CN118250802A - 一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法、装置、存储介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法、装置、存储介质及设备，包括：由若干数量的波束组成码本覆盖整个动态区域，以波束相邻且不重叠的码本结构及半功率波束宽度为条件确定每个波束的中心方向；对每个波束，建立波束优化问题，最大化中心方向带宽内最小波束增益，限制波束增益随频率的波动范围以消除波束在中心方向的波束斜视；根据最优解获得数字波束，将数字波束拆分成两个模拟波束；根据动态用户的位置信息选择与位置相邻的两组波束，动态分配带宽使两组波束在不同的频带上传输相同信号。本发明的有益效果为：能补偿动态情况下的波束斜视并提高传输系统的频谱效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法、装置、存储介质及设备，具体涉及一种基于频带分配的有效补偿动态波束斜视的码本波束传输方法、装置、存储介质及设备，属于无线通信技术领域。
背景技术
5G作为第五代无线移动通信，相比第四代LTE(Long Term Evolution，第四代移动通信技术)，其数据传输速率可提高近百倍。毫米波可提供GHz的频谱带宽，可以提高数据传输速率，被认为是5G的关键技术之一。但是5G毫米波频段的信号与传统的6GHz以下频段的信号有很大的不同，会经历严重的传播损耗。大规模天线波束成形技术对补偿信号衰减，并维持稳定的通信链路起到了关键作用。
相控阵列天线的设计在超宽带通信系统中面临着挑战。同一波束方向上，不同频率的波束增益也不同，特别是最大频率和最小频率的波束增益与载波频率的波束增益相比，均大大下降，这就是波束斜视，降低了相控阵列天线系统的可用带宽。现有的一些消除或减少波束斜视的方法中，考虑的是静态目标的情形下，对波束斜视进行补偿。然而，静态情形下已经补偿波束斜视的波束在动态情形下依然会产生新的斜视，因此需要考虑动态情形下波束斜视的补偿问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于频带分配的有效补偿动态波束斜视的码本波束传输方法，能够有效地补偿动态波束斜视。
为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的。
一方面，本发明提供一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，包括以下步骤：
步骤S1，以波束中心方向无偏斜及相邻且不叠加的码本结构为前提，确定每个波束中心方向及左右边界，由载波频率得到波束中心方向增益最大的波束；
步骤S2，对每个中心方向发生偏移的波束进行优化设计补偿斜视，基于最大化波束中心方向带宽内最小波束增益，限制波束增益随频率的波动范围，得到最优解X，X表示矩阵；
步骤S3，根据最优解X得到数字波束，将数字波束拆分为包括两个模拟波束，采用基于开关切换的两倍相移器阵列结构实现模拟波束到数字波束赋形的转换；
步骤S4，对高速移动的目标用户，选择与目标用户方向最近的两组模拟波束，分配不同的频带传输相同数据信号，以实现动态波束的斜视补偿；
结合第一方面，进一步地，本发明码本波束传输方法还包括步骤S5：基于频带分配的码本波束传输的实现，对数据流进行修改。
结合第一方面，进一步地，所述步骤S1具体包括：以波束在中心方向没有波束斜视(即在波束中心方向的频率域内的半功率波束宽度刚好是带宽大小)及波束与波束之间是相邻且不叠加的码本结构为前提条件，确定每个波束中心方向及左右边界。
所述确定码本各个波束中心方向及左右边界的具体方法为：
在给定空间范围内，以波束增益在固定范围波动确定码本各个波束的空间方向，使各个波束空间上相邻且不重叠；用θ表示天线阵列基站发射角的正弦，给定目标用户的移动范围θ∈[-1，1]，移动范围即整个动态区域若干波束组成的码本空间上要覆盖这个范围的方向，给定系统带宽频率范围是载波中心频率为fc，则带宽为B＝fmax-fmin；考虑相对于天线阵列基站发射角θ＝0对称的码本设计，以θ∈[0,1]为例，波束码本表示为
其中，为码本中的单个波束，为一个列向量，j表示虚部单位，i＝1,…,N，N表示码本中波束的数量，θi,o为码本波束wi的波束中心方向，[·]T表示向量的转置，M为天线个数；令波束wi的3dB波束空间范围为[θi,l,θi,r]，θi,l表示波束wi覆盖范围的左边界，θi,r表示波束wi覆盖范围的右边界；通过载波的中心频率fc快速获得在中心方向达到最大波束增益的模拟波束的相移βm＝2πfcc-1(m-1)dθo，m＝1,…,M，其中，c是光速，d是相邻天线的间距，并且对于任意的θo，此波束的3dB波束宽度此类方法以下简称为快速生成波束方法；
根据快速生成波束的波束增益表达式中θ和f的关系，f表示任意频率，如果则波束中心方向θo处所有频率的信号增益均在3dB波束范围内，即在θo方向未发生波束偏移，根据码本波束覆盖范围相邻且不重叠的要求，即θi,l＝θi-1,r，θi,r＝θi+1,l，以此类推，得到 的所有波束中心方向Θ1＝{θ1,o,…,θi,o}，并用快速生成波束相移的方法得到波束码本对于则需要设计波束满足在θo方向不发生波束偏移，即θo方向所有频率的信号增益都在3dB范围内，且此时设计的3dB波束宽度δ3dB与θo有关，需满足波束宽度此时 以此类推得到波束码本对应的波束中心方向Θ2＝{θi+1,o,…,θN,o}；
根据空间θ∈[-1，1]范围内的码本波束个数是偶数或者奇数，分别对以上算法进行初始化；以θ∈[0,1]为例进行说明，当码本波束个数是偶数时，则θ1,l＝0，并且由于肯定成立，因此第一个波束肯定成立；当空间θ∈[-1，1]范围内的码本波束个数是奇数，则θ1,o＝0。
结合第一方面，进一步地，所述步骤S2具体包括：对波束中心方向Θ2＝{θi+1,o,…,θN,o}的波束码本中的波束分别进行优化设计补偿波束斜视。
定义θn,o为波束wn的中心方向，i+1≤n≤N；考虑每个wn的优化过程都一样，为方便描述，将优化的变量wn简写成w，相应的波束中心方向θn,o简写成θo。为了满足在波束中心方向θo带宽内所有频率的信号增益都在3dB范围内，优化问题需满足条件其中a(f,θo)是均匀线性阵列的导向矢量，[·]H表示矩阵或向量的共轭转置，基于此条件建立如下优化问题：
其中，w、γ是需要优化的波束及参数，wm表示模拟波束向量W中的第m个元素；根据表达式wHa(f,θ0)aH(f,θ0)w＝tr(a(f,θ0)aH(f,θ0)·wwH)，tr(a(f,θ0)aH(f,θ0)·wwH)表示矩阵a(f,θ0)aH(f,θ0)·wwH的迹，令X＝wwH，则X是半正定矩阵，且矩阵X的秩rank(X)＝1，原优化问题变成半正定规划SDP(Semi-Definite Program，半正定规划)问题，优化变量由w转变为X；
SDP:
由于约束条件rank(X)＝1是非凸的，通过半正定规划松弛得到SDR(SemidefiniteRelaxation，半正定松弛)问题，即去掉rank约束条件，
SDR:
SDR问题通过软件工具求得最优解X。
结合第一方面，进一步地，所述步骤S3具体包括：
由于SDR问题的最优解X的秩不为1，无法直接特征值求得模拟波束向量w；用Στ表示矩阵X第τ次对角线上元素之和，且-(M-1)≤τ≤(M-1)，τ＞0表示矩阵X右上对角线，τ＜0表示矩阵X的左下对角线，τ＝0表示矩阵X的主对角线；Στ具体表示为
表示的M×M托普利兹矩阵，即只在第τ次对角线上的元素为1，其余元素为0；得到Στ之后，根据如下关系式得到数字波束向量v＝[v0,v1,…,vM-1]T；
其中，复数表示复数vm的共轭，f(x)是由Στ为系数构成的M-1次多项式函数。令f(x)＝0，根据多项式系数Στ求得多项式的根xm，再根据以下多项式函数y(x)的根zm，求得以下多项式的系数即为v＝[v0,v1,…,vM-1]T；
其中zm可以取值xm或者
根据上述方法得到数字波束向量v＝[ν0,v1,…，νm,…,vM-1]T，通过每根天线的两个相移器的相位来控制v中每个元素的幅度和相位。假设则连接天线m的两个相移器的相位是和且满足根据欧拉公式推导，得到和这些相位分别得到模拟波束和由此过程方法得到波束码本中每个波束实际上是由两个模拟波束组成，即两个模拟波束构成一组波束，分别用波束码本和表示，wi+1,a和wi+1,b为一组波束。
考虑到当波束中心θo<θi+1,o时采用快速生成的模拟波束只需要一组相移器，而θo≥θi+1,o设计的波束需采用两组相移器，因此采用基于开关切换的两倍相移器阵列结构实现模拟波束到数字波束赋形的转换，当θo<θi+1,o时，开关打开，只有一组相移器激活，当θo≥θi+1,o时，开关关闭，两组相移器处于激活状态，实现两个模拟波束构成的数字波束。
结合第一方面，进一步地，所述步骤S4具体包括：
在目标用户处于高速运动的状态时，比如火车、高速列车、无人机等场景，因高速运动使基站发射端无法获得准确瞬时的信道状态信息，因此无法快速生成瞬时的波束，而基于其运动方向的可预测性，当目标用户位置处于基站发射角范围θ∈[θi,o,θi+1,o)时(基站发射角也可表示用户方向)，为了消除动态波束斜视，从码本中选择与用户位置相邻的波束中心方向对应的两组波束wi和wi+1，两组波束发送相同的数据信号，但使用不同的频带范围，将带宽分割，波束组wi-1使用频率范围波束组wi使用频率范围且因为θi-1,r＝θi,l，所以以此类推，目标用户在θ∈[-1，1]范围内快速移动，其动态产生的波束斜视即可消除。
注意，波束组wi和wi+1可能是来自快速生成波束方法得到的码本 也可能是来自波束码本当来自波束码本时，码本中每个波束实际由两组模拟波束组成，即和中的波束组，相同方向的两个模拟波束发送相同信号且使用相同的频带，而不同方向的模拟波束，发送相同信号但使用不同的频带。
结合第一方面，进一步地，所述步骤S5具体包括：
对于K个用户，将K条数据流复制变成4K条数据流，基站选择目标用户方向相邻的两组波束分别在两段不同频带上传输4条相同的数据流，但4条数据流分别由不同波束方向的两组波束发送，因此4K条数据流需要发送2K个导频信号。
第二方面，本发明提供一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输装置，包括：
波束空间方向确定模块，用于以波束增益在波束中心方向频带域内固定的波动范围为条件确定码本中各个波束的空间方向，使各波束空间相邻且不重叠，且中心方向无波束偏斜；
最优解获取模块，用于对每个中心方向发生偏移的波束进行优化设计补偿斜视，基于最大化波束中心方向带宽内最小波束增益，限制波束增益随频率的波动范围，得到最优解X，X表示矩阵；
数字波束模块，用于根据最优解X得到数字波束，将数字波束拆分为包括两个模拟波束，采用基于开关切换的两倍相移器阵列结构实现模拟波束到数字波束赋形的转换；
频带分配模块，用于对高速移动的目标用户，选择与目标用户方向最近的两组模拟波束，分配不同的频带传输相同数据信号，以实现动态波束的斜视补偿；
结合第二方面，还包括数据流修改模块，用于基于频带分配的码本波束传输的实现，对数据流进行修改。
第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现上述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输的步骤。
第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现上述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明能够有效地补偿动态波束斜视，并提高动态场景下系统的可用带宽以及系统的吞吐量。
附图说明
图1为本发明码本波束传输方法的流程图；
图2为本发明提供的基于开关切换的两倍相移器天线阵列结构示意图；
图3为采用快速生成波束的方法形成的码本通过单波束传输形式应用于动态目标场景下宽带系统的的波束增益性能示意图；
图4为采用快速生成波束的方法形成的码本通过本发明动态频带分割的双波束传输形式应用于动态目标场景下宽带系统的波束增益性能示意图；
图5为采用本发明波束赋形的方法形成的码本通过单波束传输形式应用于动态目标场景下宽带系统的波束增益性能示意图；
图6为采用本发明波束赋形的方法形成的码本通过本发明的动态频带分割的双波束传输形式应用于动态目标场景下宽带系统的波束增益性能示意图。
具体实施方式
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细地说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符"/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，包括以下步骤：
本实施例的步骤S1：以以波束增益在波束中心方向频带域内固定的波动范围为条件确定码本中各个波束的空间方向，使各波束空间相邻且不重叠，且中心方向无波束偏斜。
在本实施例的一种具体实施方式中，本实施例的步骤S1具体包括：以波束在中心方向没有波束斜视(即在波束中心方向的频率域内的半功率波束宽度刚好是带宽大小)及波束与波束之间是相邻且不叠加的码本结构为前提条件，确定每个波束中心方向及左右边界。
确定码本各个波束中心方向及左右边界的具体方法为：
在给定空间范围内，以波束增益在固定范围波动确定码本各个波束的空间方向，使各个波束空间上相邻且不重叠；用θ表示天线阵列基站发射角的正弦，给定目标用户的移动范围θ∈[-1，1]，移动范围即整个动态区域若干波束组成的码本空间上要覆盖这个范围的方向，给定系统带宽频率范围是载波中心频率为fc，则带宽为B＝fmax-fmin；考虑相对于天线阵列基站发射角θ＝0对称的码本设计，以θ∈[0,1]为例，波束码本表示为
其中，为码本中的单个波束，为一个列向量，j表示虚部单位，i＝1,…,N，N表示码本中波束的数量，θi,o为码本波束wi的波束中心方向，[·]T表示向量的转置，M为天线个数；令波束wi的3dB波束空间范围为[θi,l,θi,r]，θi,l表示波束wi覆盖范围的左边界，θi,r表示波束wi覆盖范围的右边界；通过载波的中心频率fc快速获得在中心方向达到最大波束增益的模拟波束的相移βm＝2πfcc-1(m-1)dθo，m＝1,…,M，其中，c是光速，d是相邻天线的间距，并且对于任意的θo，此波束的3dB波束宽度此类方法以下简称为快速生成波束方法；
根据快速生成波束的波束增益表达式中θ和f的关系，f表示任意频率，如果则波束中心方向θo处所有频率的信号增益均在3dB波束范围内，即在θo方向未发生波束偏移，根据码本波束覆盖范围相邻且不重叠的要求，即θi,l＝θi-1,r，θi,r＝θi+1,l，以此类推，得到 的所有波束中心方向Θ1＝{θ1,o,…,θi,o}，并用快速生成波束相移的方法得到波束码本对于则需要设计波束满足在θo方向不发生波束偏移，即θo方向所有频率的信号增益都在3dB范围内，且此时设计的3dB波束宽度δ3dB与θo有关，需满足波束宽度此时 以此类推得到波束码本对应的波束中心方向Θ2＝{θi+1,o,…,θN,o}；
根据空间θ∈[-1，1]范围内的码本波束个数是偶数或者奇数，分别对以上算法进行初始化；以θ∈[0,1]为例进行说明，当码本波束个数是偶数时，则θ1,l＝0，并且由于肯定成立，因此第一个波束肯定成立；当空间θ∈[-1，1]范围内的码本波束个数是奇数，则θ1,o＝0。
本实施例的步骤S2：对每个中心方向发生偏移的波束进行优化设计补偿斜视，基于最大化波束中心方向带宽内最小波束增益，限制波束增益随频率的波动范围，得到最优解X，X表示矩阵。
在本实施例的一种具体实施方式中，本实施例的步骤S2具体包括：对波束中心方向Θ2＝{θi+1,o,…,θN,o}的波束码本中的波束分别进行优化设计补偿波束斜视。
定义θn,o为波束wn的中心方向，i+1≤n≤N；考虑每个wn的优化过程都一样，为方便描述，将优化的变量wn简写成w，相应的波束中心方向θn,o简写成θo。为了满足在波束中心方向θo带宽内所有频率的信号增益都在3dB范围内，优化问题需满足条件其中a(f,θo)是均匀线性阵列的导向矢量，[·]H表示矩阵或向量的共轭转置，基于此条件建立如下优化问题：
其中，w、γ是需要优化的波束及参数，wm表示模拟波束向量W中的第m个元素；根据表达式wHa(f,θ0)aH(f,θ0)w＝tr(a(f,θ0)aH(f,θ0)·wwH)，tr(a(f,θ0)aH(f,θ0)·wwH)表示矩阵a(f,θ0)aH(f,θ0)·wwH的迹，令X＝wwH，则X是半正定矩阵，且矩阵X的秩rank(X)＝1，原优化问题变成半正定规划SDP问题，优化变量由w转变为X；
SDP:
由于约束条件rank(X)＝1是非凸的，通过半正定规划松弛得到SDR问题，即去掉rank约束条件，
SDR:
SDR问题通过软件工具求得最优解X。
本实施例的步骤S3：根据最优解X得到数字波束，将数字波束拆分为包括两个模拟波束，采用基于开关切换的两倍相移器阵列结构实现模拟波束到数字波束赋形的转换。
在本实施例的一种具体实施方式中，如图2所示的基于开关切换的两倍相移器天线阵列结构示意图，本实施例的步骤S3具体包括：
由于SDR问题的最优解X的秩不为1，无法直接特征值求得模拟波束向量w；用Στ表示矩阵X第τ次对角线上元素之和，且-(M-1)≤τ≤(M-1)，τ＞0表示矩阵X右上对角线，τ＜0表示矩阵X的左下对角线，τ＝0表示矩阵X的主对角线；Στ具体表示为
表示的M×M托普利兹矩阵，即只在第τ次对角线上的元素为1，其余元素为0；得到Στ之后，根据如下关系式得到数字波束向量v＝[v0,v1,…,vM-1]T；
其中，复数表示复数vm的共轭，f(x)是由Στ为系数构成的M-1次多项式函数。令f(x)＝0，根据多项式系数Στ求得多项式的根xm，再根据以下多项式函数y(x)的根zm，求得以下多项式的系数即为v＝[v0,v1,…,vM-1]T；
其中zm可以取值xm或者
根据上述方法得到数字波束向量v＝[ν0,v1,…，νm,…,vM-1]T，通过每根天线的两个相移器的相位来控制v中每个元素的幅度和相位。假设则连接天线m的两个相移器的相位是和且满足根据欧拉公式推导，得到和这些相位分别得到模拟波束和由此过程方法得到波束码本中每个波束实际上是由两个模拟波束组成，即两个模拟波束构成一组波束，分别用波束码本和表示，wi+1,a和wi+1,b为一组波束。
考虑到当波束中心θo<θi+1,o时采用快速生成的模拟波束只需要一组相移器，而θo≥θi+1,o设计的波束需采用两组相移器，因此采用基于开关切换的两倍相移器阵列结构实现模拟波束到数字波束赋形的转换，如图2所示，当θo<θi+1,o时，开关打开，只有一组相移器激活，当θo≥θi+1,o时，开关关闭，两组相移器处于激活状态，实现两个模拟波束构成的数字波束。
本实施例的步骤S4：对高速移动的目标用户，选择与目标用户方向最近的两组模拟波束，分配不同的频带传输相同数据信号，以实现动态波束的斜视补偿。
在本实施例的一种具体实施方式中，本实施例的步骤S4具体包括：
在目标用户处于高速运动的状态时，比如火车、高速列车、无人机等场景，因高速运动使基站发射端无法获得准确瞬时的信道状态信息，因此无法快速生成瞬时的波束，而基于其运动方向的可预测性，当目标用户位置处于基站发射角范围θ∈[θi,o,θi+1,o)时(基站发射角也可表示用户方向)，为了消除动态波束斜视，从码本中选择与用户位置相邻的波束中心方向对应的两组波束wi和wi+1，两组波束发送相同的数据信号，但使用不同的频带范围，将带宽分割，波束组wi-1使用频率范围波束组wi使用频率范围且因为θi-1,r＝θi,l，所以以此类推，目标用户在θ∈[-1，1]范围内快速移动，其动态产生的波束斜视即可消除。
注意，波组束wi和wi+1可能是来自快速生成波束方法得到的码本 也可能是来自波束码本当来自波束码本时，码本中每个波束实际由两组模拟波束组成，即和中的波束组，相同方向的两个模拟波束发送相同信号且使用相同的频带，而不同方向的模拟波束，发送相同信号但使用不同的频带。
因本发明的码本波束传输方法在实施的时候需提前对要发送的数据流进行处理，把同一条数据流复制成两条，以便于后续流程中相同信号使用不同波束及不同的频带发送，本发明的码本波束传输方法还包括步骤S5：基于频带分配的码本波束传输的实现，对数据流进行修改。具体方法如下：
对于K个用户，将K条数据流复制变成4K条数据流，基站选择目标用户方向相邻的两组波束分别在两段不同频带上传输4条相同的数据流，但4条数据流分别由不同波束方向的两组波束发送，因此4K条数据流需要发送2K个导频信号。
如图3至图6所示，下面对本发明的仿真情况进行说明。
本发明是针对动态场景下MIMO(multiple-input multiple-output)通信系统中宽带毫米波波束斜视补偿问题而提出的，由于波束斜视问题在多用户MIMO混合波束成形传输和在模拟波束成形传输中对通信的可用带宽及吞吐量的影响一样，为了便于分析，先对本发明应用于简单模拟波束成形系统进行示范性说明。
仿真结果将本发明与另一种快速生成波束形成码本的方案分别通过本发明提出的频带分配双波束传输与未频带分配单波束传输进行对比，对比方案的波束是为静态场景下补偿波束斜视设计的，即未进行频带分配直接选择码本中对应的一个波束进行输出传输。图3至图6为应用本发明于宽带系统的波束增益性能示意图，仿真条件：发射天线数M＝64，天线阵列间距d＝λc/2，ε＝3dB，载波频率fc＝28GHz，最大频率fmax＝30GHz，最小频率fmin＝26GHz。由图3和图4或者图5和图6比较可见，采用本发明提出的频带分配的双波束传输方法能有效补偿动态波束偏斜，而通过图3和图5或者图4和图6比较可见，本发明提出的波束优化方法形成的码本波束在动态波束有助于动态波束偏斜补偿。在4GHz的带宽系统中，快速生成波束的码本，其波束斜视补偿设计应用于动态场景的传输方法的最大、最小频率的波束增益与载波频率下的波束增益明显下降，特别是大角度方向上，如图3和图4；而应用本发明的波束增益在同一方向上不同频率下，其波束增益波动很小，而不同方向上的波束增益波动也大大减小，因此动态场景下，用户不管在什么方向上，其波束斜视得到有效补偿，如图6。
实施例2
与实施例1基于相同的发明构思，本实施例介绍一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输装置，包括：
波束空间方向确定模块，用于以波束增益在波束中心方向频带域内固定的波动范围为条件确定码本中各个波束的空间方向，使各波束空间相邻且不重叠，且中心方向无波束偏斜。
最优解获取模块，用于对每个中心方向发生偏移的波束进行优化设计补偿斜视，基于最大化波束中心方向带宽内最小波束增益，限制波束增益随频率的波动范围，得到最优解X，X表示矩阵。
数字波束模块，用于根据最优解X得到数字波束，将数字波束拆分为包括两个模拟波束，采用基于开关切换的两倍相移器阵列结构实现模拟波束到数字波束赋形的转换。
频带分配模块，用于对高速移动的目标用户，选择与目标用户方向最近的两组模拟波束，分配不同的频带传输相同数据信号，以实现动态波束的斜视补偿。
数据流修改模块，用于基于频带分配的码本波束传输的实现，对数据流进行修改。
实施例3
与其它实施例基于相同的发明构思，本实施例介绍一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现上述用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
实施例4
与其它实施例基于相同的发明构思，本实施例介绍一种计算机设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序以实现上述用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
实施例5
与其它实施例基于相同的发明构思，本实施例介绍一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
综上实施例，本发明首先以波束增益在固定范围内波动确定码本各个波束的空间中心方向，使波束空间相邻且不重叠；对每个波束，建立波束优化问题，最大化中心方向带宽内最小波束增益，限制波束增益随频率的波动范围以消除波束在中心方向的波束斜视；根据最优解获得数字波束，将数字波束拆分成两个模拟波束，采用基于开关切换的两倍相移器阵列结构实现模拟波束到数字波束赋形的转换；在工程实现上，对于K个用户，需将K条数据流复制变成4K条数据流，基站需要选择用户方向相邻的两组波束分别在两段不同频带上传输4条相同的数据流，而4K条数据流只需要发送2K个导频信号；这种基于频率分割的有效补偿动态波束斜视的码本波束传输方法，能有效补偿波束偏斜并提高系统的可用带宽及吞吐量。
此外，本发明是可以离线操作，波束可以提前计算并存储，可通过码本波束覆盖整个空间范围，所以复杂度不是问题。根据不同的应用背景，本发明经过适当的修改同样适用于其他与毫米波波束成形相关的MIMO通信领域。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、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。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (11)
1.一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于，包括：
以波束中心方向无偏斜及相邻且不叠加的码本结构为前提，确定每个波束中心方向及左右边界；
对每个中心方向发生偏移的波束进行优化设计补偿斜视，基于最大化波束中心方向带宽内最小波束增益，限制波束增益随频率的波动范围，得到最优解X，X表示矩阵；
根据最优解X得到数字波束，将数字波束拆分为包括两个模拟波束；
对高速移动的目标用户，选择与目标用户方向最近的两组模拟波束，分配不同的频带传输相同数据信号，以实现动态波束的斜视补偿。
2.根据权利要求1所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于：所述码本波束传输方法还包括基于频带分配的码本波束传输的实现，对数据流进行修改。
3.根据权利要求1所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于：以波束在中心方向没有波束斜视及波束与波束之间是相邻且不叠加的码本结构为前提条件，确定每个波束中心方向及左右边界；
所述确定码本各个波束中心方向及左右边界的具体方法为：
在给定空间范围内，以波束增益在固定范围波动确定码本各个波束的空间方向，使各个波束空间上相邻且不重叠；用θ表示天线阵列基站发射角的正弦，给定目标用户的移动范围θ∈[-1，1]，移动范围即整个动态区域若干波束组成的码本空间上要覆盖这个范围的方向，给定系统带宽频率范围是载波中心频率为fc，则带宽为B＝fmax-fmin；考虑相对于天线阵列基站发射角θ＝0对称的码本设计，以θ∈[0,1]为例，波束码本表示为
其中，为码本中的单个波束，为一个列向量，j表示虚部单位，i＝1,…,N，N表示码本中波束的数量，θi,o为码本波束wi的波束中心方向，[·]T表示向量的转置，M为天线个数；令波束wi的3dB波束空间范围为[θi,l,θi,r]，θi,l表示波束wi覆盖范围的左边界，θi,r表示波束wi覆盖范围的右边界；通过载波的中心频率fc快速获得在中心方向达到最大波束增益的模拟波束的相移βm＝2πfcc-1(m-1)dθo，m＝1,…,M，其中，c是光速，d是相邻天线的间距，并且对于任意的θo，此波束的3dB波束宽度此类方法以下简称为快速生成波束方法；
根据快速生成波束的波束增益表达式中θ和f的关系，f表示任意频率，如果则波束中心方向θo处所有频率的信号增益均在3dB波束范围内，即在θo方向未发生波束偏移，根据码本波束覆盖范围相邻且不重叠的要求，即θi,l＝θi-1,r，θi,r＝θi+1,l，以此类推，得到 的所有波束中心方向Θ1＝{θ1,o,…,θi,o}，并用快速生成波束相移的方法得到波束码本对于则需要设计波束满足在θo方向不发生波束偏移，即θo方向所有频率的信号增益都在3dB范围内，且此时设计的3dB波束宽度δ3dB与θo有关，需满足波束宽度此时 以此类推得到波束码本对应的波束中心方向Θ2＝{θi+1,o,…,θN,o}。
4.根据权利要求1所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于，对波束中心方向Θ2＝{θi+1,o,…,θN,o}的波束码本中的波束分别进行优化设计补偿波束斜视，具体方法为：
定义θn,o为波束wn的中心方向，i+1≤n≤N；考虑每个wn的优化过程都一样，为方便描述，将优化的变量wn简写成w，相应的波束中心方向θn,o简写成θo。为了满足在波束中心方向θo带宽内所有频率的信号增益都在3dB范围内，优化问题需满足条件γ≤wHa(f,θ0)aH(f,θ0)w≤γ103/10，其中a(f,θo)是均匀线性阵列的导向矢量，[·]H表示矩阵或向量的共轭转置，基于此条件建立如下优化问题：
其中，w、γ是需要优化的波束及参数，wm表示模拟波束向量W中的第m个元素；根据表达式wHa(f,θ0)aH(f,θ0)w＝tr(a(f,θ0)aH(f,θ0)·wwH)，tr(a(f,θ0)aH(f,θ0)·wwH)表示矩阵a(f,θ0)aH(f,θ0)·wwH的迹，令X＝wwH，则X是半正定矩阵，且矩阵X的秩rank(X)＝1，原优化问题变成半SDP问题，优化变量由w转变为X；
由于约束条件rank(X)＝1是非凸的，通过半正定规划松弛得到SDR问题，即去掉rank约束条件，
SDR问题通过软件工具求得最优解X。
5.根据权利要求4所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于，所述数字波束的得到方法为：
由于SDR问题的最优解X的秩不为1，无法直接特征值求得模拟波束向量w；用Στ表示矩阵X第τ次对角线上元素之和，且-(M-1)≤τ≤(M-1)，τ＞0表示矩阵X右上对角线，τ＜0表示矩阵X的左下对角线，τ＝0表示矩阵X的主对角线；Στ具体表示为
表示的M×M托普利兹矩阵，即只在第τ次对角线上的元素为1，其余元素为0；得到Στ之后，根据如下关系式得到数字波束向量v＝[v0,v1,…,vM-1]T；
其中，复数表示复数vm的共轭，f(x)是由Στ为系数构成的M-1次多项式函数。令f(x)＝0，根据多项式系数Στ求得多项式的根xm，再根据以下多项式函数y(x)的根zm，求得以下多项式的系数即为v＝[v0,v1,…,vM-1]T；其中zm可以取值xm或者
根据上述方法得到数字波束向量v＝[ν0,v1,…，νm,…,vM-1]T，通过每根天线的两个相移器的相位来控制v中每个元素的幅度和相位；假设则连接天线m的两个相移器的相位是θ1和θ2，且满足根据欧拉公式推导，得到和这些相位分别得到模拟波束由此过程方法得到波束码本中每个波束实际上是由两个模拟波束组成，即两个模拟波束构成一组波束，分别用波束码本和表示，wi+1,a和wi+1,b为一组波束。
6.根据权利要求1所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于，对高速移动的目标用户，选择与目标用户方向最近的两组模拟波束，分配不同频带传输相同数据的具体方法为：
在目标用户处于高速运动的状态时，当目标用户位置处于基站发射角范围θ∈[θi,o,θi+1,o)时，为了消除动态波束斜视，从码本中选择与用户位置相邻的波束中心方向对应的两组波束wi和wi+1，两组波束发送相同的数据信号，但使用不同的频带范围，将带宽分割，波束组wi-1使用频率范围波束组wi使用频率范围且因为θi-1,r＝θi,l，所以以此类推，目标用户在θ∈[-1，1]范围内快速移动，其动态产生的波束斜视即被消除。
7.根据权利要求1所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于，基于频带分配的码本波束传输的实现，需对数据流进行修改的具体方法为：
对于K个用户，将K条数据流复制变成4K条数据流，基站选择目标用户方向相邻的两组波束分别在两段不同频带上传输4条相同的数据流，但4条数据流分别由不同波束方向的两组波束发送，因此4K条数据流需要发送2K个导频信号。
8.用于动态波束斜视补偿的码本波束传输装置，其特征在于，包括：
波束空间方向获取模块，用于以波束增益在波束中心方向频带域内固定的波动范围为条件确定码本中各个波束的空间方向，使各波束空间相邻且不重叠，且中心方向无波束偏斜；
最优解获取模块，用于对每个发生偏移的波束进行优化设计补偿斜视，基于最大化中心方向带宽内最小波束增益，限制波束增益随频率的波动范围，得到最优解X，X表示矩阵；
数字波束获得模块，用于对快速移动的目标用户，选择与目标用户方向最近的两组模拟波束，分配不同的频段传输相同数据信号；
数据流修改模块，用于基于频带分割的码本波束传输的实现，对数据流进行修改。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1～6中任一所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现权利要求1～6中任一项所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
11.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7中任一项所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
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