CN117938220A - 一种面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现方法，该方法包括：将可移动天线间距拉大到数倍于半波长，形成指向多个方向的定向波束，用户侧通过接受能量的大小确定用户候选方位；基于用户候选方位对用户方位进行精细搜索，确定用户最终方位，并向该方位发射定向波束进行安全数据传输。因此，本发明通过调整可移动天线系统的天线间距，实现高效的波束训练，有效地确定可移动天线系统下的用户方位。
Description
技术领域
本发明是关于一种面向安全传输的面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现方法、装置、设备及介质，涉及无线移动通信技术领域。
背景技术
波束赋形是在多天线系统中实现定向信号传输/接收的重要信号处理技术。通过控制每个天线上信号的幅度和/或相位，可以将来自/发往不同天线的信号波前构造性地叠加以放大所需方向上的信号，或者在不希望的方向上通过破坏性叠加进行干扰消除，该技术可以在空间维度保证信息的安全传输，避免信息的不必要泄露。
在过去的几十年里，波束成形技术已广泛应用于无线通信、雷达、声纳及成像系统等领域。然而，由于传统天线阵列的固定几何结构，即固定位置天线阵列，现有的波束成形解决方案通常面临在所需方向上放大信号和在不希望的方向上减小干扰之间的基本权衡。这是因为固定位置天线阵列的阵列响应矢量在不同指向角度上具有固有的空间相关性。因此，通常无法通过经典的波束成形设计同时实现在所需方向上的最大信号功率或全阵增益。
为此，现有技术提出了可移动天线的概念以实现天线的局部移动，追求更有利的信道条件并实现更好的通信性能及安全信息传输。为了做到这一点，需要获取用户的方位。在大规模天线系统中，波束训练是一种常用的用户方位估计方法，通过扫描空间的不同方位，用户可以通过接收功率确定自己所在位置并反馈给基站，从而进行后续的信息传输。然而，随着天线数的增多，系统可以形成的波束会更细，从而候选的方向会增多，进而导致波束训练的巨大开销。
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能够在可移动天线系统中高效估计用户方位的面向安全传输的可移动天线的波束训练框架实现方法、装置、设备及介质。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现方法，该方法包括：
将可移动天线间距拉大到数倍于半波长，形成指向多个方向的定向波束，用户侧通过接受能量的大小确定用户候选方位；
基于用户候选方位对用户方位进行精细搜索，确定用户最终方位，并向该方位发射定向波束进行安全数据传输。
进一步地，基站的天线数为N，用户的天线数为1，该用户信道表示为：
h＝gaN(θ)
其中，g表示各径对应的增益，θ表示用户到天线的角度， λ表示系统中心子载波波长，dn表示第n根天线在天线阵列上的几何位置。
进一步地，以半波长为天线单元间隔的天线阵列系统中，dn＝nλ/2，波束赋形矢量设置为aN(φ)时，波束赋形的增益为：
式中，φ表示波束赋形矢量设置的指向方向；
当天线间距为σ倍于半波长，即dn＝nσλ/2，束赋形增益为：
在0～2π范围内，当θ＝φ时，波束增益达到最大，当σ为2，此时θ＝φ和θ＝φ+π时波束增益都能达到最大值，形成一个同时指向两个方向的波束，同理可得，当σ为4时，即可形成同时指向4个方向的波束，以此类推。
进一步地，将可移动天线间距拉大到数倍于半波长，形成指向多个方向的定向波束，用户侧通过接受能量大小确定用户候选方位，包括：
通过控制步进电机调整可移动天线间距使其为σ倍半波长，形成同时指向σ个方向的波束；
用户接收不同波束的能量，选出能量最高的波束确定为用户可能位于的σ个方位作为用户候选方位。
进一步地，基于用户候选方位对用户方位进行精细搜索，确定用户最终方位，并向该方位发射定向波束进行安全数据传输，包括：
重新将可移动天线阵列的天线间距调整为半波长，并依次形成指向候选角度的波束搜索这σ个方位；
用户端在不同时间接收不同的波束并记录对应的接收能量；
比较不同波束的接收能量，将接收能量最大的波束确定为用户所在的方位，基于确定的用户方位进行安全信息传输。
第二方面，本发明还提供一种面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现装置，包括：
用户候选方位确定单元，被配置为将可移动天线间距拉大到数倍于半波长，形成指向多个方向的定向波束，用户侧通过接受能量大小确定用户候选方位；
用户最终方位确定单元，被配置为基于用户候选方位对用户方位进行精细搜索，确定用户最终方位，并向该方位发射定向波束进行安全数据传输。
进一步地，所述用户候选方位确定单元的实现过程，包括：
通过控制步进电机调整可移动天线间距使其为σ倍半波长，形成同时指向σ个方向的波束；
用户接收不同波束的能量，选出能量最高的波束确定为用户可能位于的σ个方位作为用户候选方位。
进一步地，所述用户最终方位确定单元的实现过程，包括：
重新将可移动天线阵列的天线间距调整为半波长，并依次形成指向候选角度的波束搜索这σ个方位；
用户端在不同时间接收不同的波束并记录对应的接收能量；
比较不同波束的接收能量，将接收能量最大的波束确定为用户所在的方位，基于确定的用户方位进行安全信息传输。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，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、本发明提供的可移动天线波束训练框架实现方法，通过调整可移动天线系统的天线间距，分两阶段实现高效的波束训练，有效地确定可移动天线系统下的用户方位。
2、在本发明所提的波束训练框架下，首先将可移动天线的天线间距调整至数倍于半波长的大小，这样可以形成同时指向多个方向的定向波束，从而快速确定用户的粗略方位，在第二阶段，基于此粗略方位形成高指向性的定向波束搜索上一阶段所确定的几个粗略方位，并最终确定用户的方位。
综上，本发明提出的可移动天线的高效波束训练框架实现方法，能够解决可移动天线系统下用户方位高效获取的问题，可以广泛应用于可移动天线的高效波束训练中。
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为本发明实施例的可移动天线系统示意图；
图2为本发明实施例的波束训练框架实现方法原理图；
图3为本发明实施例的电子设备结构示意图。
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。
由于现阶段随着天线数的增多，系统可以形成的波束会更细，从而候选的方向会增多，进而导致波束训练的巨大开销。本发明提供的面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现方法、装置、设备及介质，利用可移动天线可自由调整天线间距的特点一次性形成指向多个方向的波束，从而实现高效的波束训练。具体而言，该波束训练框架包含两个阶段：第一个阶段，天线间距将调整到数倍于半波长的大小，从而生成同时指向多个方向的波束，并粗略估计用户可能处在的方位；第二个阶段，天线间距将重新调整为半波长，在第一个阶段确定的大致角度范围基础上，最终确定用户所在的方位。因此，本发明充分利用可移动天线可以灵活调整天线间距的优势，实现高效的空间搜索，从而快速确定用户位置，定向发送信号实现信息的安全传输。
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。
如图1所示，假定基站的天线数为N，用户的天线数为1，该用户信道可以被表示为：
h＝gaN(θ)
其中，g表示各径对应的增益，θ表示用户到天线的角度， λ表示系统中心子载波波长，dn表示第n根天线在天线阵列上的几何位置，即距天线阵列一端的距离。
在传统的以半波长为天线单元间隔的天线阵列系统中，dn＝nλ/2，在此情况下，将波束赋形矢量设置为aN(φ)时，波束赋形的增益为：
式中，φ表示波束赋形矢量设置的指向方向，θ表示用户的角度。
因此，在0～2π范围内，只有当θ＝φ时，波束增益达到最大，然而，若天线间距为σ倍于半波长，即dn＝nσλ/2，此时，波束赋形增益为：
具体地，以当σ为2为例，此时θ＝φ和θ＝φ+π时波束增益都能达到最大值，此时就相当于形成了一个同时指向两个方向的波束，同理可推得，当σ为4时，即可形成同时指向4个方向的波束，以此类推，通过设计这样的波束，可以高效搜索空间中的不同方位。
实施例一：基于上述设计原理，如图2所示，本实施例提供的面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现方法，包括：
S1、将可移动天线间距拉大到数倍于半波长，从而形成指向多个方向的定向波束，用户侧通过接受能量大小高效地确定用户大致候选方位，粗略估计用户可能处在的方位。
本实施例中，可以通过步进电机等方法调整可移动天线间距使其为σ倍半波长，来形成同时指向σ个方向的波束，用户接收不同波束的能量，选出能量最高的波束，从而确定用户可能位于的σ个方位。
S2、基于用户大致候选方位，对用户方位进行精细搜索，从而最终确定用户方位，并向该方位发射定向波束进行安全数据传输。
本实施例中，重新将可移动天线阵列的天线间距调整为半波长，并依次形成指向上一阶段确定的候选角度的波束搜索这σ个方位；用户端在不同时间接收不同的波束并记录对应的接受能量，在接收完成后比较不同波束的能量，并最终通过接收能量最大的波束确定用户所在的方位，基于确定的用户所在方位进行后续的安全信息传输。
实施例二：上述实施例一提供了面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现方法，与之相对应地，本实施例提供一种面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现装置。本实施例提供的装置可以实施实施例一的面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现方法，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，本发明提供的面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现装置的实施例仅仅是示意性的。
具体地，本实施例提供的面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现装置，包括：
用户候选方位确定单元，被配置为将可移动天线间距拉大到数倍于半波长，形成指向多个方向的定向波束，用户侧通过接受能量大小确定用户候选方位；
用户最终方位确定单元，被配置为基于用户候选方位对用户方位进行精细搜索，确定用户最终方位，并向该方位发射定向波束进行安全数据传输。
本发明的一个优选实施例中，用户候选方位确定单元的实现过程，包括：
通过控制步进电机调整可移动天线间距使其为σ倍半波长，形成同时指向σ个方向的波束；
用户接收不同波束的能量，选出能量最高的波束确定为用户可能位于的σ个方位作为用户候选方位。
本发明的一个优选实施例中，用户最终方位确定单元的实现过程，包括：
重新将可移动天线阵列的天线间距调整为半波长，并依次形成指向候选角度的波束搜索这σ个方位；
用户端在不同时间接收不同的波束并记录对应的接收能量；
比较不同波束的接收能量，将接收能量最大的波束确定为用户所在的方位，基于确定的用户方位进行安全信息传输。
实施例三：本实施例提供一种与本实施例一所提供的面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现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。
Claims (10)
1.一种面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现方法，其特征在于，该方法包括：
将可移动天线间距拉大到数倍于半波长，形成指向多个方向的定向波束，用户侧通过接受能量的大小确定用户候选方位；
基于用户候选方位对用户方位进行精细搜索，确定用户最终方位，并向该方位发射定向波束进行安全数据传输。
2.根据权利要求1所述的可移动天线波束训练框架实现方法，其特征在于，基站的天线数为N，用户的天线数为1，该用户信道表示为：
h＝gaN(θ)
其中，g表示各径对应的增益，θ表示用户到天线的角度， λ表示系统中心子载波波长，dn表示第n根天线在天线阵列上的几何位置。
3.根据权利要求2所述的可移动天线波束训练框架实现方法，其特征在于，以半波长为天线单元间隔的天线阵列系统中，dn＝nλ/2，波束赋形矢量设置为aN(φ)时，波束赋形的增益为：
式中，φ表示波束赋形矢量设置的指向方向；
当天线间距为σ倍于半波长，即dn＝nσλ/2，束赋形增益为：
在0～2π范围内，当θ＝φ时，波束增益达到最大，当σ为2，此时θ＝φ和θ＝φ+π时波束增益都能达到最大值，形成一个同时指向两个方向的波束，同理可得，当σ为4时，即可形成同时指向4个方向的波束，以此类推。
4.根据权利要求1所述的可移动天线波束训练框架实现方法，其特征在于，将可移动天线间距拉大到数倍于半波长，形成指向多个方向的定向波束，用户侧通过接受能量大小确定用户候选方位，包括：
通过控制步进电机调整可移动天线间距使其为σ倍半波长，形成同时指向σ个方向的波束；
用户接收不同波束的能量，选出能量最高的波束确定为用户可能位于的σ个方位作为用户候选方位。
5.根据权利要求2所述的可移动天线波束训练框架实现方法，其特征在于，基于用户候选方位对用户方位进行精细搜索，确定用户最终方位，并向该方位发射定向波束进行安全数据传输，包括：
重新将可移动天线阵列的天线间距调整为半波长，并依次形成指向候选角度的波束搜索这σ个方位；
用户端在不同时间接收不同的波束并记录对应的接收能量；
比较不同波束的接收能量，将接收能量最大的波束确定为用户所在的方位，基于确定的用户方位进行安全信息传输。
6.一种面向安全传输的可移动天线波束训练框架实现装置，其特征在于，包括：
用户候选方位确定单元，被配置为将可移动天线间距拉大到数倍于半波长，形成指向多个方向的定向波束，用户侧通过接受能量大小确定用户候选方位；
用户最终方位确定单元，被配置为基于用户候选方位对用户方位进行精细搜索，确定用户最终方位，并向该方位发射定向波束进行安全数据传输。
7.根据权利要求6所述的可移动天线波束训练框架实现装置，其特征在于，所述用户候选方位确定单元的实现过程，包括：
通过控制步进电机调整可移动天线间距使其为σ倍半波长，形成同时指向σ个方向的波束；
用户接收不同波束的能量，选出能量最高的波束确定为用户可能位于的σ个方位作为用户候选方位。
8.根据权利要求6所述的可移动天线波束训练框架实现装置，其特征在于，所述用户最终方位确定单元的实现过程，包括：
重新将可移动天线阵列的天线间距调整为半波长，并依次形成指向候选角度的波束搜索这σ个方位；
用户端在不同时间接收不同的波束并记录对应的接收能量；
比较不同波束的接收能量，将接收能量最大的波束确定为用户所在的方位，基于确定的用户方位进行安全信息传输。
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5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5所述方法中的任一方法。
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2024
- 2024-01-15 CN CN202410054543.5A patent/CN117938220A/zh active Pending
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