CN116318282A - 一种基于导向矢量的全息mimo天线阵列的波束赋形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，在用户端位置未知的情况下，基于导向矢量，通过任意设置的用户端相对于天线阵列的俯仰角和方位角组合，构建多个码字，根据用户端的反馈从中挑选出一个使接收端增益最大的码字，作为天线阵列的最佳发射或接收系数。用户端只需要按序反馈相应的信息，对反馈时延的要求略低，对反馈信息的误码具有一定的容错能力；相较于穷举搜索法，时间复杂度较低，性能良好；能够对室外快速变化的信道做出良好的响应，对信道波动的鲁棒性更高，提升整体功率增益。并且，在用户端位置已知的情况下，可直接确定天线阵列的发射或接收系数。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，更具体地，涉及一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法。
背景技术
与传统的MIMO技术不同，全息波束赋形天线阵列无法有效感知环境中的电磁波信号，无线信道信息的获取较为困难。在无线信道信息无法有效获取时，全息MIMO天线阵列发射或接收系数矩阵的确定可以采用穷举搜索法，但该方法的时间复杂度太高，如果对发射或接收系数进行q-bit量化且天线单元数为L＝M*N，那么该方法的时间复杂度为O(L*2q)，如果天线单元数量比较多，过高的时间复杂度无法适应快速变化的信道。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，由此解决现有的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法时间复杂度高、无法适应快速变化的信道的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，包括：
S1，在用户端位置未知的情况下，任意设置角度组合
将各角度组合对应的导向矢量AUE作为码字；
其中，θ和
分别为所述用户端相对于天线阵列的俯仰角和方位角，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
S2，分别将各码字进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并接收用户端反馈的接收信号强度；
S3，将接收信号强度最大的导向矢量作为所述天线阵列的最优发射或接收系数，根据所述最优发射或接收系数对所述天线阵列进行部署。
按照本发明的第二方面，提供了一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，包括：
S1，在用户端位置已知的情况下，根据用户端相对于天线阵列的俯仰角θ和方位角
计算对应的导向矢量AUE；
其中，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
S2，对所述导向矢量进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并对所述天线阵列进行部署。
按照本发明的第三方面，提供了一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形装置，包括：
第一处理模块，在用户端位置未知的情况下，任意设置角度组合
将各角度组合对应的导向矢量AUE作为码字；
其中，θ和
分别为所述用户端相对于天线阵列的俯仰角和方位角，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
第二处理模块，用于分别对各导向矢量进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并接收用户端反馈的接收信号强度；
第三处理模块，用于将接收信号强度最大的导向矢量作为所述天线阵列的最优发射或接收系数，根据所述最优发射或接收系数对所述天线阵列进行部署。
按照本发明的第四方面，提供了一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形装置，包括：
第一处理模块，用于在用户端位置已知的情况下，根据用户端相对于天线阵列的俯仰角θ和方位角
计算对应的导向矢量AUE；
其中，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
第二处理模块，用于对所述导向矢量进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并对所述天线阵列进行部署。
按照本发明的第五方面，提供了一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
按照本发明的第六方面，提供了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指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现第一方面所述的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的方法，在用户端位置未知的情况下，通过改变用户端相对于天线阵列的方位角
和俯仰角θ来产生不同方向的导向矢量，从而构造出一系列不同角度/>
对应的码字，每间隔相同时间，将天线阵列的发射或接收系数切换为不同的码字，根据用户端反馈的接收信号强度即可筛选出天线阵列的最优发射或接收系数；用户端只需要按序反馈相应的信息，就可使得其获得较大的信号功率。对反馈时延的要求略低，对反馈信息的误码有一定的容错能力。
2、本发明提供的方法，具有较强的普适性，适用于各种天线阵列；如果对发射或接收系数进行q-bit量化且天线单元数为L＝M*N，那么该方法的时间复杂度仅为O(L)，相较于穷举搜索法，时间复杂度较低，能够在更短的时间内提高用户所在位置的信号强度。
3、本发明提供的方法，能够对室外快速变化的信道做出良好的响应，对信道波动的鲁棒性更高，可以通过接收端的时间平均来应对无线信道的时间变化，提升整体功率增益。
4、本发明提供的方法能够实现波束赋形等功能，以及软件控制的波束方向调控，以实现信号定向覆盖、干扰抑制等功能；不仅适用于5G通信系统，同样也适用于未来的6G、WLAN等通信系统。
附图说明
图1为全息波束赋形天线系统示意图；
图2为本发明实施例提供的基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法流程示意图；
图3为全息MIMO天线阵列的坐标系；
图4为初始状态下天线阵列的相位雷达图；
图5为采用本发明实施例提供的基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法进行处理后得到的相位雷达图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
随着移动用户对数据的需求持续增长，移动网络也经历了日新月异的突破。相对与第四代移动通信技术(4G)而言，第五代移动通信技术(5G)使用更高频段的电磁波传递信息。电磁波的频率升高后，穿透能力变弱，绕射、散射不明显。这就导致了射频信号覆盖困难。解决这个问题的一个思路是利用动态可调的高指向性波束来增加接收信号强度。目前，已经有一些技术可以实现电磁波的即时调控，例如对喇叭天线、阵列天线等定向辐射天线进行机械转动，或者电控扫描有源相控阵天线，即给相控阵天线各个单元连接可控有源器件，对各单元的出射相位进行控制以实现电控扫描调控电磁波。但是，前者扫描速度慢且机械需要定期维护，后者系统复杂，成本高且维护困难。
在4G的长期演进过程中，蜂窝技术已经达到了时分复用和频分复用的理论极限，因在5G中有很多方案考虑使用软件驱动的高定向性天线切分物理空间，这样使蜂窝网络中不同位置的移动手机用户能够同时共享相同的频率，即实现多用户空分复用。空分复用依赖多输入多输出(MIMO，Multiple-Input-Multiple-Output)技术，通过发射端与接收端多根天线的发射和接收，将单一点对点信道变换成多个并行信道来处理，多个基站天线和终端天线形成一个系统，其频谱效率主要取决于并行信道数量，从而突破了点对点信道香农定理的限制，提升了系统容量和频谱效率。然而，普通MIMO需要复杂且高成本的基带单元(BBU)和数量庞大的移相器，因而存在高成本和高功耗的不足。
预计未来十年通信网络容量上会有千倍增长，无处不在的无线连接成为现实，但高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成为未来无线通信面临的关键挑战。
如图1所示，全息波束赋形(HBF，Holographic Beam Forming)是一种新的动态波束赋形技术，包括全息MIMO天线阵列相关硬件系统和阵列幅相参数分布搜索算法。全息MIMO天线阵列及相关硬件系统使用软件定义天线(SDA)，采用最低的C-Swap(成本、尺寸、重量和功率)架构，在每个天线单元上使用数字电路控制单元的电磁波相位，组成超密集阵列，从而将无线容量导向至蜂窝单元中任何有需求的位置。该技术之所以被称为全息技术，是因为天线阵列的单元密集程度可远超普通的MIMO天线阵列，可以做到小型化、易部署、低成本、低功耗。全息波束赋形技术是一种全新的无线通信技术，有望解决5G时代面临的成本高、能耗高等技术痛点。
然而，与传统的MIMO技术不同，全息波束赋形天线阵列无法有效感知环境中的电磁波信号，无线信道信息的获取较为困难。穷举搜索法虽然能够确定全息MIMO天线阵列发射或接收系数矩阵，但该方法的时间复杂度高，如果天线单元数量比较多，过高的时间复杂度无法适应快速变化的信道。使用逐行或逐列扫描算法来计算全息MIMO天线阵列波束赋形系数需要依靠反馈信息才能判断迭代的方向，要求信道无明显时间波动，而且反馈链路具有较高的鲁棒性，并且对反馈的时延十分敏感。而在实际应用的过程中，无线环境通常比较复杂，信道时变性较强，
基于此，本发明实施例提供一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，如图2所示，包括：
S1，在用户端位置未知的情况下，任意设置角度组合
将各角度组合对应的导向矢量AUE作为码字；
其中，θ和
分别为所述用户端相对于天线阵列的俯仰角和方位角，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长。
具体地，通过建立不同方位的用户的方位角和俯仰角集合，生成对应的码本。
以平面形式的全息波束赋形阵列形态为例，如图3所示，天线阵列由L＝M*N个单元组成，其中M表示z轴方向的单元个数，N表示y轴方向的单元个数。单元排列在矩形网格上，其中dy表示y轴元素之间的间距，dz表示z轴元素之间的间距。
接收信号由来自不同角度的多个平面波叠加而成。在平面阵模型中，不失一般性，以左下第一个阵列单元为原点建立xyz坐标系。用户端相对于全息阵列的俯仰角和方位角分别是θ和
UE方向的导向矢量为：
路径的导向矢量由方位角
和俯仰角θ共同决定，以原点处的天线单元作为参考点，z轴方向上的天线单元相对于原点处的相位差为：
Φz＝[0,φz,1,...,φz,m,...,φz,M]
其中z轴方向上第m个天线单元相对于原点的相位差为：(dz为z轴方向天线单元的间隔)
φz,m＝mkdzsinθ，其中
λ为波长
y轴方向上天线单元相对于原点的相位差为：
Φ＝[0,φy,1,...,φy,n,...,φy,N]
其中y轴方向上第n个天线单元相对于原点的相位差为：(dy为y轴方向天线单元的间隔)
进而推导出天线阵列上第m行第n列天线单元相对原点的相位差为：
由此可以得出UE方向导向矢量AUE的第i个元素如下：(i对应天线阵列第m行第n列，即i＝m*N+n，m、n均从0开始计数)
依据上式，通过改变方位角
和俯仰角θ来产生不同方向的导向矢量，可以随意调整角度之间的间隔，产生一系列不同角度/>
对应的码字，然后组合成码本。
例如，对于2×2的天线阵列
在用户端的位置未知的情况下，若任意设置了10个角度组合/>
则可计算得到10个导向矢量AUE，每个导向矢量AUE均包括4个元素，分别为：AUE(1)、AUE(2)、AUE(3)、AUE(4)，将其进行量化后，分别作为天线单元a11、a12、a21、a22的发射或接收系数。
S2，分别将各码字进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并接收用户端反馈的接收信号强度。
本发明实施例提供的方法面向多比特全息波束赋形天线阵列，“多比特”是指每个天线单元能够为电磁波附加多个可调相位，也称为相移，对于q比特量化(q＞1)，相邻相位差一般为
较常用的是两比特四相位控制，当q＝2时，相邻相位之间相位差为相位90°，一种典型的相移选择方案为0°、90°、180°、270°，分别对应00、01、10、11这样两比特的数字信号。多比特技术能够实现性能更加优良的波束赋形。
将每一列的码字量化之后，按照顺序设置为天线阵列的发射或接收系数，即可完成波束赋形效果。
进一步地，S2中，每隔预设时间切换所述天线阵列的发射或接收系数，所述预设时间大于系统反馈链路时延。
具体地，根据码本索引每隔预设时间依次将全息波束赋形阵列的发射或接收系数矩阵设置为不同的码字，以使天线阵列利用不同方向的波束进行扫描，并接收用户反馈的信号接收强度。
S3，将接收信号强度最大的导向矢量作为所述天线阵列的最优发射或接收系数，根据所述最优发射或接收系数对所述天线阵列进行部署。
具体地，将S2中每次扫描后反馈的数据进行比较，确定一个接收信号强度最大的波束方向，其对应的码字即为使信号强度最大的码字，将其作为所述天线阵列的最佳发射或接收系数，对天线阵列进行部署。
进一步地，所述天线阵列为UPA阵列。
进一步地，所述接收信号强度为CQI、SNR、SINR、RSRP、RSRQ中的任一种。
进一步地，通过施加电压信号改变天线单元的发射或接收系数。
进一步地，用户端在每次扫描之后都进行一次反馈，由天线端进行比较；或者由天线阵列向用户端发送指令，指示用户端在未来K个时序内天线阵列会进行连续扫描，待连续扫描过后，由用户端进行比较，确定一个接收信号强度最大的波束方向并反馈给天线阵列。
通常情况下，全息波束赋形天线阵列的波束赋形系数是离散的量化值。也即，在全息波束赋形天线中，阵列单元的相移通常是量化的，即相移量为离散值。以基于PSK的相位量化为例，定义一个由H个元素(H≥2)的相位集合
则相位量可表示为：
其中的一个解为
其中，ω0为量化之前的相移向量，即
以q bit量化为例，通过
得到给出理想的相移向量。然后通过以下方式得到量化后的相移：
其中，arg(x)代表复数x的相位，
为第i个天线单元量化后的相移量，[ω0]i为第i个天线单元量化之前的相移量，i的取值范围为[1，M*N]。
下面以一个具体的例子对本发明提供的方法进行进一步的说明。
在Matlab程序仿真下，假定阵列数量为8*8，初始状态，阵列的相位角均为0，可以绘制天线方向图如图4所示；在经过本发明提供的基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法调控阵列相位之后，使其在45°处的增益尽量最大，得到的结果如图5所示，由图5可看出，天线在45°处的增益明显增大。
本发明实施例提供一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，包括：
S1，在用户端位置已知的情况下，根据用户端相对于天线阵列的俯仰角θ和方位角
计算对应的导向矢量AUE；
其中，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
S2，对所述导向矢量进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并对所述天线阵列进行部署。
进一步地，S2中，采用q bit量化，量化后天线单元的相移量的计算公式为：
其中，
为第i个天线单元量化后的相移量，[ω0]i为第i个天线单元量化之前的相移量，i的取值范围为[1，M*N]。
进一步地，所述天线阵列为UPA阵列。
本发明实施例提供的方法，当无法获知用户的角度信息时，通过搜索码本找到能够使用户接收信号强度最优的码字。当用户的角度信息已知时，可直接确定能够使用户接收信号强度最优的码字，以达到在该方向上波束赋形的目的。虽然码本是基于远场模型设计的，但是实际操作中对于近场传播环境同样适用。
本发明实施例提供一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形装置，包括：
第一处理模块，在用户端位置未知的情况下，任意设置角度组合
将各角度组合对应的导向矢量AUE作为码字；
其中，θ和
分别为所述用户端相对于天线阵列的俯仰角和方位角，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
第二处理模块，用于分别对各导向矢量进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并接收用户端反馈的接收信号强度；
第三处理模块，用于将接收信号强度最大的导向矢量作为所述天线阵列的最优发射或接收系数，根据所述最优发射或接收系数对所述天线阵列进行部署。
本发明实施例提供一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形装置，包括：
第一处理模块，用于在用户端位置已知的情况下，根据用户端相对于天线阵列的俯仰角θ和方位角
计算对应的导向矢量AUE；
其中，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
第二处理模块，用于对所述导向矢量进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并对所述天线阵列进行部署。
本发明实施例提供一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的方法。
本发明实施例提供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指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现如上述任一实施例所述的方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，其特征在于，包括：
S1，在用户端位置未知的情况下，任意设置角度组合
将各角度组合对应的导向矢量AUE作为码字；
其中，θ和
分别为所述用户端相对于天线阵列的俯仰角和方位角，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
S2，分别将各码字进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并接收用户端反馈的接收信号强度；
S3，将接收信号强度最大的导向矢量作为所述天线阵列的最优发射或接收系数，根据所述最优发射或接收系数对所述天线阵列进行部署。
2.一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，其特征在于，包括：
S1，在用户端位置已知的情况下，根据用户端相对于天线阵列的俯仰角θ和方位角
计算对应的导向矢量AUE；
其中，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
S2，对所述导向矢量进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并对所述天线阵列进行部署。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，S2中，采用q bit量化，量化后天线单元的相移量的计算公式为：
其中，
为第i个天线单元量化后的相移量，[ω0]i为第i个天线单元量化之前的相移量，i的取值范围为[1，M*N]。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述天线阵列为UPA阵列。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收信号强度为CQI、SNR、SINR、RSRP、RSRQ中的任一种。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，每隔预设时间切换所述天线阵列的发射或接收系数，所述预设时间大于系统反馈链路时延。
7.一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形装置，其特征在于，包括：
第一处理模块，在用户端位置未知的情况下，任意设置角度组合
将各角度组合对应的导向矢量AUE作为码字；
其中，θ和
分别为所述用户端相对于天线阵列的俯仰角和方位角，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
第二处理模块，用于分别对各导向矢量进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并接收用户端反馈的接收信号强度；
第三处理模块，用于将接收信号强度最大的导向矢量作为所述天线阵列的最优发射或接收系数，根据所述最优发射或接收系数对所述天线阵列进行部署。
8.一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形装置，其特征在于，包括：
第一处理模块，用于在用户端位置已知的情况下，根据用户端相对于天线阵列的俯仰角θ和方位角
计算对应的导向矢量AUE；
其中，
i对应天线阵列第m行第n列，m≤M，n≤N，M和N分别为天线阵列的行数和列数，dz为天线阵列单元的行间距，dy为天线阵列单元的列间距，λ为波长；
第二处理模块，用于对所述导向矢量进行量化后，作为所述天线阵列的发射或接收系数，并对所述天线阵列进行部署。
9.一种基于导向矢量的全息MIMO天线阵列的波束赋形系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-6任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310305848.4A CN116318282A (zh) | 2023-03-27 | 2023-03-27 | 一种基于导向矢量的全息mimo天线阵列的波束赋形方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310305848.4A CN116318282A (zh) | 2023-03-27 | 2023-03-27 | 一种基于导向矢量的全息mimo天线阵列的波束赋形方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116318282A true CN116318282A (zh) | 2023-06-23 |
Family
ID=86799454
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310305848.4A Pending CN116318282A (zh) | 2023-03-27 | 2023-03-27 | 一种基于导向矢量的全息mimo天线阵列的波束赋形方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116318282A (zh) |
-
2023
- 2023-03-27 CN CN202310305848.4A patent/CN116318282A/zh active Pending
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