CN114499613A - 近场宽带波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

近场宽带波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种近场宽带波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质，其中，近场宽带波束赋形方法应用于具有第一天线阵列的基站，所述第一天线阵列为超大规模天线阵列，所述方法包括：将所述基站的第一天线阵列划分为多个子阵，所述子阵包括多个天线；基于预设远场信道模型，确定各所述子阵的远场码字；基于预设近场信道模型以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字；基于所述第一天线阵列的近场码字，对所述基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。通过本发明提供的近场宽带波束赋形方法，可以克服近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响，有效提升了超大规模天线阵列的通信速率。

Description

近场宽带波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种近场宽带波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
相关技术可知，基于空间渐近正交性的大规模阵列通信技术，可成倍提升无线通信系统的频谱效率，是5G技术素的代表性通信技术之一。未来，阵列规模更大的超大规模阵列通信技术在进一步提高系统性能方面被寄予厚望，在6G移动通信通信系统中具有广阔的应用前景。
从大规模阵列到超大规模阵列，不仅是简单的天线数量的量变，更蕴含着电磁场结构的质变。在超大宽带系统中，传统相控阵生成波束的等相位面会随频率发生偏移，从而引入严重的波束分裂问题，进而严重影响用户接收信号的强度。当前，面向超大规模阵列近场宽带波束赋形方案成为研究热点。
发明内容
本发明提供一种近场宽带波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质，用以解决现有技术中超大规模天线阵列近场宽带波束严重分裂，并影响用户接收信号强度的缺陷，克服了近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响，有效提升了超大规模天线阵列的通信速率。
本发明提供一种近场宽带波束赋形方法，其中，所述方法应用于具有第一天线阵列的基站，所述第一天线阵列为超大规模天线阵列，所述方法包括：将所述基站的第一天线阵列划分为多个子阵，所述子阵包括多个天线；基于预设远场信道模型，确定各所述子阵的远场码字；基于预设近场信道模型以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字；基于所述第一天线阵列的近场码字，对所述基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。
根据本发明提供的一种近场宽带波束赋形方法，所述子阵设置有第一延时器，所述子阵的天线设置有第一移相器，所述基于预设远场信道模型，确定各所述子阵的远场码字，包括：确定所述第一延时器的第一延时参数，以及确定所述第一移相器的第一移相参数；基于所述预设远场信道模型、所述第一延时参数以及所述第一移相参数，确定所述子阵的远场码字。
根据本发明提供的一种近场宽带波束赋形方法，所述预设远场信道模型表示为以下公式：
Figure BDA0003402669910000021
其中，wq(f)表示第q个子阵的远场码字，τ′q表示第q个子阵的第一延时参数，
Figure BDA0003402669910000022
表示第q个子阵第p个天线上的第一移相参数，其中，p＝[0,1,2,…P-1]，f表示所述子阵中天线发射的信号频率，j表示虚数单位。
根据本发明提供的一种近场宽带波束赋形方法，所述第一延时参数通过以下方式确定：确定所述子阵的子阵中心与用户的第一距离，以及所述子阵的子阵中心与用户的法线方向的第一夹角；基于所述第一距离以及所述第一夹角，确定所述第一延时参数。
根据本发明提供的一种近场宽带波束赋形方法，所述基于所述第一距离以及所述第一夹角，确定所述第一延时参数通过以下公式实现：
Figure BDA0003402669910000031
其中，τ′q表示所述第一延时参数，rq表示所述第一距离，θq表示第一夹角，c表示光速，P表示所述子阵中的天线个数，d表示所述子阵中相邻天线的天线间距。
根据本发明提供的一种近场宽带波束赋形方法，所述近场宽带波束赋形方法还包括：对所述第一延时参数进行非负约束处理，得到处理后第一延时参数；将所述处理后第一延时参数作为最终的第一延时参数。
根据本发明提供的一种近场宽带波束赋形方法，所述对所述第一延时参数进行非负约束处理通过以下公式实现：
τ″q＝τ′q+T
其中，τ″q表示所述处理后第一延时参数，τ′q表示所述第一延时参数，T表示公共延时，且T＝-minτ′q。
根据本发明提供的一种近场宽带波束赋形方法，所述第一移相参数通过以下方式确定：确定所述子阵的子阵中心与用户的法线方向的第一夹角；基于所述第一夹角，确定第一移相参数。
根据本发明提供的一种近场宽带波束赋形方法，所述基于所述第一夹角，确定第一移相参数通过以下公式确定：
Figure BDA0003402669910000032
其中，
Figure BDA0003402669910000033
表示所述第一移相参数，θq表示第一夹角，P表示所述子阵中的天线个数，fc表示所述子阵的中心载波的频率，c表示光速，p表示所述子阵的第p个天线的天线编号，d表示所述子阵中相邻天线的天线间距。
根据本发明提供的一种近场宽带波束赋形方法，所述基于预设近场信道模型以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字，包括：确定所述第一天线阵列的第一天线数量；基于所述预设近场信道模型、所述第一天线数量以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字。
根据本发明提供的一种近场宽带波束赋形方法，所述基于所述预设近场信道模型、所述第一天线数量以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字通过以下公式实现：
Figure BDA0003402669910000041
其中，w(f)表示所述第一天线阵列的近场码字，N表示所述第一天线数量，w0…wQ-1表示各所述子阵的远场码字。
本发明还提供一种近场宽带波束赋形装置，其中，所述装置应用于具有第一天线阵列的基站，所述第一天线阵列为超大规模天线阵列，所述装置包括：划分模块，用于将所述基站的第一天线阵列划分为多个子阵，所述子阵包括多个天线；处理模块，用于基于预设远场信道模型，确定各所述子阵的远场码字，以及用于基于预设近场信道模型以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字；确定模块，用于基于所述第一天线阵列的近场码字，对所述基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述近场宽带波束赋形方法的步骤。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述近场宽带波束赋形方法的步骤。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述近场宽带波束赋形方法的步骤。
本发明提供的近场宽带波束赋形方法、装置、电子设备及存储介质，通过将基站的第一天线阵列划分为多个子阵，并基于预设远场信道模型确定各子阵的远场码字，以及基于预设近场信道模型以及各子阵的远场码字确定第一天线阵列的近场码字，可以将复杂的近场波束赋形码字解耦为各子阵内的远场码字和第一天线阵列的子阵间近场码字。并通过第一天线阵列的近场码字，对基站生成的近场宽带波束进行赋形处理，以使基站生成的近场宽带波束聚焦在用户位置，克服近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响，有效提升超大规模天线阵列的通信速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是近场宽带效应示意图；
图2是本发明提供的近场宽带波束赋形方法的流程示意图之一；
图3是远场信道模式下基站天线生成的波束示意图；
图4是近场信道模式下基站天线生成的波束示意图；
图5是本发明提供的分区远场信道模式下基站天线生成的波束示意图；
图6是本发明提供的时相调控的近场宽带波束赋形的应用场景示意图；
图7是本发明提供的基于预设远场信道模型，确定各子阵的远场码字的流程示意图之一；
图8是本发明提供的确定第一延时参数的流程示意图之一；
图9是本发明提供的确定第一移相参数的流程示意图之一；
图10是本发明提供的确定第一天线阵列的近场码字的流程示意图之一；
图11是应用本发明提供的近场宽带波束赋形方法的系统可达和速率性能对比示意图；
图12是本发明提供的近场宽带波束赋形装置的结构示意图；
图13是本发明提供的电子设备的结构示意图。
附图标记：
610：射频链路；620：延时层；630：移相层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
相关技术可知，基于空间渐近正交性的大规模阵列通信技术，可成倍提升无线通信系统的频谱效率，是5G技术的代表性的通信技术之一。未来，阵列规模更大的超大规模阵列通信技术在提高系统性能方面被寄予厚望，并在6G移动通信通信系统中具有广阔的应用前景。具体而言，当前6G技术的潜在关键技术包括提升传输速率的太赫兹通信、提升频谱效率的超大规模MIMO和提升覆盖能力的智能超表面通信。这三大关键技术的共性特征就是都采用了超大规模阵列通信技术。另一方面，6G技术也寄希望于采用太赫兹通信、智能超表面等超大规模阵列通信技术，进一步提升复杂环境下的传输速率和覆盖能力。此外，超大规模阵列通信技术还可应用于卫星通信、深空通信、近海通信等场景中，成倍提升系统性能。
从大规模阵列到超大规模阵列，不仅是简单的天线数量的量变，更蕴含着电磁场结构的质变。受限于天线数，现有大规模阵列的近场半径较小(由瑞利距离决定，正比于阵列口径的平方除以信号波长)，不到1米，用户活动区域几乎都是远场。此时，如图1a所示，阵列天线生成的波束以平面波的形式沿某一方向传播。但是，随着天线数和工作频率的大幅提高，超大规模阵列的近场半径也发生质变。超大规模阵列的近场范围高达几米甚至几十米，实际系统难以忽略。此时，如图1b所示，电磁波信号以球面波的形式将能量聚焦在物理空间的某一区域，而不是单一的某个方向。在超大宽带系统中，传统相控阵生成波束的等相位面会随频率发生偏移，从而引入严重的波束分裂问题，如图1c所示，在远场表现为不同频点的波束沿着不同的角度传播。在近场宽带系统中，如图1d所示，近场宽带效应将使不同频点的波束将在“距离-角度”两个维度上聚焦在不同的物理区域，偏离用户所在区域，严重影响用户接收信号的强度。
针对波束赋形的研究主要考虑远场环境，近年来也有少量研究初步涉及近场通信，但仅考虑近场窄带场景。当前，面向超大规模阵列近场宽带波束赋形方案成为研究热点。
本发明提供了一种近场宽带波束赋形方法，通过分区远场波束赋形码字将复杂的近场波束赋形码字解耦为各子阵内的远场码字和第一天线阵列的子阵间近场码字。并通过第一天线阵列的近场码字，对基站生成的近场宽带波束进行赋形处理，以使基站生成的近场宽带波束聚焦在用户位置，克服近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响，有效提升超大规模天线阵列的通信速率。
本发明将结合下述实施例对近场宽带波束赋形方法的过程进行说明。
图2是本发明提供的近场宽带波束赋形方法的流程示意图之一。
在本发明一示例性实施例中，近场宽带波束赋形方法可以应用于具有第一天线阵列的基站，其中，第一天线阵列为超大规模天线阵列。在一示例中，可以将天线数量超过数量阈值的天线阵列称为超大规模天线阵列，其中，数量阈值可以根据实际情况进行确定，例如，数量阈值可以是1000根天线，在本实施例中，不对数量阈值作具体限定。
如图2所示，近场宽带波束赋形方法可以包括步骤210至步骤240，下面将分别介绍各步骤。
在步骤210中，将基站的第一天线阵列划分为多个子阵，子阵包括多个天线。
在一种实施例中，第一天线阵列可以是超大规模天线阵列。基站可以部署超大规模天线阵列并与用户进行通信。在应用过程中，如图5所示，可以将超大规模天线阵列划分为多个子阵。可以理解的是，由于每个子阵的半径小，每个子阵可以处于远场信道模式，第一天线阵列可以看作是处于分区远场信道模式。
在步骤220中，基于预设远场信道模型，确定各子阵的远场码字。
在步骤230中，基于预设近场信道模型以及各子阵的远场码字，确定第一天线阵列的近场码字。
结合图3-图4可知，在远场信道模式下，基站的天线阵列生成平面波，在近场信号下，基站的天线阵列生成球面波。在超大宽带系统下，传统相控阵生成波束的等相位面会随频率发生偏移，从而产生波束分类问题。
在一种实施例中，结合图5进行说明，在超大宽带系统中，超大规模天线阵列可以被划分为多个子阵，相应的超大规模天线阵列的远场码字可以看作是一种分区远场码字，并且分区远场码字为实际近场码字的分段性近似。在应用过程中，将整个超大规模天线阵列划分为多个子阵，每个子阵的直径远小于整个阵列的直径。由于每个子阵的直径较小，子阵内与用户之间的信道模型建模为远场平面波模型，其中，信道由子阵与用户之间的距离和方向角决定。在一示例中，可以基于预设远场信道模型，确定各子阵的远场码字。进一步的，由于整个超大规模天线阵列的直径较大，整个超大规模天线阵列与用户之间的信道模型建模为近场球面波模型，即子阵间的信道为近场信道，每个子阵与用户之间的距离和方向角各不相同。在一示例中，可以基于预设近场信道模型以及各子阵的远场码字，确定第一天线阵列的近场码字。
在步骤240中，基于第一天线阵列的近场码字，对基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。
在一种实施例中，可以基于第一天线阵列的近场码字，通过基站中的移相器阵列对基站生成的近场宽带波束进行赋形处理，以使赋形处理后的近场宽带波束可以聚焦在用户位置，从而克服近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响，有效提升超大规模天线阵列的通信速率。
本发明提供了一种近场宽带波束赋形方法，通过分区远场波束赋形码字将复杂的近场波束赋形码字解耦为各子阵内的远场码字和第一天线阵列的子阵间近场码字。并通过第一天线阵列的近场码字，对基站生成的近场宽带波束进行赋形处理，以使基站生成的近场宽带波束聚焦在用户位置，克服近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响，有效提升超大规模天线阵列的通信速率。
可以理解的是，假设基站天线数为N，天线间的间距为d，用户的位置为(r,θ)，其中r表示用户与基站阵列之间的距离，θ表示用户与基站阵列法线方向的夹角。基站第n个天线与用户之间的距离r(n)可以表示为公式(1)，夹角sinθ(n)可以表示为公式(2)。其中，公式(1)和公式(2)如下：
Figure BDA0003402669910000091
Figure BDA0003402669910000092
其中n＝[0,1,2,…N-1] (2)
进一步的，需要设计波束赋形的码字，使得基站生成的波束聚焦在用户位置(r,θ)上。经典的近场码字直接使用近场导引矢量做波束赋形，具体而言，对于频点f，假设光速为c，令波数
Figure BDA0003402669910000093
则聚焦在位置(r,θ)上的近场码字可以表示为如下公式：
Figure BDA0003402669910000101
其中，j表示虚数单位。由于近场码字每个元素的相位与r(n)高度相关，而r(n)通过根式将距离r与角度θ复杂地耦合在一起，模型较为复杂。尤其是宽带场景下，当频点f各不相同时，很难在每个频点都生成理想的近场码字。
传统的远场码字直接使用r(n)的线性近似替换r(n)，从而简化近场码字，具体而言，根据泰勒展开公式，有r(n)≈r-ndsinθ。此时远场码字可以表示为如下公式：
Figure BDA0003402669910000102
相较于复杂的近场码字anear(f)，远场码字afar(f)的复杂度大幅降低，但是模型精度也很低，对于超大规模天线阵列近场通信场景，远场码字afar(f)并不适用。
本发明提出的近场宽带波束赋形方法，第一天线阵列的近场码字(又可以称为分区远场波束赋形码字)可以是anear(f)的高精度低复杂度近似，其本质是用距离r(n)的分段线性近似替换r(n)。
将整个N单元的超大规模天线阵列分为Q个子阵，每个子阵包含
Figure BDA0003402669910000103
个天线。其中，可以用q表示子阵编号，p表示子阵内的天线编号，其中q＝[0，1，2，…Q-1]，p＝[0，1，2，…P-1]。则第q个子阵上的第p个天线对应于整个阵列的第n＝qP+p个天线。用rq表示第q个子阵中心与用户的距离，用θq表示第q个子阵中心与用户的法线方向的夹角，其中，距离rq和夹角θq分别满足如下公式。
Figure BDA0003402669910000104
Figure BDA0003402669910000105
进一步的，用
Figure BDA0003402669910000106
表示第q个子阵上的第p个天线与用户之间的距离，在第q个子阵的内部，使用一阶泰勒展开，可以得到
Figure BDA0003402669910000107
Figure BDA0003402669910000111
通过上述近似，可以使用rq-pdsinθq替换
Figure BDA0003402669910000112
即替换r(n)，其中n＝qP+p。因此，第一天线阵列的近场码字可以表示为如下公式：
Figure BDA0003402669910000113
其中aq表示第q个子阵上的码字，满足
Figure BDA0003402669910000114
通过上述操作，复杂的近场码字被解耦为多个远场码字，每个远场码字对应于指向不同方向的平面波，由单个子阵生成。通过改变子阵Q的个数，本发明中的第一天线阵列的近场码字(又称分区远场码字)可在远场码字和近场码字之间相互转换，例如当Q＝1时，第一天线阵列的近场码字等价于理想近场码字，当Q＝N时，第一天线阵列的近场码字等价于理想远场码字，当1＜Q＜N，第一天线阵列的近场码字为远场码字与近场码字之间的折中，即同时保证高精度和低复杂度的特性。
进一步的，不论是第一天线阵列的近场码字，还是现有的远场码字和近场码字，理想码字随频率f或波数
Figure BDA0003402669910000115
会发生变化。具体而言，考虑宽带OFDM系统，系统带宽为B，子载波数为M，中心载波为fc，中心波数为
Figure BDA0003402669910000116
对于经典的相控阵结构，波束赋形由移相器阵列实现，由于移相器阵列仅能生成频率无关的波束赋形码字，通常直接按照中心载波fc生成码字wc，即
Figure BDA0003402669910000117
当频点f与中心载波fc差距较大时，相控阵生成的码字wc与理想的近场码字anear会出现较大的差异，即实际窄带波束赋形与理想近场宽带码字不匹配，这就是近场宽带效应。此时频点f的波束增益
Figure BDA0003402669910000121
远小于1，存在较大的阵列增益损失。
为了克服近场宽带效应带来的系统性能损失，在本发明的实施例中，可以分别利用移相器匹配各子阵内的远场码字特性，利用延时器匹配第一天线阵列的子阵间近场码字，以克服近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响。
下面将结合下述实施例，对本发明的时相调控的近场宽带波束赋形过程进行说明。
图6是本发明提供的时相调控的近场宽带波束赋形的应用场景示意图。
在本发明一示例性实施例中，子阵可以设置有第一延时器，子阵的每个天线可以设置有第一移相器。如图6所示，子阵中的每根天线连接第一移相器可以形成大规模的移相层630。其中，第一移相器可以由微带线、开关、反相器等构成。进一步的，可以在每个子阵与射频链路610之间插入第一延时器，形成小规模的延时层620。其中，第一延时器可以由真延时线、数字基带处理等实现。因此，时相二维调控的波束赋形码字可以由延时层630和移相层620共同实现。
本发明将结合下述实施例，对基于预设远场信道模型，确定各子阵的远场码字的过程进行说明。
图7是本发明提供的基于预设远场信道模型，确定各子阵的远场码字的流程示意图之一。
在本发明一示例性实施例中，如图7所示，基于预设远场信道模型，确定各子阵的远场码字可以包括步骤710和步骤720，下面将分别介绍各步骤。
在步骤710中，确定第一延时器的第一延时参数，以及确定第一移相器的第一移相参数。
在步骤720中，基于预设远场信道模型、第一延时参数以及第一移相参数，确定子阵的远场码字。
在一种实施例中，可以基于第一延时器的第一延时参数以及第一移相器的第一移相参数匹配各子阵内的远场码字特性，确定子阵的远场码字。进一步的，基于子阵的远场码字确定第一天线阵列的近场码字，并基于第一天线阵列的近场码字对基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。通过本实施例，可以克服近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响。
在一种实施例中，预设远场码字可以表示为以下公式：
Figure BDA0003402669910000131
其中，wq(f)表示第q个子阵的远场码字，τ′q表示第q个子阵的第一延时参数，
Figure BDA0003402669910000132
表示第q个子阵第p个天线上的第一移相参数，其中，p＝[0，1，2，…P-1]，f表示子阵中天线发射的信号频率，j表示虚数单位。
本发明将结合下述实施例分别介绍确定第一延时参数τ′q和第一移相参数
Figure BDA0003402669910000133
的过程。
图8是本发明提供的确定第一延时参数的流程示意图之一。
在本发明一示例性实施例中，如图8所示，确定第一延时参数可以包括步骤810和步骤820，下面将分别介绍各步骤。
在步骤810中，确定子阵的子阵中心与用户的第一距离，以及子阵的子阵中心与用户的法线方向的第一夹角。
在步骤820中，基于第一距离以及第一夹角，确定第一延时参数。
在一种实施例中，基于第一距离以及第一夹角，确定第一延时参数可以通过以下公式实现：
Figure BDA0003402669910000134
其中，τ′q表示第一延时参数，rq表示第一距离，θq表示第一夹角，c表示光速，P表示子阵中的天线个数，d表示子阵中相邻天线的天线间距。
考虑实际延时器的物理约束，只能实现非负的延时，为了避免设计τ′q的负数，可以为所有延时器统一引入一个相同的公共延时，此时既不会影响波束赋形增益，也能满足延时器的非负约束。
在本发明一示例性实施例中，近场宽带波束赋形方法还包括对第一延时参数进行非负约束处理，得到处理后第一延时参数。进一步的，可以将处理后第一延时参数作为最终的第一延时参数。
在一种实施例，对第一延时参数进行非负约束处理可以通过以下公式实现：
τ″q＝τ′q+T (13)
其中，τ″q表示处理后第一延时参数，τ′q表示第一延时参数，T表示公共延时，且T＝-min τ′q。
在一实施例中，T为公共延时，为了保证τ″q的非负性，可以设计公共延时为T＝-min τ′q。此时对于任意一个延时器的第一延时参数，显然有τ″q＞0。
图9是本发明提供的确定第一移相参数的流程示意图之一。
在本发明一示例性实施例中，如图9所示，确定第一移相参数可以包括步骤910和步骤920，下面将分别介绍各步骤。
在步骤910中，确定子阵的子阵中心与用户的法线方向的第一夹角。
在步骤920中，基于第一夹角，确定第一移相参数。
在一种实施例中，基于第一夹角，确定第一移相参数可以通过以下公式确定：
Figure BDA0003402669910000141
其中，
Figure BDA0003402669910000142
表示第一移相参数，θq表示第一夹角，P表示子阵中的天线个数，fc表示子阵的中心载波的频率，c表示光速，p表示子阵的第p个天线的天线编号，d表示子阵中相邻天线的天线间距。
需要说明的是，第一延时参数τ′q和第一移相参数
Figure BDA0003402669910000151
可以通过以下方式推导而得到。
宽带波束赋形的目的在于确保每个子载波生成的波束赋形码字w(f)都生成理想近场码字anear(f)。由于近场码字anear(f)的结构较为复杂，可选择逼近近场码字的高精度近似码字，即第一天线阵列的近场码字(又称：分区远场码字)a(f)。具体而言，根据aq(f)的结构，其等效于生成指向θq方向的平面波，因而在设计子阵移相器参数时，我们令
Figure BDA0003402669910000152
其中φ′q是可设计的参数。在设计第一移相参数φ′q和第一延时参数τ′q时，期望在所有频点最大化阵列增益，即最大化
Figure BDA0003402669910000153
其中
Figure BDA0003402669910000154
表示第m个子载波。首先计算单个子载波的阵列增益
Figure BDA0003402669910000155
因为子阵的天线数P是远小于阵列的天线数N的，因此
Figure BDA0003402669910000156
通常是大于0的，为了最大化所有频点的阵列增益g，我们需要设计第一延时参数τ′q和第一移相参数φ′q，使得g(f)的求和项中每一项均同相叠加，显然，一个可行解是
Figure BDA0003402669910000157
Figure BDA0003402669910000158
考虑第q个子阵第p个天线上的移相为
Figure BDA0003402669910000159
Figure BDA0003402669910000161
因此设计的第一延时参数τ′q和第一移相参数
Figure BDA0003402669910000162
可以分别如下所示：
Figure BDA0003402669910000163
Figure BDA0003402669910000164
通过上述实施例确定第一延时参数τ′q和第一移相参数
Figure BDA0003402669910000165
可以使得基于时相二维调控得到的波束赋形码字，即第一天线阵列的近场码字，在确保其结构简单的前提下，高度逼近理想的近场码字，从而克服近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响。
本发明将结合下述实施例，对基于预设近场信道模型以及各子阵的远场码字，确定第一天线阵列的近场码字的过程进行说明。
图10是本发明提供的确定第一天线阵列的近场码字的流程示意图之一。
在本发明一示例性实施例中，如图10所示，基于预设近场信道模型以及各子阵的远场码字，确定第一天线阵列的近场码字可以包括步骤1010和步骤1020，下面将分别介绍各步骤。
在步骤1010中，确定第一天线阵列的第一天线数量。
在步骤1020中，基于预设近场信道模型、第一天线数量以及各子阵的远场码字，确定第一天线阵列的近场码字。
在一种实施例中，基于预设近场信道模型、第一天线数量以及各子阵的远场码字，确定第一天线阵列的近场码字可以通过以下公式实现：
Figure BDA0003402669910000166
其中，w(f)表示第一天线阵列的近场码字，N表示第一天线数量，w0…wQ-1表示各子阵的远场码字。
通过本实施例，可以将复杂的近场波束赋形码字解耦为各子阵内的远场码字和第一天线阵列的子阵间近场码字。并通过第一天线阵列的近场码字，对基站生成的近场宽带波束进行赋形处理，以使基站生成的近场宽带波束聚焦在用户位置，克服近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响。
图11是应用本发明提供的近场宽带波束赋形方法的系统可达和速率性能对比示意图。
结合图11可知，基于本发明提供的近场宽带波束赋形方法，即结合时相(第一延时器的第一延时参数和第一移相器的第一移相参数)调控的波束赋形可以实现近场宽带波束赋形，并克服近场宽带效应对系统性能的影响，从而提升超大规模阵列的可达速率性能。
根据上述描述可知，本发明提供的近场宽带波束赋形方法，通过将基站的第一天线阵列划分为多个子阵，并基于预设远场信道模型确定各子阵的远场码字，以及基于预设近场信道模型以及各子阵的远场码字确定第一天线阵列的近场码字，可以将复杂的近场波束赋形码字解耦为各子阵内的远场码字和第一天线阵列的子阵间近场码字。并通过第一天线阵列的近场码字，对基站生成的近场宽带波束进行赋形处理，以使基站生成的近场宽带波束聚焦在用户位置，克服近场宽带效应对超大规模天线阵列系统速率的影响，有效提升超大规模天线阵列的通信速率。
基于相同的构思，本发明还提供一种近场宽带波束赋形装置。
下面对本发明提供的近场宽带波束赋形装置进行描述，下文描述的近场宽带波束赋形装置与上文描述的近场宽带波束赋形装置方法可相互对应参照。
图12是本发明提供的近场宽带波束赋形装置的结构示意图。
在本发明一示例性实施例中，近场宽带波束赋形装置可以应用于具有第一天线阵列的基站，其中，第一天线阵列为超大规模天线阵列。在一示例中，可以将天线数量超过数量阈值的天线阵列称为超大规模天线阵列，其中，数量阈值可以根据实际情况进行确定，例如，数量阈值可以是1000根天线，在本实施例中，不对数量阈值作具体限定。
如图12所示，近场宽带波束赋形装置可以包括划分模块1210、处理模块1220和确定模块1230，下面将分别介绍各模块。
划分模块1210可以被配置为用于将基站的第一天线阵列划分为多个子阵，子阵包括多个天线。
处理模块1220可以被配置为用于基于预设远场信道模型，确定各子阵的远场码字，以及用于基于预设近场信道模型以及各子阵的远场码字，确定第一天线阵列的近场码字。
确定模块1230可以被配置为用于基于第一天线阵列的近场码字，对基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。
在本发明一示例性实施例中，子阵设置有第一延时器，子阵的天线设置有第一移相器，处理模块1220可以采用以下方式基于预设远场信道模型，确定各子阵的远场码字：确定第一延时器的第一延时参数，以及确定第一移相器的第一移相参数；基于预设远场信道模型、第一延时参数以及第一移相参数，确定子阵的远场码字。
在本发明一示例性实施例中，预设远场信道模型可以表示为以下公式：
Figure BDA0003402669910000181
其中，Wq(f)表示第q个子阵的远场码字，τ′q表示第q个子阵的第一延时参数，
Figure BDA0003402669910000182
表示第q个子阵第p个天线上的第一移相参数，其中，p＝[0，1，2，…P-1]，f表示子阵中天线发射的信号频率，j表示虚数单位。
在本发明一示例性实施例中，处理模块1220可以采用以下方式确定第一延时参数：确定子阵的子阵中心与用户的第一距离，以及子阵的子阵中心与用户的法线方向的第一夹角；基于第一距离以及第一夹角，确定第一延时参数。
在本发明一示例性实施例中，基于第一距离以及第一夹角，确定第一延时参数可以通过以下公式实现：
Figure BDA0003402669910000191
其中，τ′q表示第一延时参数，rq表示第一距离，θq表示第一夹角，c表示光速，P表示子阵中的天线个数，d表示子阵中相邻天线的天线间距。
在本发明一示例性实施例中，近场宽带波束赋形装置还包括再处理模块，其中，再处理模块可以被配置为用于对第一延时参数进行非负约束处理，得到处理后第一延时参数；将处理后第一延时参数作为最终的第一延时参数。
在本发明一示例性实施例中，对第一延时参数进行非负约束处理可以通过以下公式实现：
τ″q＝τ′q+T (23)
其中，τ″q表示处理后第一延时参数，τ′q表示第一延时参数，T表示公共延时，且T＝-min τ′q。
在本发明一示例性实施例中，处理模块1220可以采用以下方式确定第一移相参数：确定子阵的子阵中心与用户的法线方向的第一夹角；基于第一夹角，确定第一移相参数。
在本发明一示例性实施例中，处理模块1220可以通过以下公式基于第一夹角，确定第一移相参数：
Figure BDA0003402669910000192
其中，
Figure BDA0003402669910000193
表示第一移相参数，θq表示第一夹角，P表示子阵中的天线个数，fc表示子阵的中心载波的频率，c表示光速，p表示子阵的第p个天线的天线编号，d表示子阵中相邻天线的天线间距。
在本发明一示例性实施例中，处理模块1220可以采用以下方式基于预设近场信道模型以及各子阵的远场码字，确定第一天线阵列的近场码字：确定第一天线阵列的第一天线数量；基于预设近场信道模型、第一天线数量以及各子阵的远场码字，确定第一天线阵列的近场码字。
在本发明一示例性实施例中，处理模块1220可以采用以下公式基于预设近场信道模型、第一天线数量以及各子阵的远场码字，确定第一天线阵列的近场码字：
Figure BDA0003402669910000201
其中，w(f)表示第一天线阵列的近场码字，N表示第一天线数量，w0…WQ-1表示各子阵的远场码字。
图13示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图13所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1310、通信接口(Communications Interface)1320、存储器(memory)1330和通信总线1340，其中，处理器1310，通信接口1320，存储器1330通过通信总线1340完成相互间的通信。处理器1310可以调用存储器1330中的逻辑指令，以执行近场宽带波束赋形方法，其中，近场宽带波束赋形方法应用于具有第一天线阵列的基站，所述第一天线阵列为超大规模天线阵列，该方法包括：将所述基站的第一天线阵列划分为多个子阵，所述子阵包括多个天线；基于预设远场信道模型，确定各所述子阵的远场码字；基于预设近场信道模型以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字；基于所述第一天线阵列的近场码字，对所述基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。
此外，上述的存储器1330中的逻辑指令可以通过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，本发明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)执行本发明各个实施例所述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(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的近场宽带波束赋形方法，其中，近场宽带波束赋形方法应用于具有第一天线阵列的基站，所述第一天线阵列为超大规模天线阵列，该方法包括：将所述基站的第一天线阵列划分为多个子阵，所述子阵包括多个天线；基于预设远场信道模型，确定各所述子阵的远场码字；基于预设近场信道模型以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字；基于所述第一天线阵列的近场码字，对所述基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的近场宽带波束赋形方法，其中，近场宽带波束赋形方法应用于具有第一天线阵列的基站，所述第一天线阵列为超大规模天线阵列，该方法包括：将所述基站的第一天线阵列划分为多个子阵，所述子阵包括多个天线；基于预设远场信道模型，确定各所述子阵的远场码字；基于预设近场信道模型以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字；基于所述第一天线阵列的近场码字，对所述基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所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模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (15)

1.一种近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述方法应用于具有第一天线阵列的基站，所述第一天线阵列为超大规模天线阵列，所述方法包括：
将所述基站的第一天线阵列划分为多个子阵，所述子阵包括多个天线；
基于预设远场信道模型，确定各所述子阵的远场码字；
基于预设近场信道模型以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字；
基于所述第一天线阵列的近场码字，对所述基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。
2.根据权利要求1所述的近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述子阵设置有第一延时器，所述子阵的天线设置有第一移相器，所述基于预设远场信道模型，确定各所述子阵的远场码字，包括：
确定所述第一延时器的第一延时参数，以及确定所述第一移相器的第一移相参数；
基于所述预设远场信道模型、所述第一延时参数以及所述第一移相参数，确定所述子阵的远场码字。
3.根据权利要求2所述的近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述预设远场信道模型表示为以下公式：
Figure FDA0003402669900000011
其中，wq(f)表示第q个子阵的远场码字，τ′q表示第q个子阵的第一延时参数，
Figure FDA0003402669900000012
表示第q个子阵第p个天线上的第一移相参数，其中，p＝[0,1,2,…P-1]，f表示所述子阵中天线发射的信号频率，j表示虚数单位。
4.根据权利要求3所述的近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述第一延时参数通过以下方式确定：
确定所述子阵的子阵中心与用户的第一距离，以及所述子阵的子阵中心与用户的法线方向的第一夹角；
基于所述第一距离以及所述第一夹角，确定所述第一延时参数。
5.根据权利要求4所述的近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述基于所述第一距离以及所述第一夹角，确定所述第一延时参数通过以下公式实现：
Figure FDA0003402669900000021
其中，τ′q表示所述第一延时参数，rq表示所述第一距离，θq表示第一夹角，c表示光速，P表示所述子阵中的天线个数，d表示所述子阵中相邻天线的天线间距。
6.根据权利要求5所述的近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述第一延时参数进行非负约束处理，得到处理后第一延时参数；
将所述处理后第一延时参数作为最终的第一延时参数。
7.根据权利要求6所述的近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述对所述第一延时参数进行非负约束处理通过以下公式实现：
τ″q＝τ′q+T
其中，τ″q表示所述处理后第一延时参数，τ′q表示所述第一延时参数，T表示公共延时，且T＝-minτ′q。
8.根据权利要求3所述的近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述第一移相参数通过以下方式确定：
确定所述子阵的子阵中心与用户的法线方向的第一夹角；
基于所述第一夹角，确定第一移相参数。
9.根据权利要求8所述的近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述基于所述第一夹角，确定第一移相参数通过以下公式确定：
Figure FDA0003402669900000031
其中，
Figure FDA0003402669900000032
表示所述第一移相参数，θq表示第一夹角，P表示所述子阵中的天线个数，fc表示所述子阵的中心载波的频率，c表示光速，p表示所述子阵的第p个天线的天线编号，d表示所述子阵中相邻天线的天线间距。
10.根据权利要求1所述的近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述基于预设近场信道模型以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字，包括：
确定所述第一天线阵列的第一天线数量；
基于所述预设近场信道模型、所述第一天线数量以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字。
11.根据权利要求10所述的近场宽带波束赋形方法，其特征在于，所述基于所述预设近场信道模型、所述第一天线数量以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字通过以下公式实现：
Figure FDA0003402669900000033
其中，w(f)表示所述第一天线阵列的近场码字，N表示所述第一天线数量，w0…wQ-1表示各所述子阵的远场码字。
12.一种近场宽带波束赋形装置，其特征在于，所述装置应用于具有第一天线阵列的基站，所述第一天线阵列为超大规模天线阵列，所述装置包括：
划分模块，用于将所述基站的第一天线阵列划分为多个子阵，所述子阵包括多个天线；
处理模块，用于基于预设远场信道模型，确定各所述子阵的远场码字，以及用于基于预设近场信道模型以及各所述子阵的远场码字，确定所述第一天线阵列的近场码字；
确定模块，用于基于所述第一天线阵列的近场码字，对所述基站生成的近场宽带波束进行赋形处理。
13.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至11任一项所述近场宽带波束赋形方法的步骤。
14.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至11任一项所述近场宽带波束赋形方法的步骤。
15.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至11任一项所述近场宽带波束赋形方法的步骤。
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