CN114978355B - 基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，包括：步骤1，对传统太赫兹超外差前端架构进行改进重构，在超外差架构的发射端(Tx)添加中频信号端口，在超外差架构的接收端(Rx)添加中频信号端口；步骤2，设置超外差架构Tx的中频漏波感知测向天线和Rx中频漏波感知测向天线；步骤3，面向场景，将感知测向算法耦合进基带；步骤4，对感知到的中频泄露信号进行处理，实现Rx通信链路方向测定；步骤5：基于感知测向结果，对Tx和Rx太赫兹阵列天线进行波束赋形，实现链路发现。所述方法基于主流太赫兹通信系统前端架构，实现了硬件资源开销低、场景使用范围广、远距离链路发现。

Description

基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法

技术领域

本发明属于无线通信接入技术领域，主要针对的应用场景为太赫兹无线通信网络，具体涉及一种基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法。

背景技术

随着无线通信的发展，网络容量与速率需求正在以指数级速度增长，传统无线通信频段的带宽难以满足未来网络需求，具有超大带宽特性的太赫兹(100GHz～10THz)成为第六代移动通信(6G)的关键候选频谱之一。相比传统微波通信频段，太赫兹路径损耗极高，窄波束传输可补偿路径损耗，是缓和路损影响的重要方案，成为了发展太赫兹无线通信的重要技术手段。但是，发送端如何发现接收端窄波束并对准是实现通信链路配置的关键，链路发现成为太赫兹无线通信技术瓶颈。

针对太赫兹窄波束传输的链路发现成为6G太赫兹通信的核心关键技术之一，传统方法基于波束赋形码本矩阵，在全部波束方向穷搜进行链路发现。太赫兹波束极窄，天线规模将是现有阵列的几个数量级以上，使得太赫兹通信下传统方法的训练开销极高。为克服开销高难题，一种基于Sub-6GHz阵列信道信息的太赫兹链路发现方法被提出，该方法利用Sub-6GHz信道信息训练深度神经网络，可在恒定场景下实现太赫兹链路快速发现和阻塞评估。但该方法需要具备大规模天线的Sub-6GHz前端，极大消耗了硬件资源；为此，一种基于视觉雷达的窄波束链路发现方法被提出。以视觉替换大规模天线的方法有效缓和了硬件资源浪费的难题。但视觉雷达在隐私场景、夜间适用性极低。相比之下，一种关于基于太赫兹前端泄露波的方法可以有效降低硬件资源需求，且适应性更强，但是该方法受制于太赫兹硬件发射功率低的瓶颈，无法进行超过1m的链路发现，不支持6G诸多业务场景，如室内太赫兹局域网等。

基于如上的现有技术存在的技术问题，亟需开发一种硬件资源开销低、适用场景范围广、可远距离传输、具有实用性的太赫兹链路发现方法。

发明内容

本发明提供一种基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，以解决现有技术中太赫兹链路发现开销大、使用场景受限、通信距离短的问题，所述方法能够在满足通信距离的前提下，降低太赫兹链路发现的训练和硬件资源开销。

本发明采用以下技术方案：

一种基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，包括：

步骤1，对传统太赫兹超外差前端架构进行改进重构，在超外差架构的发射端(Tx)添加中频信号端口，在超外差架构的接收端(Rx)添加中频信号端口；

步骤2，设置超外差架构Tx的中频漏波感知测向天线和Rx中频漏波感知测向天线；

步骤3，面向场景，将感知测向算法耦合进基带；

步骤4，对感知到的中频泄露信号进行处理，实现Rx通信链路方向测定；

步骤4.1，获取IF泄露的感知信号数据集；

步骤4.2，根据IF功分端口测向天线阵列单元设置，获取信号阵列导向向量；

步骤4.3，基于阵列导向向量提取数字IF泄露信号协方差矩阵，分解处理矩阵特征值得到噪声子空间投影算子，空间谱估计出Rx方向；

步骤5：基于感知测向结果，对Tx和Rx太赫兹阵列天线进行波束赋形，实现链路发现。

进一步地，步骤2包括：

步骤2.1，针对IF信号频率设置测向天线阵列单元数目及间隔；

步骤2.2，根据多障碍环境产生IF泄露信号的相干性，设置测向天线子阵列单元数目。

进一步地，步骤5中，阵列天线的天线个数为128。

进一步地，步骤5中，若链路发现耗时超过阈值10ms，重复步骤3，直至达到10ms阈值为止。

进一步地，步骤4中，IF漏波信号受多径信道和时变环境影响，产生多角度弥散散射信号，到达角集合θ＝{θ₁,θ₂,…,θ_n}，因此IF阵列单元导向向量满足：

其中{d₁,d₂,…,d_n}为天线阵元，ω表示信号角频率，结合导向向量与IF漏波信号数据，基带对信号矩阵进行协方差计算和特征值分解处理，得到噪声子空间投影算子矩阵E，结合噪声子空间投影算子矩阵，得到对应的角度空间谱估计，任意角度谱估计如下所示：

S(θ)＝A^H·A/A^H·(E·E^H)·A；

上式中，A^H、E^H分别表示对信号阵列导向向量A和噪声子空间投影算子矩阵E的共轭转置，S(θ)峰值即为感知测向算法估计方向

进一步地，步骤5中，太赫兹阵列存在G个波束赋形方向，通信系统接收信号向量y表示为：

y＝Ψb+n；

上式中，Ψ表示波束赋形与信道影响下联合影响的观测矩阵，b、n分别表示通信系统发射信号向量和噪声向量，链路发现过程表示为：

上式中，r^*表示链路发现结果，[Ψ]_:,r、ρ_r分别表示矩阵Ψ的第r列向量和概率加权向量ρ的第r个元素，

表示概率加权函数，按照下式计算：

利用步骤4中测向结果

概率加权向量ρ表示为：

与现有技术相比，本发明的优越效果在于：

本发明所述的基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，基于主流太赫兹通信系统前端架构，即高中频、上下变频超外差结构，实现了硬件资源开销低、场景使用范围广、远距离链路发现。

附图说明

图1是本发明实施例中基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法示意框图；

图2是本发明实施例中基于中频泄露感知的200GHz太赫兹超外差前端改进结构原理图；

图3是本发明实施例中基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法结果与通信标准协议结果对比图。

附图标记如下：1-基带、21-上变频模块、22-基波混频模块、31-Tx的12.5GHz中频漏波测向天线、32-Rx的12.5GHz中频漏波感知测向天线、4-太赫兹阵列天线。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

本实例提供一种基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，面向多障碍多径场景，具体通信系统指标为：2GHz带宽基带信号、200GHz次谐波混频太赫兹超外差通信系统。如图1所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：对传统太赫兹超外差前端架构进行改进重构，本实施例改进后结构原理图如图2所示，具体为：

步骤1.1：在超外差架构的发射端(Tx)添加中频信号端口，200GHz次谐波上变频模块21的中频(IF)接口与12.5GHz基波混频模块22的射频(RF)接口之间接入12.5GHz功分器；功分器中用于泄露接收的接口连接12.5GHz窄带滤波器，确保接收到信号为Rx的IF泄露信号；

步骤1.2：在超外差架构的接收端(Rx)添加中频信号端口，200GHz次谐波下变频模块21的IF接口与12.5GHz基波混频模块22的RF接口之间接入12.5GHz功分器；功分器中用于泄露发射的接口连接12.5GHz窄带滤波器，确保Rx泄露IF信号的同时不损坏通信信号；

步骤2：设置超外差架构Tx的12.5GHz中频漏波感知测向天线31和Rx的12.5GHz中频漏波感知测向天线32，具体为：

步骤2.1：针对12.5GHz的IF信号频率，设置6阵列单元的测向天线，天线间隔小于半波长；

步骤2.2：根据多障碍环境造成的12.5GHz中频泄露信号的相干性，设置4子阵列单元的测向天线；

步骤3：面向多障碍多径场景，将经典MUSIC感知测向算法耦合进基带1；

步骤4：进行12.5GHz中频泄露感知信号处理，实现Rx方向测定；具体为：

步骤4.1：获取IF泄露信号数据集：

{x(θ₁),x(θ₂),x(θ₃),x(θ₄)}；

上式中，θ表示信号角度方向，x表示与角度相关的数字信号向量；

步骤4.2：根据IF功分端口测向天线阵列单元设置，获取信号阵列导向向量A，其中：

步骤4.3：基于阵列导向向量提取数字IF泄露信号协方差矩阵，分解处理矩阵特征值得到噪声子空间投影算子，空间谱估计出Rx方向：

上式中，

表示基带1中测量算法针对Rx来波方向的估计值；

步骤5：基于感知测向结果

对200～210GHz太赫兹阵列天线4进行波束赋形，实现链路发现；本方案实施例中，200～210GHz太赫兹阵列天线4的天线个数为128，若链路发现耗时超过阈值10ms，返回至步骤3重复链路发现，直至达到10ms阈值为止。

在上述实施例的步骤4中，IF漏波信号受多径信道和时变环境影响，产生多角度弥散散射信号，到达角集合θ＝{θ₁,θ₂,…,θ_n}，因此IF阵列单元导向向量满足：

其中{d₁,d₂,…,d_n}为天线阵元，ω表示信号角频率，结合导向向量与IF漏波信号数据，基带1对信号矩阵进行协方差计算和特征值分解处理，得到噪声子空间投影算子矩阵E，结合噪声子空间投影算子矩阵，得到对应的角度空间谱估计，任意角度谱估计如下所示：

S(θ)＝A^H·A/A^H·(E·E^H)·A；

上式中，A^H、E^H分别表示对信号阵列导向向量A和噪声子空间投影算子矩阵E的共轭转置，S(θ)峰值即为MUSIC测向算法估计方向

在上述实施例的步骤5中，太赫兹阵列存在G个波束赋形方向，通信系统接收信号向量y表示为：

y＝Ψb+n；

上式中，Ψ表示波束赋形与信道影响下联合影响的观测矩阵，b、n分别表示通信系统发射信号向量和噪声向量，链路发现过程表示为：

上式中，r^*表示链路发现结果，[Ψ]_:,r、ρ_r分别表示矩阵Ψ的第r列向量和概率加权向量ρ的第r个元素，

表示概率加权函数，按照下式计算：

利用步骤4中测向结果

概率加权向量ρ表示为：

将本实施例所提出的方法得到的结果与实际通信标准协议结果相比较作为验证。以通信距离d＝30m时作为参考，图3所示为本实施例提供的基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法结果与通信标准协议结果对比图，附图中圆形实线为本发明具体实施例的链路发现结果，三角形虚线为通信标准协议穷搜方案的链路发现结果。通过上述结果对比可知，本实施例所提出的基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法在相同的链路发现成功概率下所需更少的训练开销，进而本实施例所述高效的太赫兹通信链路发现方法能够在保证一定通信距离下，大幅降低链路发现所需开销。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (6)

1.一种基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，其特征在于，包括：

步骤1，对传统太赫兹超外差前端架构进行改进重构，在超外差架构的发射端(Tx)添加中频信号端口，在超外差架构的接收端(Rx)添加中频信号端口；

步骤2，设置超外差架构Tx的中频漏波感知测向天线和Rx中频漏波感知测向天线；

步骤3，面向场景，将感知测向算法耦合进基带；

步骤4，对感知到的中频泄露信号进行处理，实现Rx通信链路方向测定；

步骤4.1，获取IF泄露的感知信号数据集；

步骤4.2，根据IF功分端口测向天线阵列单元设置，获取信号阵列导向向量；

步骤4.3，基于阵列导向向量提取数字IF泄露信号协方差矩阵，分解处理矩阵特征值得到噪声子空间投影算子，空间谱估计出Rx方向；

步骤5：基于感知测向结果，对Tx和Rx太赫兹阵列天线进行波束赋形，实现链路发现。

2.根据权利要求1所述的基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2.1，针对IF信号频率设置测向天线阵列单元数目及间隔；

步骤2.2，根据多障碍环境产生IF泄露信号的相干性，设置测向天线子阵列单元数目。

3.根据权利要求1所述的基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，其特征在于，步骤5中，阵列天线的天线个数为128。

4.根据权利要求1或3所述的基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，其特征在于，步骤5中，若链路发现耗时超过阈值10ms，重复步骤3，直至达到10ms阈值为止。

5.根据权利要求1所述的基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，其特征在于，步骤4中，IF漏波信号受多径信道和时变环境影响，产生多角度弥散散射信号，到达角集合θ＝{θ₁,θ₂,…,θ_n}，因此IF阵列单元导向向量满足：

其中{d₁,d₂,…,d_n}为天线阵元，ω表示信号角频率，结合导向向量与IF漏波信号数据，基带对信号矩阵进行协方差计算和特征值分解处理，得到噪声子空间投影算子矩阵E，结合噪声子空间投影算子矩阵，得到对应的角度空间谱估计，任意角度谱估计如下所示：

S(θ)＝A^H·A/A^H·(E·E^H)·A……(2)；

上式中，A^H、E^H分别表示对信号阵列导向向量A和噪声子空间投影算子矩阵E的共轭转置，S(θ)峰值即为感知测向算法估计方向

6.根据权利要求1所述的基于超外差中频泄露感知的太赫兹链路发现方法，其特征在于，步骤5中，太赫兹阵列存在G个波束赋形方向，通信系统接收信号向量y表示为：

y＝Ψb+n……(3)；

上式中，Ψ表示波束赋形与信道影响下联合影响的观测矩阵，b、n分别表示通信系统发射信号向量和噪声向量，链路发现过程表示为：

上式中，r^*表示链路发现结果，[Ψ]_:,r、ρ_r分别表示矩阵Ψ的第r列向量和概率加权向量ρ的第r个元素，

表示概率加权函数，按照下式计算：

利用步骤4中测向结果

概率加权向量ρ表示为：

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