CN115622602A - 近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN115622602A
CN115622602A CN202211079353.6A CN202211079353A CN115622602A CN 115622602 A CN115622602 A CN 115622602A CN 202211079353 A CN202211079353 A CN 202211079353A CN 115622602 A CN115622602 A CN 115622602A
Authority
CN
China
Prior art keywords
field
codebook
angle
far
user
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211079353.6A
Other languages
English (en)
Inventor
游昌盛
张芸莆
吴迅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest University of Science and Technology
Original Assignee
Southwest University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest University of Science and Technology filed Critical Southwest University of Science and Technology
Priority to CN202211079353.6A priority Critical patent/CN115622602A/zh
Publication of CN115622602A publication Critical patent/CN115622602A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0837—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using pre-detection combining
    • H04B7/0842—Weighted combining
    • H04B7/086—Weighted combining using weights depending on external parameters, e.g. direction of arrival [DOA], predetermined weights or beamforming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/24—Cell structures
    • H04W16/28—Cell structures using beam steering

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明实施例提供了一种近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质。方法包括：获取远场码本；基于远场码本进行波束扫描以及候选角度估计处理，得到用户候选角度索引集合；根据用户候选角度索引集合设定极域码本，其中，极域码本中的每个码字对应着一个待选定波束，待选定波束携带有方向信息和距离信息；基于方向信息和距离信息对用户候选角度索引集合进行有效距离估计处理，得到最优极域码字。根据本发明实施例的方案，能够显著降低波束训练的训练开销，使得后续具有更加充足的时间进行数据传输，而且本发明的两阶段近场波束训练方法可以适用于远场和近场通信系统，具有极高的现实意义。

Description

近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质。
背景技术
具有有源或者无源元件的超大规模阵列/表面已经成为一种有前景的技术，它可显著提高未来第六代无线网络的频谱效率和空间分辨率。与第五代的大规模多输入输出相比，6G的超大规模阵列引入了几个新的信道特性。具体而言，随着天线数量和载波频率的增加，由于用户/链路距离比增加的瑞利距离更小，因此用户更有可能位于具有球面波前传播模型的近场区域。因此，基于具有平面波前假设的远场信道模型的传统收发器设计可能不适用于超大规模阵列通信。
特别地，为了获得超大规模阵列带来的显著波束赋形增益，超大规模阵列在进行有效的信道估计和数据传输之前，必须进行近场波束训练以建立高信噪比的初始链路。与旨在基于预先定义的角域波束码本找到最佳波束方向的传统远场波束训练方法相比，近场波束训练需要新的码本设计，并根据球面波前模型有效地搜索与特定信道角度和距离相匹配的波束。因此，直接将传统的远场波束训练方法应用于近场通信系统将导致性能显著下降，尤其是当用户非常靠近超大规模阵列的时候。由于近场通信基于球面波前传播模型，因此近场波束训练需要确定信号源的角度和距离，但是目前基于二维穷举搜索方法的近场波束训练的训练开销比较大，从而导致后续的数据传输的时间不足。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明提出一种近场波束训练方法，能够显著降低波束训练的训练开销，使得后续具有更加充足的时间进行数据传输，而且本发明的两阶段近场波束训练方法可以适用于远场和近场通信系统，具有极高的现实意义。
本发明还提出一种应用上述近场波束训练方法的电子设备。
本发明还提出一种应用上述近场波束训练方法的计算机可读存储介质。
根据本发明第一方面实施例的近场波束训练方法，所述方法包括：
获取远场码本，其中，所述远场码本用于表征用户端位于基站的远场区域的情况下进行波束训练而采用的码本；
基于所述远场码本进行波束扫描以及候选角度估计处理，得到用户候选角度索引集合；
根据所述用户候选角度索引集合确设定极域码本，其中，所述极域码本中的每个码字对应着一个待选定波束，所述待选定波束携带有方向信息和距离信息；
基于所述方向信息和所述距离信息对所述用户候选角度索引集合进行有效距离估计处理，得到最优极域码字，其中，所述最优极域码字为所述极域码本中最优的码字。
根据本发明实施例的近场波束训练方法，至少具有如下有益效果：在进行近场波束训练的过程中，首先获取远场码本，其中，远场码本用于表征用户端位于基站的远场区域的情况下进行波束训练而采用的码本；接着基于远场码本进行波束扫描以及候选角度估计处理，从而得到用户候选角度索引集合；接着根据用户候选角度索引集合设定极域码本，其中，极域码本中的每个码字对应着一个待选定波束，而每个待选定波束携带有方向信息和距离信息；最后基于方向信息和距离信息对用户候选角度索引集合进行有效距离估计处理，从而得到最优极域码字；通过上述技术方案，能够显著降低波束训练的训练开销，使得后续具有更加充足的时间进行数据传输，而且本发明的两阶段近场波束训练方法可以适用于远场和近场通信系统，具有极高的现实意义。
根据本发明的一些实施例，所述基于所述远场码本进行波束扫描以及候选角度估计处理，得到用户候选角度索引集合，包括：
基于所述远场码本进行角度域波束扫描处理得到第一接收信号；
对所述第一接收信号进行角度估计处理得到主导角区域；
基于预设的选择规则，从所述主导角区域确定得到所述用户候选角度索引集合。
根据本发明的一些实施例，所述基于所述方向信息和所述距离信息对所述用户候选角度索引集合进行有效距离估计处理，得到最优极域码字，包括：
基于所述方向信息和所述距离信息对所述用户候选角度索引集合进行距离域波束扫描处理得到第二接收信号；
对所述第二接收信号进行波束测定处理得到所述最优极域码字。
根据本发明的一些实施例，所述基于预设的选择规则，从所述主导角区域确定得到所述用户候选角度索引集合，包括：
获取候选空间角选择参数；
基于所述候选空间角选择参数对所述主导角区域进行调整，得到所述用户候选角度索引集合。
根据本发明的一些实施例，所述第二接收信号表示如下：
Figure BDA0003833086350000021
其中，
Figure BDA0003833086350000022
表示为极域码字，N表示基站天线的数量，h表示复数形式的信道增益，bH(θ,r)表示近场导向矢量，
Figure BDA0003833086350000031
表示采样距离，θk表示候选角度，z0表示用户端接收到的功率为σ2的加性高斯白噪声，x表示基站发射功率为P的信号，
Figure BDA0003833086350000032
表示基站波束赋形向量，θ表示用户端到基站的空间角度，r表示基站到用户端的距离。
根据本发明的一些实施例，所述最优极域码字的索引表示如下：
Figure BDA0003833086350000033
其中，
Figure BDA0003833086350000034
表示为极域码字，
Figure BDA0003833086350000035
表示用户端接收的所述第二接收信号，Ξ表示所述用户候选角度索引集合，K表示候选空间角度的数量，sk＝0,1,2,3,…；
Figure BDA0003833086350000036
表示非均匀距离索引集合，
Figure BDA0003833086350000037
表示所述最优极域码字的索引。
根据本发明的一些实施例，所述第一接收信号表示如下：
Figure BDA0003833086350000038
其中，wn表示所述远场码本中的码字，z0表示用户端接收到的功率为σ2的加性高斯白噪声，bH(θ,r)表示近场导向矢量，x表示基站发射的功率为P的信号，N表示基站天线的数量，h表示复数形式的信道增益，θn表示整个空间域被划分为N个大小相等的扇区的中心方向，a(θn)表示指向中心方向θn的发射波束，θ表示用户端到基站的空间角度，r表示基站到用户端的距离。
根据本发明的一些实施例，所述主导角区域表示如下：
Figure BDA0003833086350000039
其中，wn表示所述远场码本中的码字，y(wn)表示所述第一接收信号，w表示远场码本中最优的码字，ρ∈(0,1)表示近场导向矢量的波束增益阈值，n＝1,2，……，N。
根据本发明第二方面实施例的电子设备，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计算机程序时实现如上所述的近场波束训练方法。
根据本发明第三方面实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被控制处理器执行时实现如上所述的近场波束训练方法。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本公开技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。
图1是本发明一个实施例提供的近场波束训练方法流程图；
图2是本发明一个实施例提供的近场波束训练方法的候选角度估计的具体流程图；
图3是本发明一个实施例提供的近场波束训练方法的有效距离估计的具体流程图；
图4是本发明一个实施例提供的近场波束训练方法的获取用户候选角度索引集合的具体流程图；
图5是本发明一个实施例提供的窄带超大规模阵列通信系统；
图6是本发明一个实施例提供的远场波束赋形向量的归一化波束增益与远场和近场信道模型下的空间角关系示意图；
图7是本发明一个实施例提供的电子设备的构造示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质，方法包括：获取远场码本和极域码本；基于远场码本对波束进行候选角度估计处理就可以得到用户候选角度索引集合；基于极域码本对用户候选角度索引集合进行有效距离估计处理就能够得到最优极域码字；通过上述技术方案，能够降低波束训练的训练开销，使得后续具有更加充足的时间进行数据传输。
下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
如图1所示，图1是本发明一个实施例提供的近场波束训练方法的流程图。该方法包括但不限于有步骤S100、步骤S200、步骤S300和步骤S400：
步骤S100，获取远场码本，其中，远场码本用于表征用户端位于基站的远场区域的情况下进行波束训练而采用的码本；
步骤S200，基于远场码本进行波束扫描以及候选角度估计处理，得到用户候选角度索引集合；
步骤S300，根据用户候选角度索引集合设定极域码本，其中，极域码本中的每个码字对应着一个待选定波束，待选定波束携带有方向信息和距离信息；
步骤S400，基于方向信息和距离信息对用户候选角度索引集合进行有效距离估计处理，得到最优极域码字，其中，所述最优极域码字为极域码本中最优的码字。
需要说明的是，在进行近场波束训练的过程中，首先获取远场码本；接着基于远场码本进行波束扫描以及候选角度估计处理，从而得到用户候选角度索引集合；接着根据用户候选角度索引集合设定极域码本，其中，极域码本中的每个码字对应着一个待定波束，待定波束携带有方向信息和距离信息；最后基于方向信息和距离信息对用户候选角度索引集合进行有效距离估计处理，最后得到最优极域码字；通过上述技术方案，能够显著降低波束训练的训练开销，使得后续具有更加充足的时间进行数据传输，而且本发明的两阶段近场波束训练方法可以适用于远场和近场通信系统，具有极高的现实意义。
值得注意的是，远场码本用于表征用户端位于基站的远场区域的情况下进行波束训练而采用的码本；极域码本是根据用户候选角度索引集合进行定制而得到的，可以通过人为的方式进行定制处理。待定波束携带有方向信息和距离信息，其中，方向信息可以为角度信息，并且对于一个待定波束，方向信息和距离信息是成对组合出现的。
需要说明的是，波束训练通常也称为波束对准；波束训练通过使用模拟的发射波束和接收波束对毫米波大规模多输入多输出信道进行探测，寻找接收信号能量最大的收发波束组合，即最适配于该信道传输的波束对，从而避免了对大维空口信道的直接估计。当波束训练完成之后，就会形成小维的等效信道矩阵，只需要少量的导频就能基于最小二乘或者最小均方误差进行快速估计。
值得注意的是，在多输入多输出信道估计和波束训练等问题中，往往需要使用码本，而本申请实施例中的远程码本指对应于基站的远场区域波束训练所设定的码本，其中，电磁辐射可以分为远场区域和近场区域，具体而言，当基站与用户的距离大于瑞利距离的时候就会认定用户位于远场区域，当基站与用户的距离小于瑞利距离的时候就会认定用户位于近场区域；极域码本可以为测试人员根据实际情况需要而设定的码本。其中，本申请的用户可以为手机或者其他移动设备。
值得注意的是，用户实际的空间方向大致上位于主导角区域的中间，因此可以将近场波束训练分为候选角度估计和有效距离估计这两个连续的部分；第一阶段根据远场码本和角度域波束扫描确定用户的候选角度。然后，第二阶段采用定制化的极域码本，在给定候选角度的情况下找到用户的最佳有效距离，而不是像穷举搜索那样使用完整的角度域。本发明相比最好的现有技术的主要优点是极大的降低了最好先有技术的训练开销，同时也获得了和最好现有技术相当的波束赋形性能。
值得注意的是，本申请实施例所提供的近场波束训练方法可以适用于远场和近场通信系统，具有极高的现实意义。
另外，在一实施例中，如图2所示，上述步骤S200可以包括但不限于步骤S210、步骤S220和步骤S230。
步骤S210，基于远场码本进行角度域波束扫描处理得到第一接收信号；
步骤S220，对第一接收信号进行角度估计处理得到主导角区域；
步骤S230，基于预设的选择规则，从主导角区域确定得到用户候选角度索引集合。
需要说明的是，在对波束进行候选角度估计的过程中，首先基于远场码本进行角度域波束扫描处理就可以得到第一接收信号；然后对第一接收信号进行角度估计处理就可以得到主导角区域；最后根据预设的选择规则，从主导角区域中确定得到用户候选角度索引集合。
值得注意的是，基站依次发送若干个训练符号，同时根据预设定的远场码本动态调整波束方向，其中，波束方向由远场码本中的码字指定。根据每个码字，用户端可以接收到第一接收信号。在第一阶段波束扫描结束之后，还可以基于第一接收信号进行角度估计处理从而得到主导角区域；最后基于预设的选择规则，从主导角区域中确定得到用户候选角度索引集合。
另外，在一实施例中，如图3所示，上述步骤S400可以包括但不限于步骤S410和步骤S420。
步骤S410，基于方向信息和距离信息对用户候选角度索引集合进行距离域波束扫描处理得到第二接收信号；
步骤S420，对第二接收信号进行波束测定处理得到最优极域码字。
需要说明的是，在获取最优极域码字的过程中，首先基于方向信息和距离信息对用户候选角度索引集合进行距离域波束扫描处理得到第二接收信号；然后对第二接收信号进行波束测定处理就可以得到最优极域码字。
值得注意的是，方向信息可以为基站与用户端之间的角度信息，距离信息可以表示基站与用户端之间的距离。
值得注意的是，在距离域波束扫描处理之后，可以根据接收到的第二接收信号的信号功率或者信噪比确定得到最优极域码字。
另外，在一实施例中，如图4所示，上述步骤S230包括但不限于步骤S231和步骤S232。
步骤S231，获取候选空间角选择参数；
步骤S232，基于候选空间角选择参数对主导角区域进行调整，得到用户候选角度索引集合。
需要说明的是，在获取用户候选角度索引集合的过程中，首先获取候选空间角选择参数，接着就可以基于候选空间角选择参数对主导角区域进行调整处理，进而就可以得到用户候选角度索引集合。
值得注意的是，由于功率波动以及接收噪声的影响，上述得到的主导角区域的中间角度可能不够准确，为了解决这一个问题，可以设定一个候选空间角选择参数，接着在量化的主导角区域的中间位置选择候选空间角选择参数数量个候选空间角而不是只选择一个空间角，进而就可以得到用户候选角度索引集合。
在一些实施例中，第二接收信号表示如下：
Figure BDA0003833086350000071
其中，
Figure BDA0003833086350000072
表示为极域码字，N表示基站天线的数量，h表示复数形式的信道增益，bH(θ,r)表示近场导向矢量，
Figure BDA0003833086350000073
表示采样距离，θk表示候选角度，z0表示用户端接收到的功率为σ2的加性高斯白噪声，x表示基站发射的功率为P的信号，
Figure BDA0003833086350000074
表示基站波束赋形向量，θ表示用户端到基站的空间角度，r表示基站到用户端的距离。
在一些实施例中，最优极域码字的索引表示如下：
Figure BDA0003833086350000075
其中，
Figure BDA0003833086350000076
表示为极域码字，
Figure BDA0003833086350000077
表示用户端接收的第二接收信号，Ξ表示用户候选角度索引集合，K表示候选空间角度的数量，sk＝0,1,2,3,…；
Figure BDA0003833086350000078
表示非均匀距离索引集合，
Figure BDA0003833086350000079
表示最优极域码字的索引。
在一些实施例中，第一接收信号表示如下：
Figure BDA00038330863500000710
其中，wn表示远场码本中的码字，z0表示用户端接收到的功率为σ2的加性高斯白噪声，bH(θ,r)表示近场导向矢量，x表示基站发射的功率为P的信号，N表示基站天线的数量，h表示复数形式的信道增益，θn表示整个空间域被划分为N个大小相等的扇区的中心方向，a(θn)表示指向中心方向θn的发射波束，θ表示基站到用户端的空间角度，r表示基站到用户端的距离。
在一些实施例中，主导角区域表示如下：
Figure BDA00038330863500000711
其中，wn表示远场码本中的码字，y(wn)表示第一接收信号，w表示远场码本中最优的码字，ρ∈(0,1)表示近场导向矢量的波束增益阈值，n＝1,2，……，N。
为了更加清楚地说明本发明实施例提供的近场波束训练方法，下面以具体的示例进行说明。
如图5所示，本发明实施例提供了一个窄带超大规模阵列通信系统的下行波束训练。其中，配置N根天线的无源均匀线性阵列的基站与单天线用户进行通信。
本申请提出一种通信近场信道模型，一般来说，电磁辐射场可以分为远场和近场区域，导致不同的信道特征。具体而言，当基站与用户的距离大于众所周知的瑞利距离
Figure BDA0003833086350000081
Figure BDA0003833086350000082
为天线阵列孔径，λ为载波波长)时，用户位于远场区域。当用户距离小于瑞利距离时则位于近场区域。特别是对于高频段(例如毫米波/太赫兹)的超大规模阵列通信系统，例如当D＝0.4m和f＝100GHz，瑞利距离Z约为107m，因此用户通常位于近场区域，其信道建模如下。
在不失一般性的情况下，将有N根天线的基站放置在y轴上，第n根天线的坐标为(0，δnd)。其中
Figure BDA0003833086350000083
表示天线之间的间距。然后，基于球面波前传播模型，从基站到用户的近场视距(Line-of-sight,LoS)信道，用
Figure BDA0003833086350000084
表示，可以建模为
Figure BDA0003833086350000085
这里
Figure BDA0003833086350000086
表示复数形式的信道增益，其中β和r分别表示基站中心与用户距离1m处的参考信道增益和基站中心与用户的距离。bH(θ,r)表示近场导向矢量，
Figure BDA0003833086350000087
其中θ表示空间角度，
Figure BDA0003833086350000088
这里φ表示从基站中心到用户的物理角度(angle-of-departure,AoD)。
Figure BDA0003833086350000089
表示基站第n根天线即(0，δnd)与用户之间的距离。
对于信号模型，基于上述式子，用户端接收到的信号由下式给出
Figure BDA00038330863500000810
其中，
Figure BDA00038330863500000811
表示基站发射信号x的功率为P，v∈CN×1表示基于功率有效的模拟移相器在基站处的发射波束赋形向量，z0是用户端接收到的功率为σ2的加性高斯白噪声。
对于近场波束训练，可以很容易地得到最优的基站波束赋形向量vopt＝b(θ,r)。这表明最优的波束训练码字应该同时对齐空间角θ和基站到用户的距离r，这与传统的远场波束训练方法有显著不同。
首先，做出以下关键定义。
定义1:定义A(uH,w)为波束赋形向量w沿信道导向向量uH的归一化波束增益，由下式给出
Figure BDA00038330863500000812
定义2:将w(Ω)定义为空间角Ω∈[-1,1]的远场波束赋形向量函数。然后，让
Figure BDA00038330863500000813
表示bH(θ,r)(近场导向矢量)的主导角区域，该区域表征了使用远场波束赋形向量w可以导致bH(θ,r)足够高的波束功率的空间角区域。在数学上，
Figure BDA0003833086350000091
由下式给出
Figure BDA0003833086350000092
其中ρ∈(0,1)是bH(θ,r)的波束增益阈值。特别地，ρ可以设为
Figure BDA0003833086350000093
对应于3dB的主导角区域。
其中，在图6中展示了远场波束赋形向量w的归一化波束增益与远场和近场信道模型下的空间角关系，由
Figure BDA0003833086350000094
给出。下面给出一个重要的观察结果。
其中，传统的远场波束训练方法及其直接应用于近场波束训练时存在的问题。基于平面波前假设，远场信道模型
Figure BDA0003833086350000095
可以表征为
Figure BDA0003833086350000096
其中，aH(θ)表示远场导向向量
Figure BDA0003833086350000097
用户端接收到的信号可以表征为：
Figure BDA0003833086350000098
对于经典的远场波束训练，整个空间域[-1,1]被划分为N个大小相等的扇区，其中心方向可以表示为
Figure BDA0003833086350000099
因此，由N个码字组成的远场码本可以构造为W＝{w1,w2,…,wN}，每个码字wn对应指向中心方向θn的发射波束，即wn＝a(θn)。然后，BS在训练符号上依次挑选码本的N个码字作为传输波束赋形向量。最后，用户测量其随时间变化的接收信号功率并反馈导致最大接收信号功率的码字索引。
在图6中，基于远场波束赋形向量w，用户真正的空间角θ近似位于主导角区域的中间。在数学上，得到
Figure BDA00038330863500000910
w(Ω)沿远场(用虚线表示)和近场(用实线表示)波束导向向量，即aH(·)和bH(·)，在四个空间角(用黑色虚线表示)下的归一化波束增益，其中基站天线数为256，载波频率为100GHz。近场和远场的基站用户距离分别设置为1m和100m。
通过使用传统的远场波束训练方法，可以近似定位近场用户的真实空间角度。基于此，提出了一种新的两阶段近场波束训练方法。其核心思想是首先基于远场码本估计候选空间角度，然后在第二阶段基于定制的极域码本进行有效距离估计。两个阶段的详细过程如下所述。
在第一阶段，旨在基于远场波束训练方法估计用户的空间角度。具体地说，构造了一个角域码本W，每个码字指向一个空间方向。
角度域波束扫描：基站依次发送N个训练符号，同时根据预定义的角域码本W＝{w1,w2,…,wN}动态调整波束方向(由码字指定)。对于每个码字wn，用户端接收到的信号由下式给出
Figure BDA0003833086350000101
候选角度估计：在波束扫描后，基于定义2，用户接收到显著高功率的码字索引集(即主导角区域)记为Ψ，由Ψ＝{n||y(wn)|2>ρ2maxw|y(w)|2}给出。
值得注意的是，由于功率波动、接收噪声的存在以及上述观察中的近似，得到的主导角区域的中间角度可能不够准确。为了解决这一问题，提出了一种新的中间K候选角选择方案。该方案在量化的主导角区域的中间位置选择K个候选空间角而不是只选择一个空间角。具体而言，令Ξ表示候选角索引集,由
Figure BDA0003833086350000102
表示，其中K表示候选空间角度的数量。
第二阶段(有效距离估计):在第一阶段获得的候选角索引集合Ξ的基础上，提出了一种基于非均匀距离采样方法的定制化极域波束训练方法，用于第二阶段估计有效用户距离。值得注意的是，有效用户距离定义为极域码本中用户对应的最佳采样距离，由于采样次数有限，该距离可能不是真实的基站到用户的距离。具体而言，采用极性域码本F，该码本由
Figure BDA0003833086350000103
组码字组成，每个码字对应一个特定的角度-距离对。
距离域波束扫描：基站向用户发送K组导频符号。对于每个候选角度θk,k∈Ξ，采样距离由下式给出
Figure BDA0003833086350000104
其中
Figure BDA0003833086350000105
是为限制两个近场导向向量之间的列相干性而定义的阈值距离。其对应的非均匀距离索引集合，用
Figure BDA0003833086350000106
表示，由下式给出
Figure BDA0003833086350000107
然后，给定极域码字
Figure BDA0003833086350000108
用户端的接收信号表示为
Figure BDA0003833086350000109
波束测定：在第二阶段的距离域波束扫描之后，用户根据其接收到的信号功率/信噪比确定其最佳极域波束码字，表示为
Figure BDA00038330863500001010
在数学上，最佳极域码字的索引由下式给出：
Figure BDA00038330863500001011
因此，最佳波束的方向和距离对由
Figure BDA00038330863500001012
给出。
本申请实施例首先给出一个重要的观察，即用户真正的空间角θ近似位于新定义的主导角区域的中间，基于此，将二维搜索分解为两个连续的阶段。
第一阶段(候选角度估计)
角度域波束扫描：使用传统的远场码本(角度域码本)进行波束扫描，得到用户的主导角区域。
候选角度估计：根据所提出的中间K候选角度原则，确定用户候选角度索引的集合。
第二阶段(有效距离估计)
距离域波束扫描：使用定制化的极域码本进行距离域波束扫描。
波束测定：用户根据接收到的信号功率或者是信噪比确定最好的极域码字。
通过上述技术方案，第一阶段根据远场码本和角度域波束扫描确定用户的候选角度。然后，第二阶段采用定制化的极域码本，在给定候选角度的情况下找到用户的最佳有效距离，而不是像穷举搜索那样使用完整的角度域。本申请相比现有技术的主要优点是极大的降低了最好现有技术的训练开销，同时也获得了和最好现有技术相当的波束赋形性能。
在本发明的一些实施例中，如图7所示，本发明的一个实施例还提供了一种电子设备700，包括：存储器720、处理器710及存储在存储器720上并可在处理器710上运行的计算机程序，处理器710执行计算机程序时实现上述实施例中的近场波束训练方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S100至步骤S400、图2中的方法步骤S210至步骤S230、图3中的方法步骤S410至S420和图4中的方法步骤S231至S232。值得注意的是，本发明实施例的电子设备可以为基站。
在本发明的一些实施例中，本发明的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个处理器或控制器执行，例如，被上述设备实施例中的一个处理器执行，可使得上述处理器执行上述实施例中的近场波束训练方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S100至步骤S400、图2中的方法步骤S210至步骤S230、图3中的方法步骤S410至S420和图4中的方法步骤S231至S232。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种近场波束训练方法，其特征在于，所述方法包括：
获取远场码本，其中，所述远场码本用于表征用户端位于基站的远场区域的情况下进行波束训练而采用的码本；
基于所述远场码本进行波束扫描以及候选角度估计处理，得到用户候选角度索引集合；
根据所述用户候选角度索引集合设定极域码本，其中，所述极域码本中的每个码字对应着一个待选定波束，所述待选定波束携带有方向信息和距离信息；
基于所述方向信息和所述距离信息对所述用户候选角度索引集合进行有效距离估计处理，得到最优极域码字，其中，所述最优极域码字为所述极域码本中最优的码字。
2.根据权利要求1所述的近场波束训练方法，其特征在于，所述基于所述远场码本进行波束扫描以及候选角度估计处理，得到用户候选角度索引集合，包括：
基于所述远场码本进行角度域波束扫描处理得到第一接收信号；
对所述第一接收信号进行角度估计处理得到主导角区域；
基于预设的选择规则，从所述主导角区域确定得到所述用户候选角度索引集合。
3.根据权利要求1所述的近场波束训练方法，其特征在于，所述基于所述方向信息和所述距离信息对所述用户候选角度索引集合进行有效距离估计处理，得到最优极域码字，包括：
基于所述方向信息和所述距离信息对所述用户候选角度索引集合进行距离域波束扫描处理得到第二接收信号；
对所述第二接收信号进行波束测定处理得到所述最优极域码字。
4.根据权利要求2所述的近场波束训练方法，其特征在于，所述基于预设的选择规则，从所述主导角区域确定得到所述用户候选角度索引集合，包括：
获取候选空间角选择参数；
基于所述候选空间角选择参数对所述主导角区域进行调整，得到所述用户候选角度索引集合。
5.根据权利要求3所述的近场波束训练方法，其特征在于，所述第二接收信号表示如下：
Figure FDA0003833086340000011
其中，
Figure FDA0003833086340000012
表示为极域码字，N表示基站天线的数量，h表示复数形式的信道增益，bH(θ,r)表示近场导向矢量，
Figure FDA0003833086340000013
表示采样距离，θk表示候选角度，z0表示用户端接收到的功率为σ2的加性高斯白噪声，x表示基站发射的功率为P的信号，
Figure FDA0003833086340000014
表示基站波束赋形向量，θ表示用户端到基站的空间角度，r表示基站到用户端的距离。
6.根据权利要求3所述的近场波束训练方法，其特征在于，所述最优极域码字的索引表示如下：
Figure FDA0003833086340000021
其中，
Figure FDA0003833086340000022
表示为极域码字，
Figure FDA0003833086340000023
表示用户端接收的所述第二接收信号，Ξ表示所述用户候选角度索引集合，K表示候选空间角度的数量，sk＝0,1,2,3,…；
Figure FDA0003833086340000024
表示非均匀距离索引集合，
Figure FDA0003833086340000025
表示所述最优极域码字的索引。
7.根据权利要求2所述的近场波束训练方法，其特征在于，所述第一接收信号表示如下：
Figure FDA0003833086340000026
其中，wn表示所述远场码本中的码字，z0表示用户端接收到的功率为σ2的加性高斯白噪声，bH(θ,r)表示近场导向矢量，x表示基站发射的功率为P的信号，N表示基站天线的数量，h表示复数形式的信道增益，θn表示整个空间域被划分为N个大小相等的扇区的中心方向，a(θn)表示指向中心方向θn的发射波束，θ表示用户端到基站的空间角度，r表示基站到用户端的距离。
8.根据权利要求2所述的近场波束训练方法，其特征在于，所述主导角区域表示如下：
Figure FDA0003833086340000027
其中，wn表示所述远场码本中的码字，y(wn)表示所述第一接收信号，w表示远场码本中最优的码字，ρ∈(0,1)表示近场导向矢量的波束增益阈值，n＝1,2，……，N。
9.一种电子设备，其特征在于，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计算机程序时实现如权利要求1至8任意一项所述的近场波束训练方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，其特征在于，所述计算机可执行指令被控制处理器执行时实现如权利要求1至8任意一项所述的近场波束训练方法。
CN202211079353.6A 2022-09-05 2022-09-05 近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质 Pending CN115622602A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211079353.6A CN115622602A (zh) 2022-09-05 2022-09-05 近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211079353.6A CN115622602A (zh) 2022-09-05 2022-09-05 近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115622602A true CN115622602A (zh) 2023-01-17

Family

ID=84859211

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211079353.6A Pending CN115622602A (zh) 2022-09-05 2022-09-05 近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115622602A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117335848A (zh) * 2023-11-06 2024-01-02 国家工业信息安全发展研究中心 一种超大规模mimo空间非平稳信道的波束训练方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117335848A (zh) * 2023-11-06 2024-01-02 国家工业信息安全发展研究中心 一种超大规模mimo空间非平稳信道的波束训练方法
CN117335848B (zh) * 2023-11-06 2024-04-16 国家工业信息安全发展研究中心 一种超大规模mimo空间非平稳信道的波束训练方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210013619A1 (en) Large intelligent surfaces with sparse channel sensors
US10382230B2 (en) System and method for channel estimation in mmWave communications exploiting joint AoD-AoA angular spread
US9155097B2 (en) Methods and arrangements for beam refinement in a wireless network
US11742910B2 (en) Multi-user uplink and downlink beam alignment method for asymmetric millimeter wave large-scale MIMO
CN108650200B (zh) 高低频混合组网系统的低频辅助信道估计方法
US20220159480A1 (en) Beamforming method and apparatus, radio access network device, and readable storage medium
WO2017020202A1 (zh) 训练波束传输方法、装置及系统
Abdelreheem et al. Adaptive location‐based millimetre wave beamforming using compressive sensing based channel estimation
CN113131979B (zh) 一种传输方法及网络侧设备
US10320457B2 (en) Beam tracking method, apparatus, and system
US11533095B2 (en) Data-driven beam tracking method and device for mobile millimeter wave communication system and storage medium
CN115622602A (zh) 近场波束训练方法、电子设备及计算机可读存储介质
US10523302B2 (en) Apparatus and method for selecting beam pattern in communication system supporting beamforming scheme
Kutty et al. An improved numerical optimization method for efficient beam search in 60 GHz indoor millimeter wave wireless networks
CN116232391A (zh) 超大规模天线阵列的波束训练方法、电子设备及存储介质
CN116319182A (zh) Irs辅助毫米波的信道估计方法、设备及存储介质
WO2023092361A1 (zh) 通信系统中的终端以及发送设备
CN115361258A (zh) 一种大规模mimo稀疏信道估计方法及相关设备
Ghosh et al. Ub3: Best beam identification in millimeter wave systems via pure exploration unimodal bandits
US10708090B1 (en) Millimeter wave channel estimation method
Fokin et al. Downlink Transmit-End Beam Refinement for mmWave Communications Under Mobility
Zhang et al. Data-Driven Multi-armed Beam Tracking for Mobile Millimeter-Wave Communication Systems
CN117767985A (zh) 超大规模mimo近场波束训练方法、装置及电子设备
CN109698714B (zh) 一种阵列波束检测的方法和装置
US20240063856A1 (en) Interference-aware dimension reduction via orthonormal basis selection

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination