CN115996094B - 一种基于栅瓣的太赫兹近场多波束扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于栅瓣的太赫兹近场多波束扫描方法，包括栅瓣多波束码本设置步骤、粗扫描步骤、细扫描步骤和波束分配步骤。为了实现对目标区域的全覆盖，本发明根据栅瓣的位置和其3dB覆盖范围设计了合适的扫描码本，并根据所设计的码本，设计合适的扫描策略解决由栅瓣带来的位置模糊性问题。本发明首次提出在太赫兹近场下，使用栅瓣多波束可以大大降低波束扫描带来的开销，通过栅瓣多波束对目标区域进行扫描，从而降低单个窄波束扫描带来的时间开销。

Description

一种基于栅瓣的太赫兹近场多波束扫描方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于栅瓣的太赫兹近场多波束扫描技术。

背景技术

第六代6G移动通信网络有望为诸如全息视频，自动驾驶等新兴应用提供高速的传输速率。为了实现这些愿景，人们付出了巨大的努力，开发新的无线技术，以满足6G的关键性能指标。空间多路复用，波束成形和超大规模多输入多输出UM-MIMO技术有望将6G的频谱效率提高10倍。此外，智能反射面RIS通过数千个天线动态地操纵无线环境，为提高信道容量和增加波束覆盖范围带来了新的可能性。并且，太赫兹THz技术可提供丰富的频谱资源，极大地提升了峰值数据的速率。上述技术，包括UM-MIMO、RIS、THz通信等，虽然适用于不同的应用场景，但它们都有一个共同的特点:通常都需要用非常多的天线才能达到预期的性能，即需要使用大规模阵列天线。这不仅意味着天线数量的大幅增加，而且还导致了瑞利距离的增大。在瑞利距离内，近场传播成为主导，其中电磁场传播模型必须用球面波模型来分析。

考虑均匀线性阵列天线，上述球面波特性则是由近场边界条件r≤2D ²/λ确定的，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。可以看到近场边界2D ²/λ正比于阵列孔径的平方与载频的乘积。这说明当载频频率越高，阵列孔径越大，那么近场特性越明显。这正好对应于太赫兹大规模MIMO的应用场景。另一方面，由于天线数目的增多，若采用相控阵的方式进行波束成形，那么会得到覆盖范围很窄的波束。此时，若要对目标区域进行扫描，则需要大量的扫描时间。此时，需要考虑增加波束个数，以此来减小波束扫描的开销。但同时栅瓣多波束的产生往往需要多个射频链路的支持，这会进一步增加系统的开销。综上所述，目前还有如下问题仍然急需解决：

在太赫兹近场通信中，随着通信频率和阵列天线数目的增加，即阵列大小的增加，其形成的波束3dB覆盖范围越来越小。波束3dB覆盖范围为波束图半功率覆盖范围，即波束图增益最大值点附近增益大于等于最大值点一半的区域。若采用相控阵的方式进行近场波束成形，那么会得到3dB覆盖范围很窄的波束。此时，若要对目标区域进行扫描，则需要大量的扫描时间。

2.目前近场多波束技术还不够完善，大都是基于远场场景下的多波束研究，为了降低近场波束扫描开销，需要进一步研究近场下的多波束技术。同时近场下的多波束还没有合适码本设计，这需要进一步的研究。

3.通常远场多波束的产生需要多条射频链路，这会大大增加设备的开销。而采用单条射频链路的多波束技术又会存在模糊性，即发射端无法分辨用户的具体位置。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，提供一种考虑太赫兹近场通信场景，利用大规模均匀线性阵列天线在近场产生栅瓣方便、复杂度低的特性，使用单条射频链路实现栅瓣多波束对目标区域进行扫描的方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于栅瓣的太赫兹近场多波束扫描方法，包括如下步骤：

栅瓣多波束码本设置步骤：根据栅瓣位置及其3dB覆盖范围得到近场栅瓣多波束码本；

粗扫描步骤：激活均匀线性阵列中部分天线，使得被激活新的均匀线性阵列天线间隔大于载波波长/2，发射端按照近场栅瓣多波束码本一次发射多个栅瓣波束，并在用户端设定反馈阈值，当用户端信号大于阈值则返回信道质量指示CQI；

若发射端接收到反馈则记录当前栅瓣和主瓣的位置；

细扫描步骤：激活均匀线性阵列中所有天线，此时天线间隔等于λ/2，发射端一次发射单个波束，并在用户端设定反馈阈值，当接收端信号大于阈值则返回CQI，

波束分配步骤：若发射端接收到反馈则记录当前波束位置并根据细扫描阶段记录的波束为每一个用户分配最佳波束。

为了实现对目标区域的全覆盖，本发明根据栅瓣的位置和其3dB覆盖范围设计了合适的扫描码本，并根据所设计的码本，设计合适的扫描策略解决由栅瓣带来的位置模糊性问题。本发明首次提出在太赫兹近场下，使用栅瓣多波束可以大大降低波束扫描带来的开销，通过栅瓣多波束对目标区域进行扫描，从而降低单个窄波束扫描带来的时间开销。

本发明的有益效果为：

1.本发明使用单条射频链路实现近场栅瓣多波束扫描，大大降低了硬件的开销。同时本发明给出了使用单条射频链路实现栅瓣多波束时，每一个栅瓣的位置以及栅瓣3dB覆盖范围的表达式，为进一步分析栅瓣多波束提供了简洁的方式。

2.本发明基于栅瓣的位置和3dB覆盖范围给出了一种近场栅瓣多波束码本设计，分别从距离维度和角度维度对近场目标区域实现覆盖。

3.本发明提出了一种近场栅瓣多波束扫描方案，利用CQI反馈将扫描分为粗扫描和细扫描两个阶段，解决了栅瓣带来的位置模糊问题，为每一个用户分配了合适的波束。同时通过仿真结果说明提出的方案大大降低了近场扫描的开销。

附图说明

图1为近场大规模均匀线性阵列天线通信模型图。

图2为发明的基于栅瓣的太赫兹近场波束扫描流程图。

图3为栅瓣与主瓣位置关系示意图。

图4为本发明提出的码本1的设计示意图。

图5为本发明提出的码本2的设计示意图。

图6为两种码本可达通信速率与信噪比关系图。

图7为两种码本可达通信速率与信噪比及天线间隔关系图。

图8为扫描步长、信噪比与用户检测概率关系图。

图9为天线间隔、用户数量与总扫描开销的关系图。

图10为扫描步长、用户数量与总扫描开销的关系图。

实施方式

本发明是在太赫兹近场通信下，利用大规模均匀线性阵列天线产生栅瓣从而实现用较少的硬件开销对目标区域进行快速扫描。

如图1所示，阵列天线尺寸为D，载波频率为f，λ为载波波长，c表示光速，天线个数为M，相控阵第m根天线相位补偿为ω _m ，m的取值范围为[-(M-1)/2,(M-1)/2]。天线间隔d=δ λ/2，激活参数δ=1,2,3…。当δ取1时，意味着激活大规模均匀线性阵列所有天线单元。当δ取大于1时，意味着激活大规模均匀线性阵列所有天线单元。被激活的天线个数为M，并令中间的天线为坐标原点，即第零根天线。r,θ为目标位置到原点的距离以及目标相对于阵列天线的方位角并用(r,θ)表示目标坐标。

考虑在经典太赫兹传输窗通信忽略分子吸收的影响，此时其波束图B(r,θ;ω)表示为：

其中r,θ分别为目标位置到原点的距离以及目标相对于阵列天线的方位角并用(r,θ)表示目标坐标表量，r _m 表示阵列天线上第m根天线到目标位置的距离并由(r,θ)决定，阵列天线相位补偿向量ω=[ω _-(M-1)/2,…,ω ₀,…,ω _(M-1)/2] ^T ， ^T 表示转置。下面不再考虑波束图B(r,θ;ω)中c ²/(16(πfr) ² )的影响。

形成栅瓣并进行栅瓣多波束扫描步骤如图2所示：

S1、根据近场波束成形模型求解栅瓣的位置与其3dB覆盖范围的表达式，具体包括：

步骤S110 建立近场波束图数学表达式。首先对近场距离表达式做如下近似：

；

阵列天线上第m根天线到目标的距离r _m 满足

。根据近场波束成形模型求解栅瓣的位置与其3dB覆盖范围的表达式。

此时若给定一个确定的目标位置为(R _D ,θ _D )，其中R _D 和θ _D 分别表示此目标到原点的距离以及此目标相对于阵列天线的方位角，此时要使得波束图在(R _D ,θ _D )处取得最大值，即B(R _D ,θ _D ;ω) ≥B(r,θ;ω)对任意

，π/2≥θ ≥ -π/2成立，则需要使得发射端的相位补偿弥补信号从天线到目标产生的相位差。因此需要设置ω _m ，使其满足ω _m =exp(−j2πf(R _D +cos² θ _D m ² d ² /(2R _D )+mdsinθ _D )/c)。最终将得到的ω _m 和近场距离表达式代入B(r,θ;ω)并忽略c ²/(16(πfr) ² )的影响，要使主瓣位置聚焦于目标位置(R _D ,θ _D )的近场波束图的数学表达式为：

其中波束赋形向量ω(R _D ,θ _D )中第m个元素为exp(−j2πf(R _D +cos² θ _D m ² d ² /(2R _D )+mdsinθ _D )/c)。

步骤S120 产生栅瓣，并得到栅瓣位置的表达式。

寻找栅瓣的位置即为寻找波束图增益最大处位置。从近场波束图的数学表达式进行分析，波束图中除主瓣位置(R _D ,θ _D )外增益最大值处为栅瓣的位置(R _i ,θ _i )，i≠0，栅瓣位置序号i=1,2,3…，即需要找到一点(R _i ,θ _i )使得近场波束图的数学表达式中每一项都相同或相差2π的整数倍。

若i=0，则代表主瓣的位置(R ₀,θ ₀)，其中(R ₀,θ ₀)=(R _D ,θ _D )。

当天线间隔d大于λ/2时就会出现栅瓣，即波束图中除了(R _D ,θ _D )外还存在增益最大值点。在主瓣位置(R ₀,θ ₀)附近且满足B(R _B ,θ _B ;ω(R _D ,θ _D ))≥1/2M ²的点(R _B ,θ _B )组成的区域称为主瓣3dB覆盖范围，满足B(R _B ,θ _B ;ꞷ(R _D ,θ _D ))≥1/2M ²的点(R _B ,θ _B )组成的边界称为主瓣3dB覆盖范围边界，栅瓣3dB覆盖范围与边界也如此定义。为了产生栅瓣，需要满足当i≠0时，|sinθ _i |≤1。这就需要使得阵列天线间隔d大于λ/2。最终栅瓣和主瓣的位置关系如图3所示，其中图3中主瓣的角度位置θ _D 设置为零。栅瓣和主瓣3dB覆盖范围边界均为椭圆，并且如图3所示，其长短轴分别与距离坐标轴和角度坐标轴平行，椭圆中心点为(R _i ,θ _i )，i=0,1,2…。图3的深灰色部分为增益最小的区域，浅灰度部分表示高增益区域，中灰度为栅瓣和主瓣3dB覆盖范围。

步骤S130 得到栅瓣3dB覆盖范围的表达式：

可以看出B(r,θ;ω(R _i ,θ _i ))=B(r,θ;ω(R _D ,θ _D ))。因此波束图B(r,θ;ω(R _D ,θ _D ))中(R _i ,θ _i )处栅瓣的3dB覆盖范围等价于波束图B(r,θ;ω(R _i ,θ _i ))在(R _i ,θ _i )处形成的主瓣的3dB覆盖范围，其可以根据泰勒近似计算得到。最终(R _i ,θ _i )处栅瓣的3dB角度域覆盖范围Δθ _i 和3dB距离域覆盖范围ΔR _i 为：

ΔR _i ，Δθ _i 分别表示B(r,θ;ω(R _D ,θ _D ))中(R _i ,θ _i )处栅瓣在距离域和角度域的3dB覆盖范围，即分别为栅瓣3dB覆盖范围边界椭圆长轴和短轴的大小。

步骤S1为用于支撑码字设计的基础推导。在实际进行波束扫描时，只需要得到码本，再进行之后的扫描步骤即可，步骤S1并不需要每次执行。

S2、根据栅瓣位置及其3dB覆盖范围设计近场栅瓣多波束码本。本发明中提出了两种近场栅瓣多波束码本设计，为了实现对目标区域的覆盖，设计码本1为：

；

其中，

表示第k个码字c _k 产生的主瓣位置，k=0,1,2…M-1，M为均匀线性阵列中的天线总数，变量i=0,1,2…；将/>

记为码字c _k 的位置，码字c _k 代表波束赋形向量/>

，/>

表示c _k 产生的主瓣位置到原点的距离， />

表示c _k 产生的主瓣位置相对于阵列天线的方位角，λ为载波波长，d为天线间隔，/>

为目标区域距离的最小值，

为主瓣位置聚焦于/>

的波束图的主瓣波束3dB覆盖范围右端点到原点的距离，/>

表示主瓣位置聚焦于/>

的波束图的3dB覆盖范围右边界曲线。由于码本1中相邻波束之间存在增益损失，为了弥补相邻波束之间的增益损失，进一步提高码本1的性能。在码本1的基础上提出码本2的设计为：

=arcsin(((-1) ⁱ +1)λ/(4dM)+kλ/(dM)) ，k=0,1,2…M-1，i=0,1,2…。/>

为波束图B(r,θ;ω/>

)在/>

处的主瓣的距离域3dB覆盖范围长度。/>

=R _min为目标区域距离的最小值。

具体的，步骤S2中码字具体如何推导形成的子步骤如下:

步骤S210 建立码字采样区域。对于码字c _k ，将其产生的主瓣的位置

记为码字c _k 的位置。为了设计码字，首先需要建立一个区域，从而在所建立的区域上选择码字的位置。

假定B(r,θ;ω(R _i ,0))在(R _i ,θ _i )，i=-N ₁,…，-1，0，1，…N ₂处产生栅瓣和主瓣，其中当i=0代表主瓣位置(R ₀,θ ₀)且θ ₀=0，θ-N ₁<…θ ₀<…<θ _N2。并用Δθ _i ，ΔR _i 分别表示在(R _i ,θ _i )处产生的栅瓣的3dB角度域覆盖范围，3dB距离域覆盖范围。根据主瓣的3dB覆盖范围，可以得到(R _i ,θ _i )处产生的栅瓣3dB覆盖范围的左，右端点分别为(R _i −ΔR _i /2,θ _i )和(R _i +ΔR _i /2,θ _i )。

由R _i =R ₀cos² θ _i 以及

可以得到栅瓣3dB覆盖范围左端点的位置在(ξ ₁cos² θ _i ,θ _i )处，栅瓣3dB覆盖范围右端点的位置在(ξ ₂cos² θ _i ,θ _i )处，其中ξ ₁，ξ ₂分别为/>

。

因此波束图B(r,θ;ω(R ₀,0))中产生的栅瓣和主瓣的3dB覆盖范围在曲线r=ξ ₁cos² θ和r=ξ ₂cos² θ之间，如图3所示。随着主瓣从原位置(R ₀,θ ₀)移动到(R ₁,θ ₁)，其他栅瓣也会从原位置(R _i ,θ _i )移动到(R _i+1,θ _i+1)。因此，只需用主瓣扫描其中一个相邻栅瓣区域，如Θ₁(Θ _i 表示{(r,θ)|θ _i-1 ≤θ≤θ _i }的区域)，其他几个区域Θ _i ，i≠1也会被栅瓣扫描一遍，从而减少了扫描的开销。因此只需要设计码字使得其产生的主瓣能够覆盖一个区域即可。

根据上述分析，码字位置可以在区域Θ₁处选取。并且构造其曲线r=

cosθ，i=0,1,2…，将区域Θ₁分割。其中/>

=R _min=R ₀，代表目标区域距离的最小值，并且/>

和/>

的关系为/>

，/>

为波束图B(r,θ;ω/>

)在/>

处的主瓣的距离域3dB覆盖范围长度。可以注意到曲线l ₁正好是B(r,θ;ω(R ₀,0))产生波束的3dB覆盖范围右端点形成的右边界。将码字的位置设计在曲线l ₁上，其产生的新的波束的3dB覆盖范围右端点形成的右边界正好为曲线l ₂，以此类推。因此我们就可以在这些曲线上选取码字位置得到一系列码字。

步骤S220 根据建立的曲线，设计码本。在步骤S210已经构建了码字采样的曲线，在这一步骤中需要设计详细的码本。如图4所示，以曲线r=

cosθ上码字位置的选取为例，为了设计码本使得码字产生的主瓣3dB覆盖范围能够覆盖Θ₁中/>

cosθ≤r≤/>

cosθ的区域，/>

为B(r,θ;ω(R ₀,0))产生主瓣波束的3dB覆盖范围左端点到原点的距离，需要选取一系列码字，使得它们产生的主瓣位置的θ _k 满足sinθ _k 均匀分布在区间(0,λ/d)处，同时设置R _k =/>

cos² θ _k 。其余曲线上码字位置的选取类似，最终得到一系列码字可以覆盖Θ₁，码字位置如设计码本1所示。

步骤S230 进一步提升码本性能。在步骤S220的码本设计中，码字c _(i+1)M 到c _(i+1)M+M-1的位置是在码字c _iM 到c _iM+M-1所产生的主瓣波束3dB覆盖范围的右端点上采样得到。但这种方式没有考虑码本的最差性能。为了尽可能地提升码本的最差可达到增益，需要弥补码字产生的主瓣3dB边界处的增益损失。如图4，Θ₁所在的灰色弧形部分为码本1的覆盖区域。每一个点表示一个码字，以该点为圆心的灰度椭圆区域表示该码字产生的波束的主瓣在3dB覆盖范围。灰度更深的椭圆重合部分表示相邻码字产生的主瓣在3dB覆盖范围边界处有较大增益损失。因此c _(i+1)M 到c _(i+1)M+M-1的位置可以在c _iM 到c _iM+M-1产生的主瓣相交处选取（并且在曲线l _i+1上），即相邻波束的增益相同点处。可以证明这些交点的位置表示为设计码本2。最终码本设计如图5所示。

S3、激活均匀线性阵列中部分天线，使得新的均匀线性阵列天线间隔大于λ/2，发射端一次发射栅瓣多波束进行粗扫描，并在用户端设定反馈阈值，当用户端信号大于反馈阈值则返回信道质量指示CQI，若发射端接收到CQI则记录当前栅瓣和主瓣的位置。

此时相当于设置天线间隔d=δλ/2，δ大于1，即产生栅瓣，此时有多个波束，主瓣波束和栅瓣波束。根据已经设计好的码本C，并同时设计一个扫描步长τ。通过该扫描步长我们只从原始码本中每隔τ个码字提取一个码字以提高扫描速度。同时在用户端设置反馈阈值，当用户端接收到的信号大于反馈阈值时就向发射端发送CQI。此时发射端只要接收到CQI，就将当前位置的栅瓣位置和主瓣位置记录下来为下一步扫描做准备。

步骤S3的子步骤如下：

步骤S310 设置天线间隔d=δλ/2，δ大于1，并在用户端设置反馈阈值为−σ ²ln(P _FA )，P _FA 为虚警概率，σ ²为噪声功率。

步骤S320 设计扫描步长τ，从原始码本中每隔τ个码字提取一个码字进行波束扫描。具体而言,原始码本为C={c ₀,c ₁,c ₂…}，从而可以确定粗扫描码本C ₁={c ₀,c _τ ,c _2τ …}。实施例中的原始码本为码本2。

步骤S330 遍历码本C ₁进行扫描，如果发送端接收到CQI，则记录当前波束的位置。具体而言，令位置变量

，若当前码字为c _i ，则记录的这些主瓣和栅瓣位置集合为：/>

，其中/>

代表由码字c _p 产生的第g个栅瓣的位置，g = 1，2，3…N _p ，N _p 表示码字c _p 所产生的栅瓣个数。码字序号/>

，

。其位置可以根据步骤S1中栅瓣的位置表达式得出。为了后续表述方便，将此步骤所记录的主瓣和栅瓣位置重新记作/>

，n = 1，2，3…，即重新表述此步骤这些集合里的元素。其中/>

和/>

分别表示第n个所记录的位置到原点的距离以及此记录的位置相对于阵列天线的方位角。

S4、激活均匀线性阵列中所有天线，此时天线间隔等于λ/2，发射端一次发射单个波束进行细扫描，并在用户端设定反馈阈值，当接收端信号大于反馈阈值则返回CQI，若发射端接收到CQI则记录当前波束位置。

步骤S4具体包含的子步骤如下:

步骤S410 设置天线间隔d=δλ/2，令δ等于1，即产生单个波束（此时只有主瓣波束）。将步骤S330中记录的位置

代替ω(R _D ,θ _D )中的(R _D ,θ _D )得到波束赋形向量

，将/>

记为码字/>

，得到细扫描码本/>

。

步骤S420 遍历码本

进行扫描，根据在粗扫描阶段记录的波束位置，对这些位置进行逐个扫描。同时在用户端设置反馈阈值，当用户端接收到的信号大于反馈阈值时就向发射端发送CQI。此时发射端只要接收到CQI，则通过记录当前码字/>

而从将当前位置的波束位置记录下来。遍历完成后从记录的码字中为每一个用户选择实现最大增益的码字，即根据细扫描阶段记录的波束为每一个用户分配用于通信的最佳波束。

仿真试验

结合仿真结果，进一步证明实施例方案的性能。在图6到10中，系统参数做了如下设置：系统载频f=340GHz，天线尺寸D=0.6m。用户目标区域设置为θ∈[-30°,30°]，r∈[20m,40m]。均匀线性阵列中相邻天线间隔d为2λ到5λ。扫描步长τ的取值范围从1到8。用户端反馈阈值设置为23σ ²。

图6(a)为在天线间隔d=3λ时不同信噪比下提出的两种码本最终的可达速率。可以看出当信噪比提高时，码本最终的可达速率也会提高。同时当用户随机被设置到目标区域时，所提出的两种码本都接近理想可达速率，其中提出的码本2可达速率略高于提出的码本1，这是因为当用户被设置到相邻码本产生的波束3dB覆盖范围边界附近时，码本1的性能要差于码本2,这点可以从图6(b)看出。因此说明了提出的码本2性能要由于码本1。

图7(a),(b)为在不同天线间隔，不同信噪比下提出的两种码本最终的可达速率。对于相同的码本来说，不同的天线间隔下，最终的可达速率相同，这说明，提出的两种码本性能不随天线的间隔（即栅瓣的多少）改变而改变，证明了所提出是码本的性能稳定性。

图8为在天线间隔d=3λ时不同信噪比和扫描步长下用户被扫描到的概率（即在粗扫描阶段结束时，每个用户至少发送一次CQI反馈给发射端的概率）。结果显示当信噪比提高时，用户被扫描到的概率提高，当信噪比在10dB左右时，扫描步长小于等于5时，用户被扫描到的概率接近于1。这说明在提出的方案下选取合适的扫描步长可以使得每一个用户都分配到波束，说明了提出的方案的有效性。

图9为在不同天线间隔，信噪比为10dB下，总扫描开销与用户数量之间的关系。本发明将粗扫描和细扫描总次数记为总扫描开销。结果显示当用户数量增加时，总的扫描开销也会增大，这是因为用户数量增多，那么在细扫描阶段所需要的扫描次数也会增多。另外，可以看到在一定范围内随着天线间隔的增加，最终所需要的扫描次数也会减少，这是因为在一定范围内随着天线间隔的增加，栅瓣的个数也会增多，粗扫描阶段的开销会大大降低，因此总的开销会下降。这说明了本发明提出栅瓣多波束扫描方案相比于单波束扫描，大大降低了扫描开销。

图10为在天线间隔d=3λ，信噪比为10dB，不同扫描步长下总扫描开销与用户数量之间的关系。在一定范围内随着扫描步长的提高，总的开销会下降。当扫描步长提高到一定程度时，总开销不再明显下降，这是因为，虽然步长的提高会降低粗扫描的扫描开销，但同时也会大大增加细扫描阶段的开销，因此扫描步长不能取得太大。上述结果说明合适的步长选择可以大大降低总的扫描开销。验证了所提出的扫描策略降低开销的有效性。

综上所述，本发明提出了一种基于栅瓣的太赫兹近场多波束扫描方案。本发明根据近场波束成形模型提出了使用单条射频链路实现栅瓣多波束，大大降低了硬件以及波束扫描所需要的开销。并设计了合适的栅瓣多波束码本对近场目标区域实现在角度域和距离域的覆盖，同时采取了合适的扫描策略实现对目标区域的扫描，并用较低的扫描开销为每一个用户分配合适的波束。

Claims (4)

1.一种基于栅瓣的太赫兹近场多波束扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：

栅瓣多波束码本设置步骤：根据栅瓣位置及其3dB覆盖范围得到近场栅瓣多波束码本；

粗扫描步骤：激活均匀线性阵列中部分天线，使得被激活新的均匀线性阵列天线间隔大于载波波长的一半，发射端根据设置的扫描步长从近场栅瓣多波束码本中提取码字形成粗扫描码本，按照粗扫描码本进行波束扫描，发射基于栅瓣的多波束信号；当接收到用户端发送的信道质量指示CQI时，发射端记录当前发射的多波束信号的栅瓣和主瓣的位置；用户端发送CQI的条件是，用户端接收到的波束的信号强度大于反馈阈值；

细扫描步骤：激活均匀线性阵列中所有天线，使得被激活新的均匀线性阵列天线间隔等于载波波长的一半，发射端使用粗扫描步骤中记录的多波束信号的栅瓣和主瓣的位置去代替近场栅瓣多波束码本中相应码字得到细扫描码本，按照细扫描码本进行波束扫描，发射单波束信号；当接收到用户端发送的CQI时，发射端记录当前发射的波束的单波束信号的波束位置；

波束分配步骤：根据细扫描步骤中记录的波束位置为每一个用户分配用于通信的最佳波束；

近场栅瓣多波束码本的表达为：

；

其中，

表示第k个码字c _k 产生的主瓣位置，k=0,1,2…M-1，M为均匀线性阵列中的天线总数，变量i为大于等于0的整数；将/>

记为码字c _k 的位置，码字c _k 代表波束赋形向量/>

，/>

表示c _k 产生的主瓣位置到原点的距离， />

表示c _k 产生的主瓣位置相对于阵列天线的方位角，λ为载波波长，d为天线间隔，/>

为目标区域距离的最小值，/>

为主瓣位置聚焦于/>

的波束图的主瓣波束3dB覆盖范围右端点到原点的距离，

表示主瓣位置聚焦于/>

的波束图的3dB覆盖范围右边界曲线。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，将反馈阈值的设置为：−σ ²ln(P _FA )；其中，P _FA 为虚警概率，σ ²为噪声功率，ln为自然对数。

3.一种基于栅瓣的太赫兹近场多波束扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：

栅瓣多波束码本设置步骤：根据栅瓣位置及其3dB覆盖范围得到近场栅瓣多波束码本；

粗扫描步骤：激活均匀线性阵列中部分天线，使得被激活新的均匀线性阵列天线间隔大于载波波长的一半，发射端根据设置的扫描步长从近场栅瓣多波束码本中提取码字形成粗扫描码本，按照粗扫描码本进行波束扫描，发射基于栅瓣的多波束信号；当接收到用户端发送的信道质量指示CQI时，发射端记录当前发射的多波束信号的栅瓣和主瓣的位置；用户端发送CQI的条件是，用户端接收到的波束的信号强度大于反馈阈值；

细扫描步骤：激活均匀线性阵列中所有天线，使得被激活新的均匀线性阵列天线间隔等于载波波长的一半，发射端使用粗扫描步骤中记录的多波束信号的栅瓣和主瓣的位置去代替近场栅瓣多波束码本中相应码字得到细扫描码本，按照细扫描码本进行波束扫描，发射单波束信号；当接收到用户端发送的CQI时，发射端记录当前发射的波束的单波束信号的波束位置；

波束分配步骤：根据细扫描步骤中记录的波束位置为每一个用户分配用于通信的最佳波束；

近场栅瓣多波束码本的表达为：

；

其中，

表示第k个码字c _k 产生的主瓣位置，k=0,1,2…M-1，M为均匀线性阵列中的天线总数，变量i为大于等于0的整数；将/>

记为码字c _k 的位置，码字c _k 代表波束赋形向量/>

，/>

表示c _k 产生的主瓣位置到原点的距离， />

表示c _k 产生的主瓣位置相对于阵列天线的方位角，λ为载波波长，d为天线间隔，/>

为目标区域距离的最小值，/>

为主瓣位置聚焦于/>

的波束图的主瓣波束3dB覆盖范围右端点到原点的距离，

表示主瓣位置聚焦于/>

的波束图的3dB覆盖范围右边界曲线，中间量/>

=arcsin(((-1) ⁱ +1)λ/(4dM)+kλ/(dM))。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于，将反馈阈值的设置为：−σ ²ln(P _FA )；其中，P _FA 为虚警概率，σ ²为噪声功率，ln为自然对数。

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