WO2021203876A1 - 波束追踪方法、码本生成方法、装置及存储介质 - Google Patents

波束追踪方法、码本生成方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种波束追踪方法，发端无人机接收收端无人机反馈的运动状态信息；根据收端无人机的运动状态信息确定发端无人机到收端无人机的第一波束角；根据第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，预先设置的码本包括至少两层子码本，其中，每一层子码本对应一个激活子阵列尺寸；每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；根据所选择码字对应的激活子阵列尺寸、所选择码字对应的第二波束角和激活子阵列位置确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及波束赋形向量；以及利用确定的波束赋形向量进行信息传输。本公开的一个或多个实施例还提供了收端无人机的波束追踪方法、码本生成方法以及相应的波束追踪装置和码本生成装置。

Description

波束追踪方法、码本生成方法、装置及存储介质 技术领域
本公开一个或多个实施例涉及无人机技术领域，尤其涉及一种应用于定向阵子圆柱共形天线驱动的无人机的波束追踪方法、码本生成方法、波束追踪装置、码本生成装置、电子设备以及非暂态计算机可读存储介质。
背景技术
共形天线是一种能够附着于载体表面且与载体贴合的阵列天线，能够与无人机、卫星和导弹等高速运行的载体平台表面共形。在无人机技术领域，使用贴合无人机形状的共形天线能够充分利用无人机自身的形状，实现全空间的波束覆盖，同时不破坏无人机的空气动力学特性，减少天线额外带来的阻力和能量开销。定向阵子是指辐射范围在一定角度区间内的天线阵子。定向阵子圆柱共形天线由于形状的普适性，能够用于无人机机身等多种载体表面的共形，同时保持良好的波束模式。
毫米波波束追踪是一种保持毫米波通信链路的技术。毫米波通信采用窄波束补偿毫米波传播的高路损，并通过波束追踪技术获得相应的模拟波束赋形向量，从而保持毫米波波束对准，能够充分利用天线阵列增益，提高毫米波通信性能。进一步，在波束追踪技术中，通过设计码本并从码本中选择相应的码字可以高效地获得波束赋形向量。
因此，在定向阵子圆柱共形天线驱动的毫米波无人机通信系统中，如何针对定向阵子圆柱共形天线天线阵列的特点进行码本设计，并依据所设计的码本获得波束赋形向量，从而进行高效地波束追踪是无人机无线通信赋能方面需要解决关键技术。
发明内容
有鉴于此，本公开一个或多个实施例提出一种波束追踪方法，可以实现定向阵子圆柱共形天线驱动的无人机间毫米波波束的有效追踪。
本公开一个或多个实施例提供的波束追踪方法可以包括：接收收端无人机反馈的运动状态信息；根据所述收端无人机的运动状态信息确定发端无人机到所述收端无人机的第一波束角；根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，所述预先设置的码本包括至少两层子码本，其中，所述码本对应的最大激活子阵列尺寸根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；所述码本的层数根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层子码本对应一个激活子阵列尺寸，所述激活子阵列尺寸根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；根据所选择码字所属子码本对应的激活子阵列尺寸、所选择码字对应的第二波束角和激活子阵列位置确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及波束赋形向量；以及利用确定的波束赋形向量进行信息传输。
本公开的一个或多个实施例还提供了另一种波束追踪方法，可以包括：接收第k个发 端无人机反馈的运动状态信息；根据所述第k个发端无人机的运动状态信息确定收端无人机到所述第k个发端无人机的第一波束角；根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，所述预先设置的码本包括至少两层子码本，其中，所述码本对应的最大激活子阵列尺寸根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；所述码本的层数根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层子码本对应一种激活子阵列尺寸，所述激活子阵列尺寸根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；计算所述第k个发端无人机选择的码字与其他发端无人机已选码字之间的冲突矩阵；响应于所述冲突矩阵是非零矩阵，计算第k个发端无人机选择的码字的冲突集合；其中，所述冲突集合包括：已选择码字的发端无人机中其所选码字与所述第k个发端无人机选择的码字冲突的发端无人机编号的集合；并在将第k个发端无人机的编号加入所述冲突集合后，更新冲突集合中所包含编号对应发端无人机所选择的码字；根据更新的码字对应的激活子阵列尺寸以及更新的码字对应的第二波束角确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及合并向量；以及利用确定的合并向量接收信息。
本公开的实施例还提供了应用于圆柱共形天线的码本生成方法，该方法包括：获取圆柱共形天线的参数；根据所述圆柱共形天线的参数，确定所述码本对应的最大激活子阵列尺寸；根据所述码本所对应的最大激活子阵列尺寸，确定所述码本所包含子码本的层数以及每一层子码本对应的激活子阵列尺寸；以及针对每一层子码本，根据对应的激活子阵列尺寸以及所述圆柱共形天线的参数，生成所述子码本所包含的码字，其中，每个码字对应一个波束角。
本公开的一个或多个实施例还提供了一种波束追踪装置，可以包括：
运动状态信息交换模块，用于接收收端无人机反馈的运动状态信息；
波束角信息确定模块，用于根据收端无人机的运动状态信息确定发端无人机到所述收端无人机的第一波束角；
码字选择模块，用于根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，所述预先设置的码本包括至少两层的子码本，其中，所述码本对应的最大激活子阵列尺寸根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；所述码本的层数根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层的子码本对应一种激活子阵列尺寸，所述激活子阵列尺寸根据所述最大激活子阵列尺寸确定；且每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；
向量确定模块，用于根据所选择码字对应的激活子阵列尺寸、所选择码字对应的第二波束角和激活子阵列位置确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及波束赋形向量；以及
信息传输模块，用于利用确定的波束赋形向量进行信息传输。
本公开的一个或多个实施例还提供了另一种波束追踪装置，可以包括：
第二运动状态信息交换模块，用于接收第k个发端无人机反馈的运动状态信息；
第二波束角信息确定模块，用于根据第k个发端无人机的运动状态信息确定第k个发端无人机到收端无人机的第一波束角；
第二码字选择模块，用于根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，所述预先设置的码本包括至少两层的子码本，其中，所述码本对应的最大激活子阵列尺寸根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；所述码本的层数根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层的子码本对应一种激活子阵列尺寸，所述激活子阵列尺寸根据所述最大激活子阵列尺寸确定；且每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；
冲突矩阵确定模块，用于计算所述第k个发端无人机选择的码字与其他发端无人机已选码字之间的冲突矩阵；
更新模块，用于响应于所述冲突矩阵是非零矩阵，计算第k个发端无人机选择的码字的冲突集合；其中，所述冲突集合包括：已选择码字的发端无人机中其所选码字与所述第k个发端无人机选择的码字冲突的发端无人机编号的集合；并更新冲突集合中所包含编号对应发端无人机所选择的码字；
第二向量确定模块，用于根据更新的码字对应的激活子阵列尺寸以及更新的码字对应的第二波束角确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及合并向量；以及
信息接收模块，用于利用确定的合并向量接收信息。
本公开一个或多个实施例还提供了一种码本的生成装置，包括：
参数获取模块，用于获取圆柱共形天线的参数；
最大激活子阵列确定模块，用于根据所述圆柱共形天线的参数，确定所述码本对应的最大激活子阵列尺寸；
码本参数确定模块，用于根据所述码本所对应的最大激活子阵列尺寸，确定所述码本所包含子码本的层数以及每一层子码本对应的激活子阵列尺寸；以及
码字生成模块，用于针对每一层子码本，根据对应的激活子阵列尺寸以及所述圆柱共形天线的参数，生成所述子码本所包含的码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置。
本公开一个或多个实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时实现上述波束追踪方法或码本生成方法。
本公开一个或多个实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其中，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述波束追踪方法或码本生成方法。
可以看出，本公开一个或多个实施例提供的波束追踪方法应用一种新设计的同时包含波束模式和子阵列激活模式并且适用于定向阵子圆柱共形天线的码本，并提出基于上述新码本的波束追踪方法，发端无人机或收端无人机可以依据对端无人机的运动状态信息在码本中选择出合适的码字，从而确定定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及波束 赋形向量或合并向量，实现高效的无人机毫米波波束追踪，达到提升无人机间毫米波通信频谱效率的目的。与其他波束追踪方案相比，上述方法能够有效地适用于定向阵子圆柱共形天线，实现全空间的波束覆盖，在无人机快速移动的情况下提升无人机毫米波通信的频谱效率。
附图说明
为了更清楚地说明本公开一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开一个或多个实施例提出的由定向阵子圆柱共形天线驱动的无人机毫米波网络场景示意图；
图2a和2b为本公开一个或多个实施例所述的圆柱共形天线(CCA)的结构示意图；
图3为本公开一个或多个实施例所述的具有动态激活子阵的模拟射频(RF)的预编码器结构示意图；
图4为本公开一个或多个实施例所述的码本的结构示意图；
图5为本公开一个或多个实施例所述的由发端无人机实现的波束追踪方法流程示意图；
图6为本公开一个或多个实施例所述的发端无人机根据收端无人机的运动状态信息从上述预先设置的码本中选择码字的方法流程示意图；
图7为本公开一个或多个实施例所述的由收端无人机实现的波束追踪方法流程示意图；
图8为本公开一个或多个实施例所述的由发端无人机实现的波束追踪方法流程示意图；
图9为本公开一个或多个实施例所提供的用于毫米波波束追踪的时隙结构示意图；
图10为本公开一个或多个实施例所提供的应用于发端无人机的波束追踪装置结构示意图；
图11为本公开一个或多个实施例所提供的应用于收端无人机的波束追踪装置结构示意图；
图12为本公开一个或多个实施例所提供的波束追踪装置的硬件结构示意图；
图13为本公开一个或多个实施例所提供的码本生成方法流程示意图；
图14为本公开一个或多个实施例所述提供的码本生成装置结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本公开一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开一个或多个 实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如前所述，定向阵子圆柱共形天线由于形状的普适性，能够用于无人机机身等多种载体表面的共形，同时保持良好的波束模式。图1显示了本公开实施例提供的定向阵子圆柱共形天线驱动的无人机毫米波网络场景。
如图1所示，通过本公开提供的波束追踪技术，发端无人机和收端无人机均可以获得相应的波束赋形向量，从而可以保持毫米波波束对准，能够充分利用天线阵列增益，提高高速移动场景下无人机毫米波网络的通信速率。
图2a和2b为本公开一些实施例所述的圆柱共形天线(CCA)的结构示意图。其中，图2a显示了本公开实施例所述的圆柱共形天线的立体结构，其所示坐标系可以称为圆柱共形天线坐标系；图2b显示了本公开实施例所述的圆柱共形天线在xy平面(圆周)上一组天线阵子的示例。
在本公开的实施例中，上述图2a所示的圆柱共形天线的天线阵列尺寸可以记为M×N(其中，N表示上述圆柱共形天线在xy平面(圆周)上一组天线阵子的数量；M表示上述圆柱共形天线在z轴上所包含天线阵子的组数)，上述圆柱共形天线的圆柱的半径记为R cy1。其中，xy平面(圆周)上的天线阵子的角度间隔可以记为
Figure PCTCN2021078995-appb-000001
天线阵子n的角度位置可以表示为
Figure PCTCN2021078995-appb-000002
阵子间距离应当满足
Figure PCTCN2021078995-appb-000003
其中，λ c表示载波波长。z轴上的天线阵子间距离也应当满足
Figure PCTCN2021078995-appb-000004
在本公开的实施例中，上述天线阵子可以采用定向天线阵子，其辐射范围在方位面可以记为[α n,min,α n,max]，其辐射范围在俯仰面上可以记为[β m,min,β m,max]，相应的，上述定向天线阵子在方位面上的辐射宽度可以表示为Δα＝α n,max-α n,min，上述定向天线阵子在俯仰面上的辐射宽度可以表示为Δβ＝β m,max-β m,min。需要说明的是，当定向天线阵子的覆盖范围为整个角度域时，上述定向阵子即退化为普通阵子。
基于上述信息，如图2b所示，在圆柱共形天线坐标系中，第n个定向阵子的方位面辐射范围可以表示为：
Figure PCTCN2021078995-appb-000005
Figure PCTCN2021078995-appb-000006
第m个定向阵子的俯仰面辐射范围可以表示为：
Figure PCTCN2021078995-appb-000007
Figure PCTCN2021078995-appb-000008
其中，Z代表整数集合；l代表任意整数。
由于用于无人机的圆柱共形天线阵列尺寸通常很大，即
Figure PCTCN2021078995-appb-000009
比较小。因此，上述圆柱共形天线阵列的设置应当满足
Figure PCTCN2021078995-appb-000010
以及Δβ＝π来保证采用定向阵子的圆柱共形天线能够覆盖全部角度域。
由于定向阵子圆柱共形天线在波束角(包括方位面上的方位角和俯仰面上的俯仰角)确定的情况下存在无效阵子，即波束角超出其覆盖范围的阵子，因此，定向阵子圆柱共形天线在通信时需要避免激活无效阵子而造成浪费。也就是说，定向阵子圆柱共形天线驱动的无人机毫米波网络的波束追踪需要先确定定向阵子圆柱共形天线上需要激活的天线子阵列；然后，再确定对应上述需要激活的天线子阵列的波束赋形向量。需要说明的是，上述圆柱共形天线上需要激活的天线子阵列可以简称为激活子阵列。
基于上述定向阵子圆柱共形天线的结构，在本公开的实施例中，无人机可以采用具有动态激活子阵列的模拟射频(RF)预编码器结构进行模拟波束赋形。图3显示了本公开实施例所述的具有动态激活子阵列的模拟射频的预编码器结构。如图3所示，上述预编码器中包含N RF条射频链路，发射天线数量M t×N t。图3所示的预编码器结构可以在不同的时隙内根据信道变化调整射频链与天线阵子的连接关系，形成动态的激活子阵列。
通过上述与编码器，在一个确定的时隙内，该结构是一种确定的部分连接的预编码器结构。也就是说，在一个确定的时隙内，射频链将连接部分天线阵子，只有被连接的天线阵子将被激活，也即为定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列。
在本公开的实施例中，上述激活子阵列可以通过激活子阵列尺寸和激活子阵列中心阵子的位置两个参数确定。也即，在确定了激活子阵列尺寸以及激活子阵列中心阵子的位置后即可确定该激活子阵列。
如前所述，通过设计码本并根据无人机的运动状态从码本中选择相应的码字来确定波束赋形向量是一种高效的获得波束赋形向量的方式，因此，本公开的实施例首先给出一种可以同时包含波束模式和子阵列激活模式且适用于圆柱共形天线的码本。其中，在本公开的实施例中，上述波束模式可以是指波束赋形向量；上述子阵列激活模式可以是指被激活的子阵列，也即激活子阵列尺寸和激活子阵列中心阵子的位置。也就是说，通过该码本可以获得可以同时确定定向阵子圆柱共形天线中的激活子阵列以及该天线阵列的波束赋形向量。
本公开实施例所述的同时包含波束模式和子阵列激活模式是一种三维的码本，可以用于定向阵子圆柱共形天线驱动的毫米波无人机网络的波束追踪。具体而言，上述三维的码本可以是一种分层码本，能够覆盖三维全空间，并能够通过码字选择同时给出波束追踪需要激活的天线子阵列和相应的波束赋形向量。
下面就结合附图对上述本公开实施例提出的码本的结构进行详细的说明。
图4显示了本公开实施例所提出的码本的结构。如图4所示，该码本有多层，包括： 第(M min,N min)层，……，第(m,n)层，……，以及第(M max,N max)层。其中，该码本对应一个最大激活子阵列尺寸。在本公开的实施例中，上述码本对应的最大激活子阵列尺寸可以根据定向阵子圆柱共形天线的参数确定。该最大激活子阵列的尺寸也约定了该码本对应的最大分辨率。此外，上述码本的层数也可以根据上述最大激活子阵列尺寸确定。为了描述方便，将上述码本中的每一层称为一个子码本。具体而言，以其中第(m,n)层子码本为例，在本公开的实施例中，上述码本的第(m,n)层子码本具有确定的分辨率(也即具有确定的方位面波束宽度BW a和俯仰面波束宽度BW e)，该分辨率可以由相应的激活子阵列尺寸m×n决定。也就是说，上述码本中的每一层子码本将对应一个激活子阵列尺寸，且每一层子码本对应的激活子阵列的尺寸可以根据上述码本对应的最大激活子阵列尺寸确定。例如，上述第(M min,N min)层子码本对应的激活子阵列尺寸为M min×N min；……；上述第(m,n)层子码本对应的激活子阵列尺寸为m×n；……；上述第(M max,N max)层层子码本对应的激活子阵列尺寸为M max×N max。在本公开的实施例中，每一层子码本对应的激活子阵列的尺寸均小于上述码本对应的最大激活子阵列尺寸。
例如，当已确定定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列尺寸为m×n时，定向阵子圆柱共形天线驱动的发端无人机和收端无人机可以从上述图4所示的码本的第(m,n)层子码本中选择最优的码字。
另外，如图4所示，上述码本中的每一层子码本可以包括I×J个码字。上述每一层子码本所包含码字的个数可以由确定的方位面波束宽度BW a和俯仰面波束宽度BW e确定。其中，上述码字中的第(i,j)个码字对应量化后的一个波束角，该波束角可以包括方位角和俯仰角(α i,β j)，其中，i可以代表该码字所对应方位角的编号；j可以代表该码字所对应俯仰角的编号。此外，结合每个码字所在的子码本还可以确定该码字所对应的激活子阵列的尺寸。如此，根据上述码本中的一个码字可以得到如下两个方面的信息：波束模式和子阵列激活模式。具体地，波束模式可以由上述每个码字包含的量化后的波束角，也即方位角和俯仰角(α i,β j)决定；子阵列激活模式可以由上述每个码字所在的层决定。
下面将通过附图以及具体地实施例详细说明上述码本的设计细节。
如前所述，根据上述码本中的第(m,n)层中的第(i,j)个码字可以确定上述定向阵子圆柱共形天线的波束模式，也即天线权重向量或波束赋形向量v(m,n,i,j,S)，其中，S(m,n,p c(i))用于确定激活子阵列，p c(i)＝(m c,n c)表示激活子阵列的中心阵子位置，可以根据自身定向阵子圆柱形共形天线所使用天线阵列的尺寸确定；而(m,n)表示激活子阵列的尺寸。因此，通过，S(m,n,p c(i))可以确定波束赋形时所使用的激活子阵列。
在本公开的实施例中，上述中心阵子位置可以通过如下算式确定：
Figure PCTCN2021078995-appb-000011
Figure PCTCN2021078995-appb-000012
其中，M和N为自身定向阵子圆柱共形天线天线阵列的尺寸；
Figure PCTCN2021078995-appb-000013
代表圆柱共形天线 在xy平面(圆周)平面上天线阵子的角度间隔；α代表给定的方位角；l表示任意整数。
在这种情况下，该码字在方位面和俯仰面上的覆盖范围可以分别记为[(i-1)BW a,iBW a]和[(j-1)BW e,jBW e]。
此时，上述码本的最大分辨率(最大层数或码本对应的最大激活子阵列尺寸)M max×N max中的M max应当满足M max＝M。即z轴上的最大分辨率等于z轴上的天线阵子数。而上述码本的最大分辨率M max×N max中的N max应当满足如下条件：
N max＝|n 2-n 1|
Figure PCTCN2021078995-appb-000014
Figure PCTCN2021078995-appb-000015
其中，α 0表示给定的方位角。
可以看出，上述码本对应的最大激活子阵列尺寸可以根据定向阵子圆柱共形天线的参数确定。
如此，在本公开的实施例中，由码本第(m,n)层中的第(i,j)个码字确定的波束赋形向量可表示为如下表达式(1)：
v(m,n,i,j,S)＝1 {m,n,i,j}[A(α i,β j)] (m,n)  (1)
其中，1 {m,n,i,j}为指示函数，具体可以表示为如下表达式：
Figure PCTCN2021078995-appb-000016
A(α,β)为导向向量，具体可以表示为如下表达式：
Figure PCTCN2021078995-appb-000017
其中，(α i,β j)分别为码字对应的量化后的方位角和俯仰角。
从上述指示函数可以看出，当对应阵子属于激活子阵列S时，指示函数为1，否则为0。因此，码字的非零元素位置反映了激活子阵列位置，也就是说，每个码字是对应一个激活子阵列位置的。
具体地，下面将说明上述码本中每个码字对应的量化后的方位角和俯仰角是如何确定的。
如果使用(α i,β j)表示该码字对应的量化后的方位角和俯仰角，则对于码字(i,j)，
Figure PCTCN2021078995-appb-000018
Figure PCTCN2021078995-appb-000019
其中，BW a和BW e是一个码字对应波束在方位面和俯仰面上的波束宽度，表达式如下：BW a(e)＝ min{BW a(e),array,BW a(e),element}。
其中，
Figure PCTCN2021078995-appb-000020
l∈Z；BW e,element＝Δβ。
可以看出，上述码本能够在全空间内实现覆盖，并且具有不同的分辨率(波束宽度)，能够同时给出避免激活无效阵子的子阵列激活模式和相应的波束赋形向量。
基于上述码本，发端无人机或收端无人机可以从中选择相应的码字，从而确定激活子阵列以及该激活子阵列的波束赋形向量，实现波束追踪。
图5显示了本公开实施例所述的发端无人机进行波束追踪的方法。如图5所示，发端无人机可以执行如下步骤实现波束追踪：
在步骤502，接收收端无人机反馈的运动状态信息(MSI)。
在本公开的实施例中，可以将无人机视为空间中的刚体，此时，上述收端无人机的运动状态信息可以包括收端无人机的位置信息和姿态信息，其中，上述位置信息可以用无人机在空间中的三维坐标表示；上述姿态信息可以包括：俯仰角、旋转角和偏航角(也即无人机绕着空间中的x、y、z轴分别旋转形成的角)。
在本公开的实施例中，上述运动状态信息可以用于对收端无人机运动状态信息的预测。
在本公开的实施例中，发端无人机可以通过低频辅助频段接收上述收端无人机反馈的运动状态信息。
在步骤504，根据上述收端无人机的运动状态信息确定发端无人机到所述收端无人机的第一波束角。
在本公开的实施例中，可以根据收端无人机的位置信息和姿态信息确定发端无人机到所述收端无人机的第一波束角。具体地，通过收端无人机的位置信息和姿态信息，利用发端无人机和收端无人机之间的几何关系，可以获得发端无人机到所述收端无人机的第一波束角。第一波束角在这里是在以一个无人机为原点的坐标系里，另一个无人机相对原点的角度。在本实施例中，即是指以发端无人机为原点，收端无人机相对于原点的角度，包括方位角和俯仰角，也即前述的(α,β)。上述第一波束角可以作为码字选择所依据的角度。
在步骤506，根据上述第一波束角从预先设置的码本中选择码字。
在本公开的实施例中，上述预先设置的码本包括至少两层子码本，其中，上述码本对应的最大激活子阵列尺寸根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；上述码本的层数根据上述最大激活子阵列尺寸确定；每一层子码本对应一种激活子阵列尺寸，上述激活子阵列尺寸根据上述最大激活子阵列尺寸确定；每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角，也即对应一个方位角和一个俯仰角。另外，如前所述，每个码字还对应一个激活子阵列位置。
在本公开的实施例中，发端无人机选择码字的具体方法将在后文中详细描述，在此暂不说明。
在步骤508，根据所选择码字所属子码本对应的激活子阵列尺寸、所选择码字对应的第二波束角和激活子阵列位置确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及波束赋形向量。
在本公开的实施例中，在进行码字选择的过程中，发端无人机可以确定激活子阵列尺寸以及上述激活子阵列中心阵子的位置；然后，在本步骤中，发端无人机根据上述激活子阵列尺寸以及中心阵子的位置确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列。
接下来，在本公开的实施例中，发端无人机可以根据所确定码字对应的第二波束角中的方位角和俯仰角确定导向向量，然后根据上述激活子阵列以及上述导向向量确定上波束赋形向量。具体地，发端无人机可以根据上述计算表达式(1)确定波束赋形向量。
在步骤510，利用确定的波束赋形向量进行信息传输。
具体地，在本公开的实施例中，在确定了波束赋形向量之后，发端无人机可以利用确定的波束赋形向量进行波束赋形，并进行信息传输。
下面再结合具体的示例详细说明根据上述收端无人机的运动状态信息从预先设置的码本中选择码字的方法。
图6显示了本公开实施例所述的发端无人机根据收端无人机的运动状态信息从上述预先设置的码本中选择码字的方法流程。如图6所示，该方法可以包括：
在步骤602，根据发端无人机天线阵列的尺寸以及上述第一波束角确定激活子阵列尺寸。
在本公开的一些实施例中，发端无人机可以根据发端无人机天线阵列的尺寸以及上述第一波束角确定激活子阵列尺寸，其中，上述激活子阵列尺寸可以为发端无人机阵列尺寸和上述第一波束角计算所得的最大分辨率。
具体地，假设发端无人机天线阵列的尺寸为M×N。其中，M为发端无人机所采用圆柱共形天线在z轴上的天线阵子数；N为发端无人机所采用圆柱共形天线在xy平面(圆周)上的天线阵子数。上述第一波束角可以用(α 0,β 0)来表示，其中，α 0代表确定的方位角；β 0代表确定的俯仰角。
在本公开的实施例中，可以根据上述发端无人机天线阵列的尺寸以及确定的第一波束角确定上述最大分辨率M max×N max，从而确定激活子阵列尺寸为M max×N max。
具体地，在本公开的实施例中，可以令M max＝M，即令z轴上的最大分辨率M max等于z轴上的天线阵子数；并利用如下计算式确定xy平面(圆周)上的最大分辨率N max。
N max＝|n 2-n 1|
Figure PCTCN2021078995-appb-000021
Figure PCTCN2021078995-appb-000022
其中，
Figure PCTCN2021078995-appb-000023
代表圆柱共形天线在xy平面(圆周)平面上天线阵子的角度间隔；l表示任意整数；Δα表示定向天线阵子在方位面上的辐射宽度。
在步骤604，根据发端无人机天线阵列的尺寸以及上述第一波束角确定激活子阵中心阵子的位置。
在本公开的实施例中，可通过如下表达式确定上述激活子阵中心阵子的位置(m c,n c)：
Figure PCTCN2021078995-appb-000024
Figure PCTCN2021078995-appb-000025
需要说明的是，除了上述最大分辨率(最小波束宽度)的最优码字选择方案外，在本公开的另一些实施例中，通过选择不同的激活子阵尺寸，可以实现不同分辨率的子阵激活模式和波束赋形向量。
例如，在本公开的实施例中，根据无人机的实际计算能力，可以通过选择更小的分辨率(更小的子阵尺寸)，降低搜索码字所需的时间开销，从而实现通信速率与时延的折中。
又例如，当预测误差存在时，发射的波束可能会偏离指向接收端的实际方向。这种情况下，波束宽度越窄，波束越难实现对准。因此，当预测误差相对大时，可以通过选择更小的子阵尺寸(更宽的波束/更小的分辨率)，容忍一定的误差，提升误差存在时的通信性能。
在步骤606，根据上述激活子阵列尺寸在上述预先设置的码本中选择与上述激活子阵列尺寸对应的子码本。
在步骤608，根据上述第一波束角从上述子码本中选择码字。
在本公开的实施例中，上述第一波束角包括：第一方位角和第一俯仰角。在这种情况下，根据上述第一波束角从上述子码本中选择码字可以包括：从上述子码本中选择码字，其中，所选择码字对应的第二波束角中的方位角与第一方位角的差最小；所选择码字对应的第二波束角中的俯仰角与第一俯仰角的差最小。具体地，可以通过以下表达式确定。
Figure PCTCN2021078995-appb-000026
Figure PCTCN2021078995-appb-000027
其中，(α 0,β 0)表示确定的第一波束角；(α i,β j)表示码字(i,j)对应的量化后的第二波束角。
在确定了码字之后，该码字即为波束赋形向量v(M max,N max,i k,j k,S)。同时，相应的激活子阵S(M max,N max,p c(i k))也同时选出。
可以看出，通过上述方法发端无人机可以实现高效的波束追踪。
与发端无人机不同的是，收端无人机为了服务多个发射无人机，需要选择多个码字，其中每个码字对应一个发端无人机。因此，在多个码字同时选择时需要避免冲突的产生。
图7显示了本公开实施例所述的收端无人机根据第k个发端无人机的运动状态信息 从码本中为第k个发端无人机选择码字的方法流程。如图7所示，该方法可以包括：
在步骤702，接收第k个发端无人机反馈的运动状态信息。
在步骤704，根据上述第k个发端无人机的运动状态信息确定收端无人机到所述第k个发端无人机的第一波束角；
在步骤706，根据上述第一波束角从预先设置的码本中选择码字。
在本公开的实施例中，上述码字主要由接收无人机的天线尺寸和信号到达角(方位角和俯仰角)决定。具体而言，上述步骤702-706的实现方法可以参考上述由发端无人机实现的图5中的步骤502-506以及图6所示的码字选择方法，在此不再赘述。
此外，在本公开的实施例中，由于在收端无人机上述码字将被用于数据合并，因此，上述码字又可称为合并码字。
在步骤708，计算上述为第k个发端无人机选择的码字与为其他发端无人机已选码字之间的冲突矩阵。
在本公开的实施例中，当不同的发射无人机对应的合并码字需要激活同样的天线阵子时，码字(激活子阵)之间将发生冲突。以第k个发端无人机选择的码字和第q个发端无人机选择的码字发生冲突为例，此时，如下计算表达式将被满足：
Figure PCTCN2021078995-appb-000028
Figure PCTCN2021078995-appb-000029
其中，(m s,k,n s,k)代表第k个发端无人机选择的码字对应的激活子阵列尺寸；(m c,k,n c,k)代表第k个发端无人机选择的码字对应的中心阵子的位置；(m s,q,n s,q)代表第q个发端无人机选择的码字对应的激活子阵列尺寸；(m c,q,n c,q)代表第q个发端无人机选择的码字对应的中心阵子的位置。其中，d(n c,k,n c,q)表示两个激活子阵列S k(m s,k,n s,k,p c,k)和S q(m s,q,n s,q,p c,q)的中心阵子之间在xy平面上的距离，可以通过下述计算表达式确定。
Figure PCTCN2021078995-appb-000030
为了标识为各个发端无人机所选择的码字之间是否有冲突，本公开的实施例设置了一个冲突矩阵，该冲突矩阵的维数为发端无人机的个数，其中，该冲突矩阵第k行第q列元素用于记录为第k个发端无人机选择的码字和为第q个发端无人机选择的码字之间是否发生冲突。例如，在为第k个发端无人机选择的码字和为第q个发端无人机选择的码字发生冲突时，上述冲突矩阵的第k行第q列元素可以设置为1，例如令C sa,(k,q)＝1；否则，可以设置为0，例如令C sa,(k,q)＝0。
接着，更新冲突矩阵，如果C sa,(p,q)＝1且C sa,(k,q)＝1，则令C sa,(k,p)＝1。
在步骤710，判断上述冲突矩阵是否为零矩阵。如果是零矩阵，则执行步骤716；否则，执行步骤712。
在步骤712，计算为第k个发端无人机选择的码字的冲突集合，并将第k个发端无人机的编号加入所述冲突集合。
在本公开的实施例中，上述冲突集合即为已选择码字的发端无人机中其所选码字与所述第k个发端无人机选择的码字冲突的发端无人机编号的集合C sa,k＝k∪{q|C sa,(k,q)＝1}。
在步骤714，更新为冲突集合中所包含编号对应发端无人机所选择的码字。
在本公开的实施例中，上述步骤714中，上述码字的更新包括：激活子阵尺寸更新；中心阵子位置更新；以及合并向量更新三个部分。其中，在本公开的实施例中，上述合并向量具体是指收端无人机的波束赋形向量。
其中，激活子阵尺寸更新可以通过下述计算式实现：
Figure PCTCN2021078995-appb-000031
中心阵子位置更新可以通过下述计算式实现：
Figure PCTCN2021078995-appb-000032
合并向量更新可以通过下述计算式实现：
Figure PCTCN2021078995-appb-000033
其中，(m s,q,n s,q)为更新前第q个发端无人机所对应激活子阵尺寸；(M act,q,N act,q)为更新后第q个发端无人机所对应激活子阵尺寸；(m c,q,n c,q)为更新前第q个发端无人机所对应中心阵子的位置；
Figure PCTCN2021078995-appb-000034
为更新后第q个发端无人机所对应中心阵子的位置；|C sa,k|代表上述冲突集合的势；i q代表上述集合中的元素按照由小到大顺序排列后元素q对应的序号。
在步骤716，根据更新的码字对应的激活子阵列尺寸以及更新的码字对应的第二波束角确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及合并向量。
在步骤718，利用确定的合并向量接收信息。
具体地，在本公开的实施例中，在确定了合并向量之后，收端无人机可以利用确定的合并向量进行波束赋形，并接收信息。
可以看出，更新后的码字和激活子阵将不再发生冲突。
通过上述波束追踪方法，发端无人机和收端无人机均可以根据对端无人机的姿态信息从预先设置的码本中选择码字，在根据所选择码字确定波束赋形向量后实现波束追踪。由于上述预先设置的码本同时包含波束模式和子阵列激活模式两重信息，并且适用于定向阵子圆柱共形天线，因此可以实现高效的无人机毫米波波束追踪，达到提升无人机间毫米波通信频谱效率的目的。此外，通过上述波束追踪技术还可以实现全空间的波束覆盖， 在无人机快速移动的情况下进一步提升无人机毫米波通信的频谱效率。
从上述方法可以看出，发端无人机和收端无人机在进行运动状态信息的交换后，可以根据获得的运动状态信息在预先确定的码本中选择码字，确定激活子阵列以及波束赋形向量，从而实现数据传输。在本公开的另一些实施例中，为了进一步提高信道的利用率，发端无人机和收端无人机也可以不在每个数据传输时隙都先进行运动状态信息的交换，而可以先在一个时隙内进行运动状态信息的交换，并根据获取的运动状态信息对对端无人机在接下来至少一个时隙内的运动状态信息进行预测，然后再根据预测得到的运动状态信息从上述预先确定的码本中选择码字，从而节约信道资源，提高信道利用率。下面就对上述方案进行详细说明。
图8显示了本公开实施例所述发端无人机进行波束追踪的方法。如图8所示，发端无人机可以执行如下步骤实现波束追踪。
在步骤802，接收收端无人机反馈的运动状态信息。
在步骤804，根据上述收端无人机的运动状态信息确定发端无人机到上述收端无人机的第一波束角。
在步骤806，根据上述第一波束角从预先设置的码本中选择码字。
在步骤808，根据所选择码字确定激活子阵列以及该激活子阵列对应的波束赋形向量。
在步骤810，利用确定的波束赋形向量进行信息传输。
上述步骤802-810的实现方法可以参考前述步骤502-510，在此不再重复进行描述。
在步骤812，根据上述收端无人机的运动状态信息进行未来T个时隙的收端无人机运动状态信息的预测。
在本公开的实施例中，发端无人机可以通过基于高斯过程的机器学习方法来预测收端无人机的运动状态信息，并通过坐标变化计算相应的第一波束角，也即方位角和俯仰角。
在步骤814，根据预测得到的在未来T个时隙内收端无人机的运动状态信息确定在未来T个时隙内发端无人机到上述收端无人机的第一波束角。
在步骤816，在上述T个时隙的各个时隙内，分别利用上述第一波束角，从上述预先设置的码本中选择码字；根据所选择码字确定激活子阵列以及该激活子阵列对应的波束赋形向量，并利用确定的波束赋形向量进行信息传输。
在本公开的实施例中，上述利用上述预测得到的收端运动状态信息，从上述预先设置的码本中选择码字的方法可以参考图6所示的方法。上述根据所选择码字确定激活子阵列以及该激活子阵列对应的波束赋形向量的方法可以参考上述图5中步骤508的实现方法。上述利用确定的波束赋形向量进行信息传输的方法可以参考上述图5中步骤510的实现方法。
与发端无人机类似，在收端无人机，也可以在上述步骤702之后，进一步根据第k个发端无人机反馈的运动状态信息进行未来T个时隙的第k个发端无人机运动状态信息的预测，然后分别确定当前时隙以及未来T个时隙内收端无人机到第k个发端无人机的第一波束角。此时，在上述T个时隙的各个时隙内，收端无人机将重复执行上述步骤706- 718，实现上述T个时隙的波束追踪。
在本公开的实施例中，基于上述图8所述的波束追踪方法，发端无人机和收端无人机可以使用图9所示的时隙结构来实现波束追踪。
如图9所示，上述时隙结构中包括交换时隙和追踪时隙两种时隙。其中，上述交换时隙包括运动状态信息(MSI)交换、码字选择(也可以称为波束对准)、预测和数据传输四个子时隙。上述追踪时隙可以包括码字选择和数据传输两个子时隙。其中，每两个交换时隙之间是T个追踪时隙，也即无人机每T个时隙进行一次MSI交换和位置姿态预测。
通过上述交换时隙中的MSI交换子时隙，发端无人机可以与收端无人机交换运动状态信息。通过上述交换时隙和追踪时隙中的码字选择子时隙，发端无人机和收端无人机可以根据交换得到的对方的运动状态信息或预测得到的对方的位置和姿态从码本中选择码字。通过上述交换时隙中的预测子时隙，发端无人机和收端无人机可以预测对方的位置和姿态。通过上述交换时隙和追踪时隙中的数据传输可以根据选择码字进行波束赋形并进行数据传输，从而实现波束追踪。
可以看出，通过图9所示的时隙结构，发端无人机或收端无人机可以基于对端无人机的运动状态预测该无人机的位置和姿态，并根据预测的位置和姿态从码本中选择合适的码字从而实现波束追踪。在本公开的实施例中，上述发端无人机和收端无人机均可以是圆形共形天线驱动的无人机。并且，通过图9所示的时隙结构每T+1个时隙才需要进行一次运动状态信息的交换，因而可以大大降低无人机之间交互的运动状态数据量，提高通信效率。
对应上述波束追踪方法，本公开的实施例还提供了实现上述波束追踪方法的波束追踪装置。
图10显示了本公开实施例所述的应用于发端无人机的波束追踪装置的结构。如图10所示，该波束追踪装置可以包括：
运动状态信息交换模块1002，用于接收收端无人机反馈的运动状态信息；
波束角信息确定模块1004，用于根据收端无人机的运动状态信息确定发端无人机到所述收端无人机的第一波束角；
码字选择模块1006，用于根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，所述预先设置的码本包括至少两层的子码本，其中，所述码本对应的最大激活子阵列尺寸根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；所述码本的层数根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层的子码本对应一种激活子阵列尺寸，所述激活子阵列尺寸根据所述最大激活子阵列尺寸确定；且每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；
向量确定模块1008，用于根据所选择码字对应的激活子阵列尺寸、所选择码字对应的第二波束角和激活子阵列位置确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及波束赋形向量；
信息传输模块1010，用于利用确定的波束赋形向量进行信息传输。
图11显示了本公开实施例所述的应用于收端无人机的波束追踪装置的结构。如图11所示，该波束追踪装置可以包括：
第二运动状态信息交换模块1102，用于接收第k个发端无人机反馈的运动状态信息；
第二波束角信息确定模块1104，用于根据第k个发端无人机的运动状态信息确定收端无人机到所述第k个发端无人机的第一波束角；
第二码字选择模块1106，用于根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，所述预先设置的码本包括至少两层的子码本，其中，所述码本对应的最大激活子阵列尺寸根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；所述码本的层数根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层的子码本对应一种激活子阵列尺寸，所述激活子阵列尺寸根据所述最大激活子阵列尺寸确定；且每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；
冲突矩阵确定模块1108，用于计算所述第k个发端无人机选择的码字与其他发端无人机已选码字之间的冲突矩阵；
更新模块1110，用于响应于所述冲突矩阵是非零矩阵，计算第k个发端无人机选择的码字的冲突集合；其中，所述冲突集合包括：已选择码字的发端无人机中其所选码字与所述第k个发端无人机选择的码字冲突的发端无人机编号的集合；并更新冲突集合中所包含编号对应发端无人机所选择的码字；
第二向量确定模块1112，用于根据更新的码字对应的激活子阵列尺寸以及更新的码字对应的第二波束角确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及合并向量；
信息接收模块1114，用于利用确定的合并向量接收信息。
需要说明的是，上述各个模块的具体实现方法可以参考前述波束追踪方法。
通过上述波束追踪装置，发端无人机和收端无人机均可以根据对端无人机的姿态信息从预先设置的码本中选择码字，在根据所选择码字确定波束赋形向量后实现波束追踪。由于上述预先设置的码本同时包含波束模式和子阵列激活模式两重信息，并且适用于定向阵子圆柱共形天线，因此可以实现高效的无人机毫米波波束追踪，达到提升无人机间毫米波通信频谱效率的目的。此外，通过上述波束追踪技术还可以实现全空间的波束覆盖，在无人机快速移动的情况下进一步提升无人机毫米波通信的频谱效率。
本公开一个或多个实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本公开一个或多个实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。
上述对本公开特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本公开一个或多个实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
图12示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1210、存储器1220、通信接口1230和总线1240。其中处理器1210、存储器1220和通信接口1230通过总线1240实现彼此之间在设备内部的通信连接。
处理器1210可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本公开实施例所提供的技术方案。
存储器1220可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本公开实施例所提供的波束追踪方法时，相关的程序代码保存在存储器1220中，并由处理器1210来调用执行。
通信接口1230用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。
总线1240包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1210、存储器1220和通信接口1230)之间传输信息。
需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1210、存储器1220、通信接口1230以及总线1240，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本公开实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
更进一步，对应上述波束追踪方法和装置，本公开的实施例还公开了一种应用于圆柱共形天线的码本生成方法。该方法的实现过程可以如图13所示，主要包括：
在步骤1302，获取圆柱共形天线的参数。
在本公开的实施例中，上述圆柱共形天线的参数可以包括：圆柱共形天线的尺寸M×N、阵子间距离间隔
Figure PCTCN2021078995-appb-000035
角度间隔
Figure PCTCN2021078995-appb-000036
以及定向辐射宽度Δα和Δβ。
在步骤1304，根据上述圆柱共形天线的参数，确定码本所对应的最大激活子阵列尺寸。
在本公开的实施例中，假设上述码本所对应的最大激活子阵列尺寸为M max×N max，则在本公开的实施例中，可以令M max＝M，即令z轴上的最大分辨率M max等于z轴上的天线阵子数；并利用如下计算式确定xy平面(圆周)上的最大分辨率N max：
N max＝|n 2-n 1|
Figure PCTCN2021078995-appb-000037
Figure PCTCN2021078995-appb-000038
其中，
Figure PCTCN2021078995-appb-000039
代表圆柱共形天线在xy平面(圆周)平面上天线阵子的角度间隔；l表示任意整数；Δα表示定向天线阵子在方位面上的辐射宽度；α 0表示给定的方位角。
在步骤1036，根据上述码本所对应的最大激活子阵列尺寸，确定上述码本的层数以及每一层子码本对应的激活子阵列尺寸。
在本公开的实施例中，上述层数通常大于2。上述每一层子码本对应的激活子阵列尺寸不相等且均小于或等于上述最大激活子阵列尺寸。具体的层数以及每一层子码本对应的激活子阵列尺寸可以预先定义好设置规则或者根据圆柱共形天线以及应用环境的实际情况进行灵活设置。例如，当预测误差存在时，可以设置更多的层数以及更小的激活子阵列尺寸来实现更高的精度。
在步骤1038，针对每一层子码本，根据对应的激活子阵列尺寸以及上述圆柱共形天线的参数，生成该层子码本所包含的码字，其中，每个码字对应一个波束角。
在本公开的实施例中，假设对于上述码本上的第t层子码本，该层子码本对应的激活子阵列的尺寸为M t×N t。
则在上述步骤1038中，可以首先根据该层子码本对应的激活子阵列的尺寸为M t×N t以及上述圆柱共形天线的参数确定该层子码本的分辨率，也即该层子码本的每一个码字对应波束在方位面上的波束宽度BW a和在俯仰面上的波束宽度BW e。然后，根据所述子码本中每一个码字对应波束在方位面上的波束宽度和在俯仰面上的波束宽度确定所述子码本中的每个码字量化后的方位角和俯仰角。接下来，根据所述子码本对应的激活子阵列的尺寸、每个码字量化后的方位角以及所述圆柱共形天线的参数确定所述子码本对应的激活子阵列中心阵子的位置。最后，再根据所述子码本对应的激活子阵列的尺寸、所述子码本中的每个码字对应的激活子阵列中心阵子的位置以及所述子码本中的每个码字量化后的方位角和俯仰角生成所述子码本中的每个码字。
具体地，在本公开的实施例中，上述子码本中一个码字对应波束在方位面和俯仰面上的波束宽度BW a和BW e可以通过如下表达式确定：
BW a＝min{BW a,array,BW a,element}
BW e＝min{BW e,array,BW e,element}
其中，
Figure PCTCN2021078995-appb-000040
l∈Z；BW e,element＝Δβ；
Figure PCTCN2021078995-appb-000041
代表圆柱共形天线在xy平面上天线阵子的角度间隔；l表示任意整数；Δα表示天线阵子在方位面上的辐射宽度；Δβ表示天线阵子在俯仰面上的辐射宽度；M t×N t为所述子码本对应的激活子阵列的尺寸。
在本公开的实施例中，上述子码本第i行的码字对应的量化后的方位角α i可以通过如下表达式确定：
Figure PCTCN2021078995-appb-000042
而上述子码本第j列的码字对应的量化后的俯仰角β j通过如下表达式确定：
Figure PCTCN2021078995-appb-000043
在本公开的实施例中，上述每个码字对应的激活子阵列中心阵子的位置可以通过如下表达式确定：
Figure PCTCN2021078995-appb-000044
Figure PCTCN2021078995-appb-000045
其中，α代表给定的方位角。
在本公开的实施例中，可以根据如下表达式生成每一个码字：
Figure PCTCN2021078995-appb-000046
其中，
Figure PCTCN2021078995-appb-000047
为指示函数，表示为如下表达式：
Figure PCTCN2021078995-appb-000048
A(α i,β j)为方位角为α i俯仰角为β j时的导向向量，具体表达式可以参考前文。
S(M t,N t,p c(i))为用于确定激活子阵列，p c(i)＝(m c,n c)表示激活子阵列的中心阵子位置。
图14显示了本公开一个或多个实施例所提供的码本生成装置的内部结构示意图。如图14所示，该码本生成装置可以包括：
参数获取模块1402，用于获取圆柱共形天线的参数；
最大激活子阵列确定模块1404，用于根据所述圆柱共形天线的参数，确定所述码本对应的最大激活子阵列尺寸；
码本参数确定模块1406，用于根据所述码本所对应的最大激活子阵列尺寸，确定所述码本所包含子码本的层数以及每一层子码本对应的激活子阵列尺寸；以及
码字生成模块1408，用于针对每一层子码本，根据对应的激活子阵列尺寸以及所述圆柱共形天线的参数，生成所述子码本所包含的码字。
其中，上述圆柱共形天线的参数可以包括：圆柱共形天线的尺寸、天线阵子间距离间隔、角度间隔以及天线阵子定向辐射宽度。
上述最大激活子阵列确定模块1404、码本参数确定模块1406以及码字生成模块1408的具体实现方法可以参考前述码本生成方法，在此不再赘述。
而且，本领域的技术人员可以理解，上述码本生成装置也可以采用图12所示的硬件结构实现。应用中，可以由存储器存储上述各个模块对应的计算机指令，并由处理器执行上述计算机指令以实现上述码本生成方法。
通过上述码本生成方法和码本生成装置所生成的码本是一个分层码本，同时包含波 束模式(方位角和俯仰角)以及激活子阵(激活子阵列尺寸)信息，能够实现不同分辨率(波束宽度)的全空间覆盖，为快速获得圆柱共形天线的波束赋形向量和激活子阵提供了基础，适用于在三维空间高速移动的圆柱共形天线无人机网络毫米波的波束追踪。
本公开的实施例还提供了非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述波束追踪以及码本生成方法。本实施例的非暂态计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开一个或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本公开的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (21)

  1. 一种波束追踪方法，包括：
    接收收端无人机反馈的运动状态信息；
    根据所述收端无人机的运动状态信息确定发端无人机到所述收端无人机的第一波束角；
    根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，所述预先设置的码本包括至少两层子码本，其中，所述码本对应的最大激活子阵列尺寸根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；所述码本的层数根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层子码本对应一个激活子阵列尺寸，所述激活子阵列尺寸根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；
    根据所述码字所在子码本对应的激活子阵列尺寸、所述码字对应的第二波束角和激活子阵列位置确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及波束赋形向量；以及
    利用确定的波束赋形向量进行信息传输。
  2. 根据权利要求1所述的方法，所述根据所述收端无人机的运动状态信息确定发端无人机到所述收端无人机的第一波束角包括：
    在当前时隙内，根据接收的收端无人机的运动状态信息确定在当前时隙内发端无人机到所述收端无人机的波束角；
    根据接收的运动状态信息对未来T个时隙内收端无人机的运动状态信息进行预测；以及
    在未来T个时隙内，根据通过预测得到的对应时隙内收端无人机的运动状态信息确定在对应时隙内发端无人机到所述收端无人机的第一波束角。
  3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述收端无人机的运动状态信息包括：收端无人机的位置信息和姿态信息；其中，
    根据收端无人机的运动状态信息确定在对应时隙内发端无人机到所述收端无人机的波束角包括：通过收端无人机的位置信息和姿态信息，利用发端无人机和收端无人机之间的几何关系，确定发端无人机到所述收端无人机的波束角；其中所述波束角包括：方位角和俯仰角。
  4. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字包括：
    根据发端无人机天线阵列的尺寸以及所述第一波束角确定激活子阵列尺寸，其中，所述激活子阵列尺寸为所述发端无人机阵列尺寸和所述第一波束角计算所得的最大分辨率；
    根据所述激活子阵列尺寸在所述码本中选择与所述激活子阵列尺寸对应的子码本；以及
    根据所述第一波束角从所述子码本中选择码字。
  5. 根据权利要求4所述的方法，其中，根据如下表达式确定所述最大分辨率M max×N max，其中，z轴上的最大分辨率为M max；xy平面(圆周)上的最大分辨率为N max：
    M max＝M
    N max＝|n 2-n 1|
    Figure PCTCN2021078995-appb-100001
    Figure PCTCN2021078995-appb-100002
    其中，M为圆柱共形天线在z轴上的天线阵子数；N为圆柱共形天线在xy平面(圆周)上的天线阵子数；(α 0,β 0)表示所述波束角，其中，α 0代表确定的方位角；β 0代表确定的俯仰角；
    Figure PCTCN2021078995-appb-100003
    代表圆柱共形天线在xy平面(圆周)平面上天线阵子的角度间隔；l表示任意整数；Δα表示定向天线阵子在方位面上的辐射宽度。
  6. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一波束角包括：第一方位角和第一俯仰角；其中，
    根据所述第一波束角从所述子码本中选择码字包括：
    从所述子码本中选择码字，其中，所述码字对应的波束角中的方位角与所述第一方位角的差最小；所述码字对应的波束角中的俯仰角与所述第一俯仰角的差最小。
  7. 根据权利要求4所述的方法，其中，根据所述码字所属子码本对应的激活子阵列尺寸、所述码字对应的第二波束角以及激活子阵列位置确定激活子阵列以及波束赋形向量包括：
    根据发端无人机天线阵列的尺寸以及所述第二波束角确定中心阵子位置；
    根据所述激活子阵列尺寸以及中心阵子的位置确定所述激活子阵列；
    根据所述码字对应的第二波束角确定导向向量；以及
    根据所述激活子阵列以及所述导向向量确定所述波束赋形向量。
  8. 一种波束追踪方法，包括：
    接收第k个发端无人机反馈的运动状态信息；
    根据所述第k个发端无人机的运动状态信息确定收端无人机到所述第k个发端无人机的第一波束角；
    根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，所述预先设置的码本包括至少两层子码本，其中，所述码本对应的最大激活子阵列尺寸根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；所述码本的层数根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层子码本对应一种激活子阵列尺寸，所述激活子阵列尺寸根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；
    计算所述第k个发端无人机选择的码字与其他发端无人机已选码字之间的冲突矩阵；
    响应于所述冲突矩阵是非零矩阵，计算第k个发端无人机选择的码字的冲突集合；其中，所述冲突集合包括：已选择码字的发端无人机中其所选码字与所述第k个发端无人机 选择的码字冲突的发端无人机编号的集合；并在将第k个发端无人机的编号加入所述冲突集合后，更新冲突集合中所包含编号对应发端无人机所选择的码字；
    根据更新的码字对应的激活子阵列尺寸以及更新的码字对应的第二波束角确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及合并向量；以及
    利用确定的合并向量接收信息。
  9. 根据权利要求8所述的方法，所述根据所述第k个发端无人机的运动状态信息确定所述第k个发端无人机到收端无人机的第一波束角包括：
    在当前时隙内，根据接收的第k个发端无人机的运动状态信息确定所述第k个发端无人机到所述收端无人机的波束角；
    根据接收的运动状态信息对未来T个时隙内第k个发端无人机的运动状态信息进行预测；以及
    在未来T个时隙内，根据通过预测得到的对应时隙内第k个发端无人机的运动状态信息确定所述第k个发端无人机到所述收端无人机的第一波束角。
  10. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述更新冲突集合中所包含编号对应发端无人机所选择的码字包括：
    通过下述计算式更新激活子阵尺寸：
    Figure PCTCN2021078995-appb-100004
    其中，|C sa,k|代表上述冲突集合的势；
    通过下述计算式更新中心阵子位置：
    Figure PCTCN2021078995-appb-100005
    其中，i q代表上述集合中的元素按由小到大顺序排列后元素q对应的序号；
    通过下述计算式更新合并向量：
    Figure PCTCN2021078995-appb-100006
  11. 一种应用于圆柱共形天线的码本生成方法，该方法包括：
    获取圆柱共形天线的参数；
    根据所述圆柱共形天线的参数，确定所述码本对应的最大激活子阵列尺寸；
    根据所述码本所对应的最大激活子阵列尺寸，确定所述码本所包含子码本的层数以及每一层子码本对应的激活子阵列尺寸；以及
    针对每一层子码本，根据对应的激活子阵列尺寸以及所述圆柱共形天线的参数，生成所述子码本所包含的码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置。
  12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述圆柱共形天线的参数包括：圆柱共形 天线的尺寸、天线阵子间角度间隔以及天线阵子定向辐射宽度；其中，
    确定所述码本对应的最大激活子阵列尺寸为M max×N max，其中，M max等于所述圆柱共形天线在z轴上的天线阵子数；N max根据如下表达式确定：
    N max＝|n 2-n 1|
    Figure PCTCN2021078995-appb-100007
    Figure PCTCN2021078995-appb-100008
    其中，
    Figure PCTCN2021078995-appb-100009
    代表圆柱共形天线在xy平面上天线阵子的角度间隔；l表示任意整数；Δα表示天线阵子在方位面上的辐射宽度；N为所述圆柱共形天线在xy平面上一组天线阵子的数量；α 0表示给定的方位角。
  13. 根据权利要求11所述的方法，其中，根据对应的激活子阵列尺寸以及所述圆柱共形天线的参数，生成所述子码本所包含的码字包括：
    根据所述子码本对应的激活子阵列的尺寸以及所述圆柱共形天线的参数确定所述子码本中每一个码字对应波束在方位面上的波束宽度和在俯仰面上的波束宽度；
    根据所述子码本中每一个码字对应波束在方位面上的波束宽度和在俯仰面上的波束宽度确定所述子码本中的每个码字量化后的方位角和俯仰角；
    根据所述子码本对应的激活子阵列的尺寸、量化后的方位角以及所述圆柱共形天线的参数确定所述子码本的每个码字对应的激活子阵列中心阵子的位置；以及
    根据所述子码本对应的激活子阵列的尺寸、所述子码本中的每个码字对应的激活子阵列中心阵子的位置以及所述子码本中的每个码字量化后的方位角和俯仰角生成所述子码本中的每个码字。
  14. 根据权利要求13所述的方法，其中，
    所述子码本中一个码字对应波束在方位面和俯仰面上的波束宽度BW a和BW e是通过如下表达式确定：
    BW a＝min{BW a,array,BW a,element}
    BW e＝min{BW e,array,BW e,element}
    其中，
    Figure PCTCN2021078995-appb-100010
    BW e,element＝Δβ；
    Figure PCTCN2021078995-appb-100011
    代表圆柱共形天线在xy平面上天线阵子的角度间隔；l表示任意整数；Δα表示天线阵子在方位面上的辐射宽度；Δβ表示天线阵子在俯仰面上的辐射宽度；M t×N t为所述子码本对应的激活子阵列的尺寸；
    所述子码本第i行的码字对应的量化后的方位角α i通过如下表达式确定：
    Figure PCTCN2021078995-appb-100012
    所述子码本第j列的码字对应的量化后的俯仰角β j通过如下表达式确定：
    Figure PCTCN2021078995-appb-100013
    所述每个码字对应的激活子阵列中心阵子的位置通过如下表达式确定：
    Figure PCTCN2021078995-appb-100014
    Figure PCTCN2021078995-appb-100015
    其中，α代表给定的方位角；
    所述根据所述子码本对应的激活子阵列的尺寸、所述子码本的每个码字对应的激活子阵列中心阵子的位置以及所述子码本中的每个码字量化后的方位角和俯仰角生成所述子码本中的每个码字包括：根据如下表达式生成所述码字：
    Figure PCTCN2021078995-appb-100016
    其中，
    Figure PCTCN2021078995-appb-100017
    为指示函数，表示为如下表达式：
    Figure PCTCN2021078995-appb-100018
    A(α i,β j)为方位角为α i俯仰角为β j时的导向向量；
    S(M t,N t,p c(i))为用于确定激活子阵列，p c(i)＝(m c,n c)表示激活子阵列的中心阵子位置。
  15. 一种波束追踪装置，包括：
    运动状态信息交换模块，用于接收收端无人机反馈的运动状态信息；
    波束角信息确定模块，用于根据收端无人机的运动状态信息确定发端无人机到所述收端无人机的第一波束角；
    码字选择模块，用于根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，所述预先设置的码本包括至少两层的子码本，其中，所述码本对应的最大激活子阵列尺寸根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；所述码本的层数根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层的子码本对应一种激活子阵列尺寸，所述激活子阵列尺寸根据所述最大激活子阵列尺寸确定；且每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；
    向量确定模块，用于根据所选择码字对应的激活子阵列尺寸、所选择码字对应的第二波束角和激活子阵列位置确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及波束赋形向量；以及
    信息传输模块，用于利用确定的波束赋形向量进行信息传输。
  16. 一种波束追踪装置，包括：
    第二运动状态信息交换模块，用于接收第k个发端无人机反馈的运动状态信息；
    第二波束角信息确定模块，用于根据第k个发端无人机的运动状态信息确定第k个发端无人机到收端无人机的第一波束角；
    第二码字选择模块，用于根据所述第一波束角从预先设置的码本中选择码字；其中，所述预先设置的码本包括至少两层的子码本，其中，所述码本对应的最大激活子阵列尺寸 根据自身定向阵子圆柱共形天线参数确定；所述码本的层数根据所述最大激活子阵列尺寸确定；每一层的子码本对应一种激活子阵列尺寸，所述激活子阵列尺寸根据所述最大激活子阵列尺寸确定；且每一层子码本包括至少两个码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置；
    冲突矩阵确定模块，用于计算所述第k个发端无人机选择的码字与其他发端无人机已选码字之间的冲突矩阵；
    更新模块，用于响应于所述冲突矩阵是非零矩阵，计算第k个发端无人机选择的码字的冲突集合；其中，所述冲突集合包括：已选择码字的发端无人机中其所选码字与所述第k个发端无人机选择的码字冲突的发端无人机编号的集合；并更新冲突集合中所包含编号对应发端无人机所选择的码字；
    第二向量确定模块，用于根据更新的码字对应的激活子阵列尺寸以及更新的码字对应的第二波束角确定自身定向阵子圆柱共形天线的激活子阵列以及合并向量；以及
    信息接收模块，用于利用确定的合并向量接收信息。
  17. 一种码本的生成装置，包括：
    参数获取模块，用于获取圆柱共形天线的参数；
    最大激活子阵列确定模块，用于根据所述圆柱共形天线的参数，确定所述码本对应的最大激活子阵列尺寸；
    码本参数确定模块，用于根据所述码本所对应的最大激活子阵列尺寸，确定所述码本所包含子码本的层数以及每一层子码本对应的激活子阵列尺寸；以及
    码字生成模块，用于针对每一层子码本，根据对应的激活子阵列尺寸以及所述圆柱共形天线的参数，生成所述子码本所包含的码字，其中，每个码字对应一个波束角和一个激活子阵列位置。
  18. 一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至10中任一项所述的波束追踪方法。
  19. 一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求11至14中任一项所述的码本生成方法。
  20. 一种非暂态计算机可读存储介质，其中，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1至10中任一项所述的波束追踪方法。
  21. 一种非暂态计算机可读存储介质，其中，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求11至14中任一项所述的码本生成方法。
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