CN117335848A - 一种超大规模mimo空间非平稳信道的波束训练方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，包括：基站分子阵设计波束训练码字，并依次发送设计的码字；用户接收基站各时隙发送的码字，通过码字接收功率确认用户所处的角度和子阵；基于用户所处的角度和子阵，恢复用户信道。因此，本发明通过码字传输和方位估计两个阶段可以实现对超大规模MIMO空间非平稳信道的精确波束训练，有效地解决超大规模MIMO空间非平稳信道无法实现精确的波束训练的问题。
Description
技术领域
本发明是关于一种超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，涉及无线移动通信技术领域。
背景技术
为满足日益增长的业务需求，使用毫米波(30GHz-300GHz，5G标准采纳)、太赫兹(0.1THz-10THz)等高频段提供的极高带宽进行移动通信成为未来移动通信网络的重要技术手段。然而，在频谱资源丰富的毫米波、太赫兹等频段，无线传播存在严重的路径损耗，以0.16THz频段的太赫兹信号为例，其传播过程将会经历高达80dB/km的严重路损。大规模多输入多输出(multi-input multi-output，MIMO)技术被公认为是攻克这一挑战的关键技术之一。
目前通过配置超大规模天线阵列(比如256根天线)，超大规模MIMO技术形成具有极高阵列增益的方向性波束，能够补偿高频段的路径损耗，同时提高了系统的频谱效率。自2010年提出以来，超大规模MIMO技术已经成为了学术界与工业界的研究热点，在最新的3GPP R15标准中正式采纳为5G的物理层技术。
在高频通信系统中，由于高频段信号的高路径衰减，多径数量通常较少，从而使得波束训练成为一种实用的信道信息获取方法。具体而言，波束训练在不同时隙发送方向不同的码字，并根据接收功率最大的码字确定用户的方位。然而随着天线规模的不断增大，系统中会出现空间非平稳现象即天线阵面的不同部分对应的用户会不同。然而传统的波束训练方法会用整个阵面生成一个波束，而无法识别不同阵面对应的不同用户，从而导致严重的波束训练性能损失。
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，针对上述问题，本发明的目的是提供一种超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法、装置、设备及介质，解决超大规模MIMO空间非平稳波束训练精度低的问题。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案为：
第一方面，本发明提供的一种超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，包括：
基站分子阵设计波束训练码字，并依次发送设计的码字；
用户接收基站各时隙发送的码字，通过码字接收功率确认用户所处的角度和子阵；
基于用户所处的角度和子阵，恢复用户信道。
进一步地，所述基站分子阵设计波束训练码字，并依次发送设计的码字，包括：
将天线面分为若干个子阵，用户对应某几个子阵面，确定用户信道模型；
基于用户信道模型特征对不同子阵分别设计波束训练码字，使得不同子阵指向不同方位；
基站依次发送设计的码字，每个码字覆盖空间不同角度，当用户位于被波束覆盖的角度时，即可接收到基站发送的码字，反之则不能接收到基站发送的码字。
进一步地，用户信道模型被表示为：
h＝glaN(θ)⊙p
其中，gl表示各径对应的增益，θ表示用户到天线的角度， 其中，ai＝e-j2nπfθ，i＝1…N，N表示天线数，f表示超大规模MIMO通信系统中心频点，p表示系统中的空间非平稳，如果一个天线单元能看到用户，该元素即为1，反之为0。
进一步地，所述基站依次发送设计的码字，每个码字覆盖空间不同角度，包括：
对于第s个子阵，其对应的第i个码字为：
式中，M表示每个子阵的天线单元数量，Ns表示子阵数；
将所有Ns个子阵的码字进行组合，即得到整个阵列在波束训练过程中第i个码字为：
进一步地，所述用户接收基站各时隙发送的码字，通过码字接收功率确认自身所处的角度和子阵，包括：
获取用户接收的各码字的接收功率，根据最大的接收功率决定用户所处的角度θ；
根据码字的最大接收功率对应的子阵确定用户所处的子阵p。
进一步地，获取用户接收的各码字的接收功率，根据最大的接收功率决定用户所处的角度，包括：
当该码字的接收功率高于阈值时，即认为用户位于该码字对应的几个候选方位里，当第i个码字的接收功率高于阈值时，用户可能的角度为：
由于分为多个子阵，用户会在不止一个时隙收到高于阈值的接收功率，最终用户的角度即为这些集合的交集：
进一步地，所述根据码字的最大接收功率对应的子阵确定用户所处的子阵，包括：
用户对应的子阵编号即为码字的接收功率大于阈值时发射波束方向为用户方位的子阵。
第二方面，本发明还提供一种超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练装置，该装置包括：
码字传输单元，被配置为基站分子阵设计波束训练码字，并依次发送设计的码字；
方位估计单元，被配置为用户接收基站各时隙发送的码字，通过码字接收功率确认用户所处的角度和子阵；
信道恢复单元，被配置为基于用户所处的角度和子阵，恢复用户信道。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述方法中的任一方法的指令。
第四方面，本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述方法中的任一方法。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：
1、本发明通过码字传输和方位估计两个阶段可以实现对超大规模MIMO空间非平稳信道的精确波束训练，有效地解决超大规模MIMO空间非平稳信道无法实现精确的波束训练的问题。
2、本发明将超大规模MIMO分为若干子阵列，对每个子阵列分别设计码字，并且保证每个子阵列对应的波束方向不同，这样可通过用户在哪几个时隙的接收功率高判断用户位于什么方位且对应子阵列的哪一部分。
综上，本发明可以广泛应用于无线移动通信中。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例的波束训练框架阶段说明图；
图2为本发明实施例的非平稳信道示意图；
图3为本发明实施例的电子设备结构图。
具体实施方式
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
由于传统的波束训练方法会用整个阵面生成一个波束，而无法识别不同阵面对应的不同用户，从而导致严重的波束训练性能损失。本发明提供的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法、装置、设备及介质，利用子连接混合预编码架构，每个子阵列分别同时扫描空间中的不同角度，同时射频链对应不同的功率，用户根据接收功率确定自身的角度和对应的子阵列。具体而言，混合预编码架构包括码字传输和方位估计两个阶段，在码字传输阶段，基站不同射频链发送不同的码字，对应的子阵移相器依次生成不同角度扫描整个空间；在方位估计阶段，用户通过各时隙的接收功率确认自身所处的角度和所对应的子阵；基于用户所处的角度和子阵，恢复用户信道。因此，本发明能够在空间非平稳的场景下实现更准确的波束训练，能够有效解决空间非平稳现象带来的波束训练精度下降问题。
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一：如图1所示，本实施例提供的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，包括：
S1、码字传输阶段。
S11、将天线面分为若干个子阵，用户对应某几个子阵面，确定用户信道模型。
本实施例中，假定基站的天线数量为N，用户的天线数为1，将基站的天线阵面分为Ns个子阵，每个子阵面有M＝N/Ns个天线单元。由于空间非平稳现象的存在，用户只对应天线阵面的某几个子阵面。
进一步地，如图2所示，本实施例的天线被分为6个子阵，用户对应第2～4个子阵，该用户信道模型可以被表示为：
h＝glaN(θ)⊙p
其中，gl表示各径对应的增益，θ表示用户到天线的角度， 其中，ai＝e-j2nπfθ，f表示超大规模MIMO通信系统中心频点，p表示系统中的空间非平稳，具体而言，如果一个天线单元可以看到用户，该元素即为1，反之为0。
在传统方法中，用户信道模型没有p这一项，则在波束训练过程中采用的码字为a(φi)，其中，φi为对空间中不同角度的采样，满足表达式：
但是随着p的引入，直接用a(φi)会无法识别空间中的空间非平稳现象，造成性能损失。
S12、基站设计码本，即分子阵设计波束训练码字，保证每个子阵形成的波束方向均不同。
本实施例提出的码字设计方法为：对不同子阵分别进行波束的设计，且使得不同子阵指向不同的方位，具体而言，对于第s个子阵，其对应的第i个码字为：
式中，M表示每个子阵的天线单元数量，Ns表示子阵数。
将所有Ns个子阵的码字进行组合，即可得到整个阵列在波束训练过程中第i个码字为：
S12、基站依次发送设计的码字
本实施例中，基站依次发送上一步中设计的码字，每个码字会覆盖空间中的不同角度，当用户位于可以被波束覆盖的角度时，即可接收到基站发送的信号，反之则不能接收到基站发送的信号，由此，通过用户的接收功率可以确定哪个角度可以覆盖到用户，从而确定用户位置。波束训练的目的就是确定用户的角度和子阵，恢复用户信道，从而向该角度发送信号，进行通信。
本实施例中，基站可以为集中式MIMO，网络不限于单载波和多载波网络，频段为毫米波或太赫兹等高频段，以此为例，不限于此。
本实施例中，码字即可同时覆盖空间中的不同方位，且由于划分了子阵，该码字可以帮助用户有效识别系统中的空间非平稳现象，在完成码字设计之后，基站分不同时隙依次发送所设计的码字，完成该波束训练方法的第一阶段。
S2、方位估计阶段，即用户通过各时隙的接收功率确认自身所处的角度和所对应的子阵。
S21、用户估计角度，即基于各码字的接收功率，根据最大的接收功率决定用户的角度。
本实施例中，用户在接收到各个码字对应的接收功率后，即可确定自身方位，具体而言，当该码字的接收功率高于阈值时，即可认为用户位于该码字对应的几个候选方位里，例如，当第i个码字的接收功率高于阈值时，用户可能的角度为：
本实施例中，由于分为多个子阵，用户会在不止一个时隙收到高于阈值的接收功率，最终用户的角度即为这些集合的交集，即这几个码字都可以覆盖到的角度，表示为为θ的估计值：
S22、用户估计对应子阵p
本实施例中，由于空间非平稳现象的存在，天线阵列可能部分子阵被遮挡，无法向用户传输数据，可能只有部分子阵可以向用户传输数据，根据最大接收功率对应的子阵确定用户对应的子阵。
用户对应的子阵编号即为接收功率大于阈值时发射波束方向为用户方位的子阵，至此，完成了对用户方位和用户对应的天线子阵的估计。
S3、基于用户所处的角度θ和子阵p，通过用户信道模型恢复用户信道。
实施例二：上述实施例一提供了超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，与之相对应地，本实施例提供一种超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练装置。本实施例提供的装置可以实施实施例一的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，该装置可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。为了描述的方便，描述本实施例时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。例如，该装置可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例一各方法中的对应步骤。由于本实施例的装置基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例一的部分说明即可，本发明提供的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练装置的实施例仅仅是示意性的。
具体地，本发明还提供一种超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练装置，该装置包括：
码字传输单元，被配置为基站分子阵设计波束训练码字，并依次发送设计的码字；
方位估计单元，被配置为用户接收基站各时隙发送的码字，通过码字接收功率确认用户所处的角度和子阵；
信道恢复单元，被配置为基于用户所处的角度和子阵，恢复用户信道。
实施例三：本实施例提供一种与本实施例一所提供的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法对应的电子设备，电子设备可以是用于客户端的电子设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例一的方法。
如图3所示，电子设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(ISA，IndustryStandard Architecture)总线，外部设备互连(PCI，Peripheral Component)总线或扩展工业标准体系结构(EISA，Extended Industry Standard Component)总线等等。存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以执行实施例一的方法，其实现原理和技术效果与实施例一类似，在此不再赘述。本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算设备的限定，具体的计算设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个优选的实施例中，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在一个优选的实施例中，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
实施例四：本实施例提供一种计算机程序产品，计算机程序产品可以是包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述实施例一所提供的方法，其实现原理和技术效果与实施例一类似，在此不再赘述。
在一个优选的实施例中，计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备，例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。计算机可读存储介质存储计算机程序指令，该计算机程序指令使计算机执行上述实施例一提供的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个优选的实施例”、“进一步地”、“具体地”、“本实施例中”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(装置)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，其特征在于，包括：
基站分子阵设计波束训练码字，并依次发送设计的码字；
用户接收基站各时隙发送的码字，通过码字接收功率确认用户所处的角度和子阵；
基于用户所处的角度和子阵，恢复用户信道。
2.根据权利要求1所述的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，其特征在于，所述基站分子阵设计波束训练码字，并依次发送设计的码字，包括：
将天线面分为若干个子阵，用户对应某几个子阵面，确定用户信道模型；
基于用户信道模型特征对不同子阵分别设计波束训练码字，使得不同子阵指向不同方位；
基站依次发送设计的码字，每个码字覆盖空间不同角度，当用户位于被波束覆盖的角度时，即可接收到基站发送的码字，反之则不能接收到基站发送的码字。
3.根据权利要求1所述的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，其特征在于，用户信道模型被表示为：
h＝glaN(θ)⊙p
其中，gl表示各径对应的增益，θ表示用户到天线的角度， 其中，ai＝e-j2nπfθ，i＝1....N，N表示天线数，f表示超大规模MIMO通信系统中心频点，p表示系统中的空间非平稳，如果一个天线单元能看到用户，该元素即为1，反之为0。
4.根据权利要求3所述的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，其特征在于，所述基站依次发送设计的码字，每个码字覆盖空间不同角度，包括：
对于第s个子阵，其对应的第i个码字为：
式中，M表示每个子阵的天线单元数量，Ns表示子阵数；
将所有Ns个子阵的码字进行组合，即得到整个阵列在波束训练过程中第i个码字为：
5.根据权利要求3所述的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，其特征在于，所述用户接收基站各时隙发送的码字，通过码字接收功率确认自身所处的角度和子阵，包括：
获取用户接收的各码字的接收功率，根据最大的接收功率决定用户所处的角度θ；
根据码字的最大接收功率对应的子阵确定用户所处的子阵p。
6.根据权利要求5所述的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，其特征在于，获取用户接收的各码字的接收功率，根据最大的接收功率决定用户所处的角度，包括：
当该码字的接收功率高于阈值时，即认为用户位于该码字对应的几个候选方位里，当第i个码字的接收功率高于阈值时，用户可能的角度为：
由于分为多个子阵，用户会在不止一个时隙收到高于阈值的接收功率，最终用户的角度即为这些集合的交集：
7.根据权利要求5所述的超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练方法，其特征在于，所述根据码字的最大接收功率对应的子阵确定用户所处的子阵，包括：
用户对应的子阵编号即为码字的接收功率大于阈值时发射波束方向为用户方位的子阵。
8.一种超大规模MIMO空间非平稳信道的波束训练装置，其特征在于，该装置包括：
码字传输单元，被配置为基站分子阵设计波束训练码字，并依次发送设计的码字；
方位估计单元，被配置为用户接收基站各时隙发送的码字，通过码字接收功率确认用户所处的角度和子阵；
信道恢复单元，被配置为基于用户所处的角度和子阵，恢复用户信道。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1至7所述方法中的任一方法的指令。
10.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至7所述方法中的任一方法。
Priority Applications (1)
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