一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户波束跟踪方法技术

本发明专利技术给出了一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户波束跟踪方法，包括如下步骤：构建毫米波多用户下行通信信号接收模型和毫米波通信下行信道模型；构建波束跟踪的优化问题模型；利用基于辅助波束的波束跟踪方法对构建的优化问题进行求解，得出信道出发角的估计值。本发明专利技术提供两种求解方法，一种是通过发射左右探测波束，并复用通信波束、构建小维度稀疏模型提高角度判决准确率，在实现高精度波束跟踪的同时，扩大了波束跟踪范围，解决了现有算法中波束跟踪范围较小的问题；另一种是通过发射差分波束作为辅助波束并引入和差比率估计信道出发角，与现有算法相比，能够以更低的跟踪开销获得更大的波束跟踪范围并提供高精度的波束跟踪结果。度的波束跟踪结果。度的波束跟踪结果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户波束跟踪方法


[0001]本专利技术涉及一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户波束跟踪方法，属于毫米波无线通信


技术介绍

[0002]毫米波通信由于其丰富的优质频谱资源，能够为无线网络提供高速的数据传输速率，是5G和sub
‑
6G的关键技术之一。20GHz频段以上的毫米波段即可提供1
‑
2GHz的信道带宽以及高达20Gb/s的数据传输速率，但毫米波段固有的高路径衰落、障碍物周围的低衍射能力会对系统通信性能产生一定的影响。而波束成形技术能够提供高增益的通信波束从而对毫米波路径衰落进行补偿，为克服毫米波路径损耗问题提供了一种解决思路。
[0003]为实现精准的波束成形，通过信道估计获取精确的信道状态信息(Channel State Information，CSI)是必要的，但是在现阶段大规模多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)天线阵列技术的应用场景下，包含CSI的信道矩阵规模将会变得极为庞大，此时传统的信道估计方案将会带来不可接受的估计开销，而通过波束训练降低估计开销获取CSI的方法被广泛采用。所谓的波束训练即为用户端寻找最匹配用户与基站间信道的收发波束组合，即通过调整基站端以及用户端的收发波束序列，使得用户的接受信号功率最大，从而避免估计完整的信道矩阵所造成的巨量估计开销。
[0004]然而针对移动通信场景下的CSI获取，若继续采用波束训练的方式，仍会产生较大的训练开销，这是由于目标用户处在移动状态，基站端需要不断实时获取CSI并根据实时CSI选取指向用户的最佳波束，因此基站端需要频繁地执行波束训练程序，从而导致高昂的训练开销。因此为了降低移动通信场景下的信道估计开销，实际的毫米波大规模MIMO系统需要一种有效的波束跟踪方案，即对用户移动后的最佳收发波束序列进行跟踪获取。
[0005]文献[1]在毫米波大规模MIMO通信架构下，提出了一种利用辅助波束进行信道估计的估计算法，相比于传统的网格式波束扫描方法，该算法能够提供高精度的信道到达角(Angel of Arrival，AoA)和信道出发角(Angle of Departure，AoD)估计。文献[2]在文献[1]的基础上，在毫米波宽带移动通信场景下提出了一种辅助波束支持的波束跟踪方案，该算法不依赖于所建立的角度变化模型并且能够提供高精度的角度跟踪结果，但由于辅助波束算法的固有限制，该算法的跟踪范围固定，无法对高速运动物体进行有效的波束跟踪。
[0006][1]Zhu D，Choi J，Heath R W.Auxiliary Beam Pair Enabled AoD and AoA Estimation in Closed
‑
loop Large
‑
scale mmWave MIMO Systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2017，16(7)：4770
‑
4785.
[0007][2]Zhu D，Choi J，Qian C，et al.High
‑
Resolution Angle Tracking for Mobile Wideband Millimeter
‑
Wave Systems with Antenna Array Calibration[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2018，17(11)：7173
‑
7189.

技术实现思路

[0008]技术问题：针对毫米波移动通信场景下的多用户波束跟踪，为降低波束跟踪开销并获取高精度的信道AoD估计，本专利技术给出了一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户跟踪方法，通过复用通信波束并构建小维度稀疏模型提高角度判决准确率，相比于文献[2]中的方法能够获得更大的波束跟踪范围，同时没有较大的性能损失。同时本专利技术公开了当辅助波束为差分波束时的波束跟踪方法，相比于文献[2]中的方法，能够以更低的开销获得更大的波束跟踪范围，同时跟踪性能相近。
[0009]技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户波束跟踪方法，该方法包含如下步骤：
[0010](1)构建毫米波多用户下行通信信号接收模型和毫米波通信下行信道模型；
[0011](2)构建波束跟踪的优化问题模型；
[0012](3)利用基于辅助波束的波束跟踪方法对(2)中构建的优化问题进行求解，获得信道AoD的估计值；包括两种求解方法，第一种是基站发射左右探测波束，并复用通信波束，用户通过构建小维度稀疏模型进行求解；第二种是通过基站发射差分波束作为辅助波束进行求解；采用第一种方法或者第二种方法求解所述优化问题。
[0013]进一步的，考虑一个基站服务K个用户的下行通信场景，基站与用户端均采用均匀直线天线阵列且相邻两个天线间距为半波长宽度；用户端采用模拟波束成形架构，每个用户通过1个射频链路与N
r
根接收天线连接；基站端共配有N
t
根发射天线，并采用全连接的混合波束成形架构，通过N
RF
个射频链路与这N
t
根天线连接，并满足N
t
＞＞N
RF
≥K，步骤(1)中构建毫米波多用户通信下行信号接收模型和毫米波通信下行信道模型的方法如下：
[0014]步骤(1.1)，毫米波多用户通信下行信号接收模型建立为
[0015][0016]其中y
k
表示第k个用户的接收信号；和分别表示基站端的模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵；表示第k个用户用于接收基站信号的模拟波束成形向量；表示基站与第k个用户间的毫米波下行MIMO信道；表示传输信号向量，满足P为基站的总发射功率；表示第k个用户接收到的零均值加性复高斯白噪声向量且满足(
·
)
H
表示共轭转置运算。
[0017]步骤(1.2)，假设基站端与第k个用户设备间具有L
k
条路径，采用如下信道模型对毫米波通信下行信道进行建模：
[0018][0019]其中α
l，k
表示第l条路径的信道增益，θ
l，k
∈[
‑
1，1]为第l条路径的信道AoD，v
l，k
∈[
‑
1，1]表示第l条路径的信道AoA；a(N
t
，θ)表示阵列导向矢量，具体表达式为
[0020][0021]上式中(
·
)
T
表示转置运算。
[0022]进一步的，步骤(2)中建立波束跟踪的优化问题模型的方法如下：
[0023]步骤(2.1)，定义f本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户波束跟踪方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)构建毫米波多用户下行通信信号接收模型和毫米波通信下行信道模型；(2)构建波束跟踪的优化问题模型；(3)利用基于辅助波束的波束跟踪方法对所述优化问题进行求解，获得信道出发角AoD的估计值；具体的，包括两种求解方法，第一种是基站发射左右探测波束，并复用通信波束，用户通过构建小维度稀疏模型进行求解；第二种是通过基站发射差分波束作为辅助波束进行求解。2.根据权利要求1所述的一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户跟踪方法，其特征在于，步骤(1)的子步骤如下：(1.1)考虑一个基站服务K个用户的下行通信场景，基站与用户端均采用均匀直线天线阵列且相邻两个天线间距为半波长宽度；用户端采用模拟波束成形架构，每个用户通过1个射频链路与N
r
根接收天线连接；基站端共配有N
t
根发射天线，并采用全连接的混合波束成形架构，通过N
RF
个射频链路与这N
t
根天线连接，并满足N
t
＞＞N
RF
≥K，则毫米波通信多用户下行信号接收模型建立为其中y
k
表示第k个用户的接收信号；和分别表示基站端的模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵；表示第k个用户用于接收基站信号的模拟波束成形向量；表示基站与第k个用户间的毫米波下行MIMO信道；表示传输信号向量，满足P为基站的总发射功率；表示第k个用户接收到的零均值加性复高斯白噪声向量；(
·
)
H
表示共轭转置运算；(1.2)假设基站与第k个用户设备间具有L
k
条路径，采用如下信道模型对毫米波通信下行信道进行建模：其中α
l,k
表示第l条路径的信道增益，θ
l,k
∈[
‑
1,1]为第l条路径的信道AoD，v
l,k
∈[
‑
1,1]表示第l条路径的信道到达角；a(N
t
,θ)表示阵列导向矢量，具体表达式为上式中(
·
)
T
表示转置运算。3.根据权利要求2所述的一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户波束跟踪方法，其特征在于，步骤(2)的子步骤如下：(2.1)考虑基站端信道AoD的波束跟踪，对多个用户采用时分多址的方式分别进行波束跟踪，定义f
k
＝F
RF
[F
BB
]
:,k
表示基站指向第k个用户的混合波束成形向量，其中[F
BB
]
:,k
表示F
BB
的第k列，则基站对第k个用户的波束跟踪是设计最匹配于H
k
的f
k
和w
k
，建立优化问题如
下：下：其中||
·
||2表示向量的l2范数。4.根据权利要求3所述的一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户波束跟踪方法，其特征在于，采用所述第一种方法对步骤(2)中构建的优化问题进行求解的子步骤如下：(3.1.1)定义t时刻基站发射的通信波束指向为η，定义t+1时刻的用户的信道AoD为θ，定义一个辅助波束对是分别指向η
‑
δ和η+δ的两个波束，这两个波束分别表示为δ和η+δ的两个波束，这两个波束分别表示为其中参数为估计θ，基站先发射辅助波束a(N
t
,η
‑
δ)，用户采用导向矢量a(N
r
,v)作为接收波束，若信道视距径远强于非视距径，则接收信号表示为其中α、v和θ分别表示信道视距径的路径增益、信道到达角和信道AoD；L表示基站与用户间的路径数目；x为基站给用户发送的导频符号，满足的功率约束，则接收信号的功率表示为经过噪声平均，x
Δ
简化表示为基站发射辅助波束a(N
t
,η+δ)，用户采用波束a(N
r
,v)作为接收波束时，若信道视距径远强于...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚晨皓，董颖，谢金通，陈康建，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：