基于智能反射面的二维波束搜索方法技术

本发明专利技术属于6G通信技术领域，具体为基于智能反射面的二维波束搜索方法。设一维智能反射面上的分层码本采用x

【技术实现步骤摘要】
基于智能反射面的二维波束搜索方法


[0001]本专利技术属于6G通信
，具体涉及基于智能反射面的二维波束搜索方法。

技术介绍

[0002]随着毫米波和太赫兹的提出，阵列的规模变得越来越大。这主要由于两方面原因：一方面由于高频段信号衰减严重，需要增大阵列规模来提供足够的波束赋形增益；另一方面由于毫米波波长短，因此在同样的空间范围内，能集成更多的天线。尤其在智能反射面提出以来，天线阵列的成本越来越低，这使得天线阵列的规模越来越大。智能反射面是6G中提出的一种新型被动阵列设备。由于其没有射频链路，其制作成本较低；又由于智能反射面多用于毫米波频段，而毫米波频段因为波长较短，天线的尺寸也较小，可以在有限的范围内集成更多的天线。由于智能反射面没有射频链路，相比中继等设备在相同的阵列大小下可以提供的增益更小，此往往需要更大规模的阵列去提供充足的反射功率。综上所述，由于成本较低和应用需要，智能反射面的阵列尺寸一般都非常大，即智能反射面上的天线个数往往非常多。然而，超大规模阵列会形成波束宽度非常窄的铅笔波。铅笔波具有波束赋性增益大，但是方向覆盖范围小的特点。而较小的覆盖范围导致在波束对准过程中需要耗费较大的时延去搜索准确的波束。在实际应用当中，我们既希望保留铅笔波增益大的优点，又希望规避搜索时间长的缺陷。同时，由于智能反射面服务的是级联信道，而不是像传统阵列那样服务的是单跳信道。因此智能反射面上的波束搜索工作既要兼顾入射信道方向，也要兼顾反射信道方向，这同样给波束搜索工作带来一定的困扰。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于智能反射面的二维波束搜索方法，以解决智能反射面两个方向空间联合波束搜索的问题。
[0004]本专利技术提供的基于智能反射面的二维波束搜索方法，根据智能反射面上的分层码本，包括两种：JS波束搜索方法，DWS波束搜索方法；假设Ξ为一维智能反射面(ULA)上的分层码本，该码本采用x
‑
叉树的结构，其中x可以是任意大于2的整数，该码本有S层，s为层的标号，即：s＝1,2,
…
,S；第s层码本记为Ξ
s
，其中的码字为：
[0005](一)JS波束搜索方法(简称JS方案)；具体是，将两个方向空间上的分层码本整合成一个新的二维分层码本；当两个方向空间各自使用的是x
‑
叉树形式的分层码本时，JS方案合成的是x2‑
叉树形式的码本；具体来说，JS方法是将每一层的两个方向空间上的码字都分成两两组合，形成一个二维阵列上的码本，然后应用这个码本进行搜索。
[0006](二)DWS波束搜索方法(简称DWS方案)；具体是，先在一个方向上采用全向波束，然后用这个全向波束和另一个方向上的码字分别组成新的码本，利用这个新的码本搜索其中一个方向空间，待这个方向空间搜索完毕后，再使用这个方向空间最终选定的波束与第二个方向空间的码本形成新的二维码本，应用这个新的二维码本进行第二个方向空间上的波束搜索工作；在这个过程中，二维分层码本的分叉数和原先一维码本的分叉数是一致的，即
原先是x
‑
分叉的一维分层码本，则使用DWS方案合成的二维分层码本也是x
‑
分叉的。
[0007]下面以x＝2为例，进行介绍，相关结论可以轻易推导至x为其他整数的情况。
[0008](一)JS波束搜索方法，参见图2所示；具体流程如下：
[0009](1)根据智能反射面的阵元个数，确定所使用的一维分层码本的层数S；若智能反射面有M
×
N个反射单元，即智能反射面是一个有M行N列的方阵，则其中，min(
·
)是取两个数中较小的数，代表下取整；
[0010](2)利用一维码字形成二维码字；将第一层(即s＝1)的二维码字分别记为：他们分别可以通过如下方式获得：
[0011][0012]其中，为克罗内克积；
[0013]其他层的二维码字同理可得，由此得到四叉树形式的二维码本；
[0014](3)利用上述形成的二维码本进行波束搜索；具体搜索过程为：先使用第一层的四个码字分别配置智能反射面，即智能反射面的配置矩阵分别为：
[0015][0016]其中，diag(
·
)表示把向量放到对角矩阵的对角线上；然后根据接收信号的功率选择其中最优的码字；然后进入下一层码本的搜索，在下一层搜索时仅需要搜索上一层最优码字的子码字；直到最后一层码本中的码字搜索完毕。
[0017](二)DWS波束搜索方法，参见图2所示；具体的流程如下：
[0018](1)确定先搜索的方向空间，若M≤N,则先在智能反射面每一列对应的仰角方向空间进行搜索；
[0019](2)制作另一方向空间上的全向码字：其中n＝1,2,
…
,N；
[0020](3)利用该全向码字与第一个搜索方向上的一维分层码本组成二维分层码本；例如以此类推，原先的每一个码字与ξ0结合形成新的二维码字；此时新的二维分层码本仍然是二叉树的形式；
[0021](4)使用该二维分层码本进行波束搜索，直到选出至此第一个方向空间上的搜索完成；
[0022](5)使用与第二个方向空间上的分层码本结合，形成新的二维分层码本；例如：
[0023](6)利用新的二维分层码本，完成第二个方向空间上的波束搜索，直到最优码字被选出。
[0024]进一步说明如下：
[0025]JS方案中，由于两个方向空间是同步搜索，所以搜索的中间波束在两个方向空间上的宽度是一样的，这样的结果可以用于通信传输；因此JS方案可以在未完成全部搜索时中断搜索过程，直接采用中间结果的波束进行通信；这样的性质使得波束搜索方案设计更加灵活。
[0026]DWS方案中，由于是先完成一个方向上的搜索，再完成第二个方向的搜索，因此中间结果的波束在两个方向上的宽度并不一致，如果采用中间结果的波束进行通信，则会给其他用户带来较大的干扰。
[0027]JS方案，只能实现某个整数的平方的分叉数结构的分层码本，例如4叉树、9叉树；因此在设计二维分层码本的分叉数时不够灵活；而DWS方案得到的二维分层码本的分叉数和一维的是一致的，因此在设计码本结构上具有更大的灵活性。
[0028]JS方案，一般应用于方阵情况下的智能反射面；而DWS码本无此限制。
[0029]JS方案和DWS方案，并不是非此即彼的关系，两者可以结合形成混合方案；可以先使用一种方案，中途切换第二种方案完成后续搜索。
[0030]本专利技术的有益成果：
[0031](1)本专利技术直接采用两个一维的分层码本合成二维分层码本，而没有另外使用方位角去描述二维方向；因此设计结构清晰，使用时更加简便；
[0032](2)本专利技术提出的两种方案可以针对不同的应用场景进行选择或者自由组合，增大了波束训练方案的设计自由度；
[0033](3)本专利技术中的搜索方案并不依赖于智能反射面的阵元个数；在不知本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于智能反射面的二维波束搜索方法，其特征在于，根据智能反射面上的分层码本，包括两种：JS波束搜索方法，DWS波束搜索方法；假设Ξ为一维智能反射面(ULA)上的分层码本，该码本采用x
‑
叉树的结构，其中x是任意大于2的整数，该码本有S层，s为层的标号，即：s＝1,2,
…
,S；第s层码本记为Ξ
s
，其中的码字为：具体地：(一)JS波束搜索方法，简称JS方案；对于分层码本的分叉数结构为整数平方的情形：将两个方向空间上的分层码本整合成一个新的二维分层码本；当两个方向空间各自使用的是x
‑
叉树形式的分层码本时，JS方案合成的是x2‑
叉树形式的码本；具体来说，JS方法是将每一层的两个方向空间上的码字都分成两两组合，形成一个二维阵列上的码本，然后应用这个码本进行搜索；(二)DWS波束搜索方法，简称DWS方案；先在一个方向上采用全向波束，然后用这个全向波束和另一个方向上的码字分别组成新的码本，利用这个新的码本搜索其中一个方向空间，待这个方向空间搜索完毕后，再使用这个方向空间最终选定的波束与第二个方向空间的码本形成新的二维码本；应用这个新的二维码本进行第二个方向空间上的波束搜索工作。2.根据权利要求1所述的二维波束搜索方法，其特征在于，对于x＝2的情形，所述JS波束搜索方法的具体流程如下：(1)根据智能反射面的阵元个数，确定所使用的一维分层码本的层数S；若智能反射面有M
×
N个反射单元，即智能反射面是一个有M行N列的方阵，则其中，min(
·
)是...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晞远，吴俊，胡蝶，徐跃东，张宝晔，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：