CN114499615A - 一种太赫兹通信系统中近远场统一的发射波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种太赫兹通信系统中近远场统一的发射波束成形方法。本发明包括：建立接收目标处发射功率最大化的联合FDA技术与相控阵的球面波前发射波束模型；根据已建立的发射波束模型建立发射波束半功率解析模型；根据当前系统参数配置，计算当前相控阵发射波束图的空间覆盖范围；与给定的覆盖门限进行比较，若超过门限则认定此时通信隶属远场通信范畴，此时需要使用联合FDA技术与相控阵的太赫兹通信发射波束方案，此时的发射波束图解析模型为前述生成的发射波束解析模型；否则认定此时通信场景隶属近场通信范畴，仅使用相控阵发射波束方案即可，此时采用相控阵发射波束半功率解析模型。本发明的复杂度较低，易于实现。

Description

一种太赫兹通信系统中近远场统一的发射波束成形方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种太赫兹通信系统中近远场统一的发射波束成形方法。

背景技术

随着6G网络技术的进一步推进，移动终端的数量急剧增加、各种实时交互业务(如虚拟现实(VR)/增强现实(AR)、自动驾驶、触觉互联网(TI)等)迅速兴起，预计在未来五年内，太比特每秒(Tbps)的无线链路将成为现实。处在0.1-10THz频段的太赫兹频段被认为是为6G网络技术提供可靠支持的潜在关键频谱资源。尽管太赫兹频段具有极大丰富的频谱资源，然而至高的频段使得太赫兹通信面临极大的自由空间损耗、水分子吸收衰减等问题，极大限制了太赫兹通信距离，为了对抗太赫兹通信的极高路径损耗，大规模MIMO提供的天线增益以及波束增益被认为是对抗这一问题的可靠手段。

目前，相控阵阵列天线仍然是大规模MIMO波束成形技术的代表技术，然而，在远场平面波前场景下，相控阵波束成形技术仅能为信号提供“相位”这一自由度，表现在波束图上，即只能为波束提供角度方向这一自由度，考虑到日益密集的网络部署，越来越复杂的电磁环境将会对通信安全造成极大影响。因此，目前在在通信领域提出了真时延技术(TrueTime Delay，TTD)以及雷达领域提出使用频率分集阵列(Frequency Diverse Array，FDA)，这两种方案相比于仅使用相控阵，都为发射波束图提供角度-距离二维自由度，使得波束能量在空间上可以更好的聚焦在目标接收区域，降低通信的干扰和窃听风险。

考虑到太赫兹频段波长极小，根据近场或者菲涅尔区的距离范围规定：r≤2D²/λ其中， D表示使用的天线阵列尺寸，λ表示通信波长，r表示近场场景通信距离，若采用D＝0.3m尺寸的阵列天线，通信频段为0.3THz，此时的近场距离范围约为200米，显然在太赫兹通信中近场通信场景更容易出现，然而目前在太赫兹近场通信仍存在以下问题亟待解决：

1.目前业界并没有统一的阵列天线近场通信距离边界模型，菲涅尔区域模型仅为近场通信距离的上限，远场-近场通信范围不清晰，将大大降低通信的可靠性；

2.针对太赫兹通信近场发射波束成型方案较少，且由于近场信道模型较为复杂，使用传统的优化法或数值法将会提高算法复杂度，且上述两种方案缺乏深入探究太赫兹近场大规模阵列天线发射波束成形的内在规律的能力；

3.由于TTD技术以及FDA技术硬件实现规模较大且功耗较大，因此想要在空间上实现高精度的发射波束管理，这将对太赫兹大规模阵列天线系统的集成提出严峻挑战；

由于太赫兹近场和远场场景通常是分别进行研究，因此缺少覆盖全通信距离的统一的太赫兹通信远场-近场发射波束成形方案。

发明内容

为了解决上述问题，本发明旨在太赫兹大规模阵列天线通信场景下，提出一种空间聚焦的远场-近场统一发射波束方案，尤其针对近场通信，利用太赫兹大规模阵列天线相控阵提供的角度-空间二维自由度，实现计算复杂度、硬件实现复杂度低的空间聚焦发射波束方案，以此保证通信安全，从而降低干扰和窃听的风险。

本发明所提出的远场-近场统一发射波束成形技术方案包括如下步骤：建立接收目标处发射功率最大化的联合FDA技术与相控阵的球面波前发射波束模型；根据已建立的发射波束模型建立发射波束半功率解析模型；根据当前系统参数配置，计算当前相控阵发射波束图的空间覆盖范围；与给定的覆盖门限进行比较，若超过门限则认定此时通信隶属远场通信范畴，此时需要使用联合FDA技术与相控阵的太赫兹通信发射波束方案，此时的发射波束图解析模型为前述生成的发射波束解析模型；否则认定此时通信场景隶属近场通信范畴，仅使用相控阵发射波束方案即可，此时采用相控阵发射波束半功率解析模型。

本发明的技术方案为：

一种太赫兹通信系统中近远场统一的发射波束成形方法，太赫兹通信系统中发送端采用均匀线性阵列天线，天线阵列尺寸为D，共包含M个天线单元，天线单元间隔为 d＝λ/2＝c/2f，c表示光速，f,λ分别表示载波频率和载波波长，第m根天线载波频偏为f_m；定义接收目标到发送端序号为1的天线的距离和法向角度分别为r和θ；其特征在于，所述发射波束成形方法包括以下步骤：

S1、建立接收目标处发射功率最大化的联合FDA技术与相控阵的球面波前发射波束模型：

其中，f＝[f+f₁,f+f₂,...,f+f_M]^T，w＝[ω₁,ω₂,...,ω_M]^T表示天线发送信号权重，相控阵模拟波束成形采用空间匹配波束成形方案，接收目标为(R_D,θ_D)，定义天线发送信号权重为：

S2、联合FDA技术与相控阵，建立使得接收目标处发射功率最大化的球面波前解析模型为：

s.t.

其中，s.t.表示模型的约束条件，且第一个约束条件X表示距离维度满足的系数，第二个约束条件Y表示角度维度和距离维度耦合满足的系数，第三个约束条件Z表示角度维度满足的系数，根据柯西不等式XZ≥Y可得，此时对于任意的FDA频偏策略，(R_B,θ_B)所形成的发射波束图半功率边界都呈椭圆形状；

S3、根据当前系统参数配置，计算当前相控阵发射波束图的空间覆盖范围：

其中，S_near表示相控阵发射波束图半功率覆盖面积，Δ_R和Δ_θ分别表示相控阵发射波束图在距离和角度上的覆盖范围，X_near、Y_near和Z_near分别为f_m＝0,f_n＝0时X、Y和Z的取值；

S4、设定发射波束图覆盖距离门限为η，当Δ_R>η时，则判定此时的通信场景隶属于远场通信，此时发射端需采用联合FDA技术与相控阵的波束成形方案，即此时的发射波束图解析模型为S1中发射波束模型；否则，判定此时的通信隶属于近场通信，此时发射端采用相控阵的波束成形方法，此时的发射波束图解析模型为：

其中，

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的了阵列天线的远场-近场边界模型，该解析模型不局限于天线的具体的物理形状，清晰阐述了远场-近场边界与阵列天线尺寸与载波频率等因子有关，且该边界是自适应于用户对发射波束的聚焦性能需求。

(2)本发明提出的发射波束成形方案的解析模型给出了发射波束图的闭式表达，深入探究了发射波束图的空间聚焦能力与各项参数间的关系，相比于优化法等波束成形方案，本发明提出的波束成形方案算法复杂度更低。

(3)本发明提出的近场发射波束成形方案仅依靠相控阵即可实现角度-距离的空间聚焦能力，大大简化了系统硬件实现复杂度。

(4)本发明的发射波束成形方案为覆盖全距离的远场-近场统一的太赫兹通信发射波束成形方案。

附图说明

图1为本发明的发射波束成形方案的流程图。

图2为太赫兹大规模阵列天线球面波前模型示意图；

图3为近场太赫兹大规模阵列天线相控阵发射波束成形示意图；

图4为远场大规模阵列天线相控阵发射波束成形示意图；

图5为近场下仅使用相控阵与联合多种FDA技术发射波束成形方案聚焦性能对比示意图；

图6为近场下仅使用相控阵与联合使用不同FDA技术发射波束成形方案聚焦性能随距离的变化对比示意图；

图7为自适应的远场-近场通信边界距离随阵列天线参数设置的对比示意图；

图8为远场联合FDA技术与相控阵的发射波束成形方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图和仿真示例对本发明进行详细的描述，同时证明本发明的实用性。

本发明是在太赫兹大规模阵列天线场景下以实现接收目标处功率最大化降低用户干扰以及窃听风险的远场-近场统一发射波束成形方案。具体的，如图1所示在太赫兹通信模型下，发送端采用均匀线性阵列天线，天线阵列尺寸为D，共包含M个天线单元，天线单元间隔为 d＝λ/2＝c/2f，c表示光速，f,λ分别表示载波频率和载波波长，第m根天线载波频偏为f_m。本发明采用精确的球面波前，则接收目标到发送端序号为1的天线的距离和法向角度分别为r 和θ。

如图2所示，本发明所提出的远场-近场太赫兹发射波束成形方案具体实施方案如下：

步骤S1，建立接收目标处发射功率最大化的联合FDA技术与相控阵的球面波前发射波束模型：

相控阵模拟波束成形采用空间匹配波束成形方案，接收目标为(R_D,θ_D)，则天线发送信号权重可表示为：

步骤S1具体包含的子步骤如下：

步骤S110，建立联合FDA技术的发射信号模型：

其中，L_free＝c/2πfr表示路径损耗，w＝[ω₁,ω₂,...,ω_M]^T表示天线发送信号权重，时延τ_m＝r_m/c，发送端第m根天线到接收端距离r_m为：

步骤S120，对信号表示中的距离和相位进行解耦。由于式(4)发送端第m根天线到接收端的距离r_m中，距离和角度相互耦合不利于分析，根据泰勒一阶近似展开式 (1+Δ)^1/2≈1+Δ/2，Δ＜＜1，因此对r_m做如下处理：

r_m≈r+(m-1)²d²/2r+(m-1)d sinθ (5)

且注意，本发明主要关注FDA策略以及相控阵对波束成形空间自由度的影响，因此这里忽略时间自由度的影响，并假设t＝0。

步骤S130，根据接收用户空间位置信息，确定相控阵模拟波束成形采用空间匹配波束成形方案，即天线发送信号权重可表示为：

此时，可保证在接收目标(R_D,θ_D)处实现最大发射波束功率。根据相控阵的发送权重，将发送信号进行加权，到此可得步骤S1中的联合FDA技术与相控阵的球面波前发射波束模型。

步骤S2，联合FDA技术与相控阵，建立使得接收目标处发射功率最大化的球面波前解析模型为：

且此时对于任意的FDA频偏策略，(R_B,θ_B)所形成的发射波束图半功率边界都呈椭圆形状。

步骤S2具体包含的子步骤如下：

步骤S210，建立以接收目标(R_D,θ_D)为中心的发射波束半功率模型：

根据步骤S1得到的联合FDA技术与相控阵的球面波前发射波束模型(如公式(1)所示)，发射波束图将在接收端(R_D,θ_D)处取得功率最大值

考虑发射波束图的半功率主瓣设计，即功率最多下降3dB，则发射波束图功率聚焦的范围满足

的区域，因此，发射波束图的边界是由功率为

的点(R_B,θ_B)组成的点集，且(R_B,θ_B)满足：

步骤S220，建立接收目标处的发射波束半功率解析模型：由于步骤S1所得模型为半闭式表示，在公式(8)基础上，考虑半功率边界点应在接收目标附近，通过推导，由此得到步骤 S2中阐述的由发射波束半功率点(R_B,θ_B)组成的发射波束半功率解析模型。

步骤S230，证明发射波束半功率解析模型在几何上呈现椭圆形状：根据柯西-许瓦兹不等式可得，对于任意FDA频偏策略，X,Y和Z都有不等式XZ>Y²成立，因此，本发明得到结论联合FDA与相控阵的球面波前发射波束图恒为椭圆形状。

步骤S3，根据当前系统参数配置，计算当前相控阵发射波束图的空间覆盖范围：

具体实现子步骤如下：

步骤S310，求解相控阵发射波束图半功率解析模型：另步骤S1解析模型中

得到相控阵发射波束图半功率解析模型为：

步骤S320，依据S310所得模型，求解发射波束图在空间上的覆盖范围。由步骤S230可知，相控阵发射波束图半功率解析模型在接收目标处空间上呈椭圆形状，因此根据椭圆解析几何知识，本发明得到了近场空间波束图在空间上的覆盖范围，具体子步骤如下。

步骤S321，发射波束图形成的椭圆面积，可表示为式(9)所示。

若此时天线尺寸固定为D，则天线数量可以表示为M＝D/d(假设天线数量均为整数)，同时为避免出现栅瓣效应，考虑天线单元间隔为d＝λ/2，则发射波束图面积可表示为：

可见，此时发射波束图的面积只与天线数量M有关，M越大即天线数量越多发射波束的功率聚焦性越好；又因为M＝2D/λ，则频率越高，波长越小则天线阵列的发射波束功率聚焦行越好，或者载波频率确定，则阵列天线尺寸越大，发射波束图聚焦性能越好。

步骤S322，发射波束图距离维度覆盖范围：

其中，a,b,θ′表示发射波束图所呈椭圆的长轴、短轴以及旋转角度。通过闭式解，本发明分析得到，发射波束图距离维度的覆盖范围Δ_R随通信距离R_D增大而增大，即发射波束图的功率聚焦性能随通信距离的增大而逐渐下降。

步骤S323，发射波束图角度维度覆盖范围：

其中，根据发射波束图角度维度的覆盖范围闭式解，本发明发现，当通信距离R_D充分大时，角度覆盖范围将趋向

此时的角度覆盖范围为远场平面波前模型结果。

步骤S4，给定的发射波束图覆盖距离门限为η，当Δ_R>η时，则判定此时的通信场景隶属于远场通信，此时发射端需采用联合FDA技术与相控阵的波束成形方案，即此时的发射波束图解析模型为步骤S2所示结果。

步骤S4实现的具体子步骤如下所示。

步骤S410，根据用户对发射波束图的距离覆盖要求，自适应的设定距离覆盖门限η。

步骤S420，求解远场-近场边界R_bound：根据步骤S332的发射波束图距离维度覆盖范围Δ_R，求解使得等式Δ_R＝η的等号成立的通信距离，即为远场-近场通信边界R_bound。且此时，通信距离满足R_D>R_bound，即可认为符合远场通信。

步骤S430，此时远场发射波束解析模型即为式(7)所示。但需特别注意的是，当通信距离充分大时，即符合条件1/R_D≈0时，远场发射波束解析模型还可得到更简洁的平面波前模型：

步骤S5，当Δ_R≤η时，则判定此时的通信场景隶属于近场通信，此时发射端仅需采用相控阵的波束成形方案即可，此时的发射波束图解析模型为：

步骤S5结果通过步骤S310可得。即太赫兹大规模阵列天线在近场场景，仅通过使用相控阵模拟波束成形技术即可实现在角度-距离二维自由度，即空间发射波束功率聚焦，如图2 所示发射波束图在接收目标(5米，20°)实现发射功率的聚焦，这与远场相控阵阵列仅具有角度维度上的分辨率不同，具体可见图3。

本发明将进一步阐述本发明提出的发射波束随系统参数的变化，以供进一步证明本发明提出的发射波束方案聚焦性能。

附图中系统参数设置为发送端线性阵列的天线尺寸D＝0.3米，考虑经典太赫兹传输窗，载波设置为f＝0.3THz。

图5为太赫兹近场场景下采用不同FDA技术与仅使用相控阵的发射波束方向图解析模型的对比示意图。其中相控阵无频偏解析模型结果与图2进行比较可见，解析模型相对准确的描述了发射波束方向图，仅使用相控阵实现的波束聚焦性能基本与联合使用FDA技术的性能差别相似，这意味着本发明提出的近场相控阵发射波束方案的可行性。

图6为不同FDA频偏策略与相控阵发射波束图聚焦特性与通信距离的关系示意图。其中，联合使用FDA技术与仅使用于相控阵相比，聚焦性能在近场下并没有实现飞跃，且考虑到实际情况下相控阵技术更加成熟，无频偏模式使得系统结构更加简洁，功耗更低，这意味着本发明提到的在近场仅使用相控阵的发射波束成形方案性能更加优越。

图7分析太赫兹近场通信距离随天线尺寸的变化示意图。可见近场通信范围随着阵列天线尺寸的增加，近场通信范围不断增大；同时纵向分析发现，Δ_R越大即发射波束允许在距离维度上的聚焦要求越小，则近场通信范围同样不断增大，这表明本发明提出的远场-近场通信距离边界是用户自适应的，且可通过设置系统参数进行调节。

图8为本发明提出的在太赫兹远场通信联合使用不同FDA技术的发射波束示意图。尽管图3所示的远场相控阵发射波束图仅能实现角度维度的自由度，但联合FDA技术将实现角度 -距离二维空间自由度，即实现远场发射波束的聚焦性能，这意味着本发明在远场通信的可行性。

综上所述，本发明提出了一种远场-近场统一的太赫兹通信发射波束成形方案。本发明根据用户对发射波束性能的需求，自适应的设定近场-远场通信边界，从而实现全距离范围的发射波束成形方案；且本发明提出的发射成型方案依据解析法，这从本质上降低了波束成形方案的计算复杂度，同时针对近场场景提出的仅使用大规模相控阵发射方案将降低系统硬件复杂度，降低系统功耗。

Claims (1)

1.一种太赫兹通信系统中近远场统一的发射波束成形方法，太赫兹通信系统中发送端采用均匀线性阵列天线，天线阵列尺寸为D，共包含M个天线单元，天线单元间隔为d＝λ/2＝c/2f，c表示光速，f,λ分别表示天线的载波频率和载波波长，第m根天线载波频偏为f_m；定义接收目标到发送端序号为1的天线的距离和法向角度分别为r和θ；其特征在于，所述发射波束成形方法包括以下步骤：

S1、建立接收目标处发射功率最大化的联合FDA技术与相控阵的球面波前发射波束模型：

其中，f＝[f+f₁,f+f₂,...,f+f_M]^T，w＝[ω₁,ω₂,...,ω_M]^T表示天线发送信号权重，相控阵模拟波束成形采用空间匹配波束成形方案，接收目标为(R_D,θ_D)，定义天线发送信号权重为：

S2、联合FDA技术与相控阵，建立使得接收目标处发射功率最大化的球面波前解析模型为：

s.t.

其中，s.t.表示模型的约束条件，且第一个约束条件X表示距离维度满足的系数，第二个约束条件Y表示角度维度和距离维度耦合满足的系数，第三个约束条件Z表示角度维度满足的系数；

S3、根据当前系统参数配置，计算当前相控阵发射波束图的空间覆盖范围：

其中，S_near表示相控阵发射波束图半功率覆盖面积，Δ_R和Δ_θ分别表示相控阵发射波束图在距离和角度上的覆盖范围，X_near、Y_near和Z_near分别为f_m＝0,f_n＝0时X、Y和Z的取值；

S4、设定发射波束图覆盖距离门限为η，当Δ_R>η时，则判定此时的通信场景隶属于远场通信，此时发射端需采用联合FDA技术与相控阵的波束成形方案，即此时的发射波束图解析模型为S1中发射波束模型；否则，判定此时的通信隶属于近场通信，此时发射端采用相控阵的波束成形方法，此时的发射波束图解析模型为：

其中，

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