对应的模拟波束，所述目标时隙为第1个时隙至所述第n个时隙中通信速率最大的时隙；其中，所述第1个时隙和第2个时隙的模拟波束以及通信速率是预先设定的。

具体地，本申请提出基于数据驱动的自适应波束跟踪方法来寻找移动毫米波MIMO通信系统中上行混合波束成形的候选模拟波束，从而在保证多终端上行通信的信干噪比的基础上，快速实现基站与多个移动终端之间的可靠通信。通过目标信干噪比可以计算目标通信速率R^*，基站端从而可基于实时测量的通信速率R与目标通信速率R^*来决定终止或者继续训练过程，具体遵循以下准则：

1)如果实时测量的通信速率R与目标通信速率R^*之间接近(例如R与R^*之间的差值小于第一预设阈值∈或者R≥R^*)，基站端终止训练过程；否则，继续训练迭代过程，基站端与多个终端继续在剩下的波束组合中寻找合适的模拟波束组合。也即，当迭代过程的某次训练完成后，若实时测量的通信速率R大于或等于目标通信速率R^*，则本次训练选择的模拟波束即为在目标信干噪比的基础上，使得基站与多个移动终端之间的可靠通信的模拟波束；否则，继续迭代。

2)如果可达到的最大通信速率小于目标通信速率R^*，则选择在训练迭代过程中通信速率最大的模拟波束。也即，可能存在无论迭代多少次，均无法使得实时测量的通信速率R与目标通信速率R^*之间接近，但是为避免迭代次数过多造成时延，所以设置了一个最大的迭代次数，也即设置第二阈值n_max，当n≮n_max时，即停止迭代，将第1个时隙至第n个时隙中对应测量的通信速率最大的时隙对应的模拟波束，作为在目标信干噪比的基础上，使得基站与多个移动终端之间的可靠通信的模拟波束。

前述图2所描述的(数据驱动的)波束追踪方案的主要步骤可以总结如下：

一、初始设置：

1)预设测量数据集：对所选择的模拟波束码本集合Γ进行预先设定，令Γ＝[ζ(1),ζ(2)]，也即第1个时隙所选择的模拟波束为ζ(1)，第2个时隙所选择的模拟波束为ζ(2)；对通信速率集合R进行预先设定，令R＝[R(1),R(2)]，也即第1个时隙的通信速率为R(1)，第2个时隙的通信速率为R(2)。

2)预设目标通信速率R^*。

3)预设跟踪误差，也即第一阈值为∈。

4)预设小的正数常量，也即第三阈值为σ。

5)预设最大迭代次数，也即第二阈值为n_max。

7)预设初始参数：初始伪偏导数向量ξ(0)，第二步长常量η，第一步长常量ρ，第二权重因子μ，第一权重因子λ。

二、迭代流程：

8)当n＝3时，存在

根据公式(1)计算第3个时隙的伪偏导数向量的估计值

也即，根据n＝1和n＝2的模拟波束、通信速率来确定n＝3第三个时隙的伪偏导数向量

为初始伪偏导数向量ξ(0)。

9)当n＞3且n<n_max时，根据公式(1)计算第n个时隙的伪偏导数向量的估计值

10)如果

或||Δζ(n-1)||²≤σ或

则重置第n个时隙的伪偏导数向量的估计值

令

否则，不重置第n个时隙的伪偏导数向量的估计值

11)根据公式(2)计算第n个时隙所选择的模拟波束ζ(n)。

12)通过第n个时隙所选择的模拟波束ζ(n)，根据公式(13)计算第n个时隙的上行通信速率R(n)。

13)更新通信速率集合R，也即令R＝[R,R(n)]。

14)更新所选择的模拟波束码本集合Γ，也即令Γ＝[Γ,ζ(n)]。

15)如果上行通信速率R(n)满足|R(n)-R^*|≤∈或者n满足n>n_max，则停止迭代流程；否则，重复第9)步至第14)步。

16)当触发迭代停止为R(n)满足|R(n)-R^*|≤∈时，返回ζ(n)；当触发迭代停止n满足n>n_max时，返回通信速率集合R中最大元素对应的模拟波束。

请参阅图3，图3是采用图2所描述的波束追踪方案进行波束追踪的效果示意图。如图3所示，设置N_MS＝M＝8，N_RF＝Q＝2，目标信干噪比为20dB。图3分析了在不同的信道变化速度下本申请所提供的技术方案的跟踪过程：在初始接入时，即由于环境突变导致主路径消失或出现，需要选择波束来为初始接入建立可靠的链路连接；由于噪声等其他因素的环境干扰，现有主路径的AoDs/AoAs会因噪声而变化，角度变化为

其中

图3分析了在不同的信道变化速度下本申请所提供的技术方案的跟踪性能，当

时，角度的平均偏移量为

假设每个时隙持续0.1ms，则角度变化速度为7964°/s，这相当于角度变化速度每秒旋转超过22圈。如图3所示，在不同的信道变化速度下，本申请所提供的技术方案能够快速地达到目标信干噪比以实现可靠通信，并且随着角度变化速度的增加，需要更多的测量。

本申请技术方案对于不同目标信干噪比的平均测量次数如表1所示；本申请技术方案与现有技术的比较如表2和表3所示。

表1本申请技术方案对于不同目标信干噪比的平均测量次数

在表1中，比较了在不同目标信干噪比的限制下，采用本申请技术方案需要的测量次数；可以看出，随着目标信干噪比的增加，本申请技术方案需要越来越多的测量次数来达到目标信干噪比。

表2当目标信干噪比为15dB、不同搜索方法在不同码本数的情况下的平均测量次数

\|F\|	穷尽搜索	分层搜索	本申请技术方案
				4	256	16	3.77
8	4096	81	6.46
				16	25536	256	10.60

在表2中，本申请技术方案与穷尽搜索和分层搜索方案对于同一目标信干噪比为15dB的搜索次数对比；表2中的结果展示了在采用不同大小的码本集的情况下，本申请技术方案相比于穷尽搜索、分层搜索方案，采用更少的测量次数，更快地达到目标信干噪比。

表3增加终端数不同方法的搜索次数的对比

在表3中，比较了不同终端数量的情况下，本申请技术方案与穷尽搜索、分层搜索方案对于同一目标信干噪比的搜索次数对比；可以看出，随着终端数量的增多，本申请技术方案相比于穷尽搜索以及分层搜索，能大大地减少波束跟踪的测量次数。

上述详细阐述了本申请实施例的方法，下面提供了本申请实施例的装置。

请参见图4，图4是本申请实施例提供的一种波束追踪装置400的结构示意图，应用于网络设备，该估计装置400可以包括确定单元401和计算单元402，其中，各个单元的详细描述如下：

确定单元401，用于根据第n-1个时隙的模拟波束确定第n个时隙的模拟波束，所述n为大于或等于3的整数；

计算单元402，用于根据所述第n个时隙的模拟波束计算第n个时隙的通信速率；

所述确定单元403，还用于若所述第n个时隙的通信速率与目标通信速率之间的差值不大于第一预设阈值，则确定所述第n个时隙的模拟波束为目标信干噪比对应的模拟波束；所述目标通信速率是根据所述目标信干噪比确定的；或，若所述n不小于第二预设阈值，则确定目标时隙的模拟波束为所述目标信干噪比对应的模拟波束，所述目标时隙为第1个时隙至所述第n个时隙中通信速率最大的时隙；其中，所述第1个时隙和第2个时隙的模拟波束以及通信速率是预先设定的。

在一种可能的实现方式中，所述确定单元401还用于：在所述根据第n-1个时隙的模拟波束确定第n个时隙的模拟波束之前，根据所述第n-1个时隙的伪偏导数向量确定所述第n个时隙的伪偏导数向量，所述第n个时隙的伪偏导数向量用于确定所述第n个时隙的模拟波束；若满足以下至少一项，则将所述第n个时隙的伪偏导数向量重置为初始伪偏导数向量，所述初始伪偏导数向量是预先设定的：所述第n个时隙的伪偏导数向量的范数的平方小于或等于第三预设阈值，所述第n-1个时隙的模拟波束的范数的平方小于或等于所述第三预设阈值，所述第n个时隙的伪偏导数向量中的任意一个元素的符号与所述初始伪偏导数向量中对应元素的符号不同；其中，第3个时隙的伪偏导数向量是根据所述初始伪偏导数向量确定的。

其中，

表示所述第n个时隙的伪偏导数向量的估计值，

表示矩阵

中第k行第k列的元素，上标H表示共轭转置，

表示第k个终端等效的上行信道向量；

的表达式如下所示：

需要说明的是，各个单元的实现还可以对应参照图2所示的实施例的相应描述。当然，本申请实施例提供的波束追踪装置400包括但不限于上述单元模块，例如：该波束追踪装置400还可以包括存储单元403，存储单元403可以用于存储该波束追踪装置400的程序代码和数据。图4所描述的波束追踪装置400带来的有益效果可参照前述实施例的描述，此处不在重复描述。

请参见图5，图5是本申请实施例提供的一种网络设备510的结构示意图，该网络设备510包括处理器511、存储器512和通信接口513，上述处理器511、存储器512和通信接口513通过总线514相互连接。

存储器512包括但不限于是随机存储记忆体(random access memory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmableread only memory，EPROM)、或便携式只读存储器(compact disc read-only memory，CD-ROM)，该存储器512用于相关计算机程序及数据。通信接口513用于接收和发送数据。

处理器511可以是一个或多个中央处理器(central processing unit，CPU)，在处理器511是一个CPU的情况下，该CPU可以是单核CPU，也可以是多核CPU。

该网络设备510中的处理器511用于读取上述存储器512中存储的计算机程序代码，执行以下操作：根据第n-1个时隙的模拟波束确定第n个时隙的模拟波束，所述n为大于或等于3的整数；根据所述第n个时隙的模拟波束计算第n个时隙的通信速率；若所述第n个时隙的通信速率与目标通信速率之间的差值不大于第一预设阈值，则确定所述第n个时隙的模拟波束为目标信干噪比对应的模拟波束；所述目标通信速率是根据所述目标信干噪比确定的；或，若所述n不小于第二预设阈值，则确定目标时隙的模拟波束为所述目标信干噪比对应的模拟波束，所述目标时隙为第1个时隙至所述第n个时隙中通信速率最大的时隙；其中，所述第1个时隙和第2个时隙的模拟波束以及通信速率是预先设定的。

需要说明的是，各个操作的实现还可以对应参照图2所示的实施例的相应描述。图5所描述的网络设备510带来的有益效果可参照前述实施例的描述，此处不在重复描述。

本申请实施例还提供一种芯片，上述芯片包括至少一个处理器，存储器和接口电路，上述存储器、上述收发器和上述至少一个处理器通过线路互联，上述至少一个存储器中存储有计算机程序；上述计算机程序被上述处理器执行时，图2所示的方法流程得以实现。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，上述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当其在网络设备上运行时，图2所示的方法流程得以实现。

本申请实施例还提供一种计算机程序产品，当上述计算机程序产品在网络设备上运行时，图2所示的方法流程得以实现。

应理解，本申请实施例中提及的处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，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。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

还应理解，本申请实施例中提及的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double DataRate SDRAM，DDR SDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(Direct Rambus RAM，DR RAM)。

需要说明的是，当处理器为通用处理器、DSP、ASIC、FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件时，存储器(存储模块)集成在处理器中。

应注意，本文描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

还应理解，本文中涉及的第一、第二、第三、第四以及各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的范围。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，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单元中。

上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所示方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本申请实施例装置中的模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。