【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，属于无线通信。
技术介绍
1、面对无线通信系统中急速增长的数据业务需求，毫米波通信技术可以凭借大带宽的优势，以满足高速率低时延的通信需求。毫米波通信技术是目前无线通信中的核心技术之一，其频谱资源丰富，能够使得系统拥有超高数据传输速率，应用场景丰富，已经成为工业领域和学术界的研究热点。同时，毫米波的超高频率以及传输环境中的各类因素，会造成严重的路径损耗和覆盖范围受限。借助在基站和用户端部署超大规模天线阵列，并设计合适有效的波束成形参数调整方案，可以有效补偿路径损耗，提高通信质量。在城市交通通信环境中引入毫米波技术后，有助于解决车车、车与基站间的通信传输质量问题。
2、但是，超大规模天线阵列的部署，会扩大电波传播的近场区域，使得用户经常处于近场区域，需要利用近场球面波特性进行分析处理，而非如同远场区域中的利用近似的平面波进行分析设计。同时，城市交通通信场景会带来不可忽视的多普勒频移问题，即车辆的高移动会产生电波多普勒频移，信道会快速变化，导致信道增益不稳定，从而影响数据的传输。
3、因此，为研究上述近场球面波传输特性和高移动性带来的来波角度和距离的叠加效应问题，需要研究车联网的抗多普勒频移的近场波束成形，以保证基站向目标车辆发射高增益的信号波束，提高基站到车辆间的数据传输质量，保障高可靠低延时的通信服务。
4、授权公布号cn10707 0818b的专利《基于毫米波mimo系统的多普勒频偏估计方法及装置》中提出了基于最大似然估计模
技术实现思路
1、本专利技术目的在于针对上述现有技术的缺陷和不足，提出了一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，以用于城市复杂环境下具有高移动性的车辆与固定基站之间的通信传输，该方法在有效克服多普勒频移的同时，能精准实现近场波束成形，提高基站和车辆间的数据传输质量，有利于城市环境下车辆在行驶中获得高质量的通信服务，也有利于城市交通通信网络的安全稳定运行。
2、本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，该方法包括如下步骤：
3、步骤1：城市环境下各基站配置超大规模均匀圆形天线阵列，根据天线阵列特性参数确定覆盖区域中的远近场区域边界d；
4、步骤2：当城市环境中移动的车辆处于该基站的覆盖区域时，移动终端通过反向链路向基站更新位置信息，基站根据位置信息判断移动终端是否处于近场区域，若是则进行下一步，若否则重复该步骤2；
5、步骤3：当城市环境中移动的车辆处于该基站的近场区域时，基站根据车辆的位置信息确定其到天线阵列中心的距离l、车辆与天线阵列平面夹角的余角θ以及车辆沿直线行驶的速度v；
6、步骤4：根据移动车辆的相关参数，包括距离l和角度θ，确定移动车辆和基站超大规模天线阵列中各天线单元的距离l(x，y)，其中，x表示天线单元在超大规模圆形天线所在平面中x轴上的分量，y表示天线单元在超大规模圆形天线所在平面中y轴上的分量；
7、步骤5：根据车联网近场信道模型，确定基站超大规模天线阵列中的各天线单元到移动车辆的信道表达式；
8、步骤6：基站根据信道表达式进行波束成形参数调整，并根据调整后参数对阵列天线进行波束成形控制；
9、步骤7：根据移动终端周期性位置更新信息，若是则跳转到上述步骤2，若否则重复该步骤7。
10、进一步地，所述步骤1中，覆盖区域中的远近场边界d计算公式如下：
11、
12、其中，r表示基站处超大规模圆形天线阵列的半径，λc表示通信系统的载波波长。
13、进一步地，所述步骤4中，移动车辆和基站超大规模天线阵列中天线单元的距离，计算公式如下：
14、
15、其中，ci表示第i个天线单元在超大规模圆形天线所在平面中x轴上的分量，且x∈[xmin，xmax]，yi表示第i个天线单元在超大规模圆形天线所在平面中y轴上的分量，且y∈[ymin，ymax]，σ表示车辆在移动过程中新增的距离，其计算公式如下：
16、σ＝vt 式3
17、其中，v表示车辆行驶速度，t表示车辆行驶时间。
18、进一步地，所述步骤5中，在t时刻，当频率为f时，基站超大规模天线阵列中第i个天线单元到移动车辆的信道，通过如下公式获取：
19、
20、其中，xi表示第i个天线单元在超大规模圆形天线所在平面中x轴上的分量，yi表示第i个天线单元在超大规模圆形天线所在平面中y轴上的分量，nt表示阵列中的天线数量，fd表示车辆移动带来的多普勒频移，c表示真空中的光速，δ表示各天线单元间的间隔距离，r表示超大规模圆形天线阵列的半径长度，v表示车辆行驶速度，φ(xi，yi)表示第i个天线单元上的相位配置，l(ci，yi)表示移动车辆到基站超大规模天线阵列中第i个天线单元的距离。
21、进一步地，所述步骤6中，基站根据信道模型进行波束成形参数调整方案，通过调整超大规模天线阵列的波束相位配置方案φ，使得天线阵列到移动车辆的信道增益最大，从而最大化两者间的数据传输速率，如若车辆的投影处于天线阵列以外，则其中对于第i个天线单元，其相位配置φ(xi，yi)∈φ的一阶导数φ′(xi，yi)，通过以下公式得到：
22、
23、其中，b表示系统带宽，l(xi，yi)表示第i个天线单元到移动车辆的距离，η1表示非线性模块比例，η2用于控制正切曲线的比例，lmin表示超大规模圆形天线阵列中天线单元离移动车辆最小的距离，lmax表示超大规模圆形天线阵列中天线单元离移动车辆最大的距离，即如下：
24、
25、
26、本专利技术取lmin时的天线单元的坐标为(xmin，ymin)，取lmax时的天线单元的坐标为(xmax，ymax)，为了满足近场中的波束对焦，需要满足波束相位在上线性变化，即需要满足和通过将这两个式子代入式5中进行求解，可得到η1和η2的数值，随后，将η1和η2带入式5中，并求解积分便可得到该天线单元的相位配置φ(ci，yi)。
27、进一步地，步骤6中，基站根据信道模型进行波束成形参数方案调整，通过调整超大规模天线阵列的波束相位配置方案φ，实现两者间的数据传输性能最优，如若车辆的投影处于天线阵列内，则其中对于第i个天线单元，其相位配置φ(x本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，其特征在于，所述步骤5中，基站超大规模天线阵列中各天线单元到移动车辆的信道表达式，在t时刻，频率为f时，表达如下：
3.根据权利要求1所述的一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，其特征在于，所述步骤6中，超大规模天线阵列中的波束相位配置方案Φ，包含各个天线单元的波束相位配置，若车辆的投影处于天线阵列以外，则其中对于第i个天线单元，其相位配置φ(xi，yi)∈Φ的一阶导数φ′(xi，yi)，通过以下公式得到：
4.根据权利要求3所述的一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，其特征在于，所述第i个天线单元的相位配置φ(xi，yi)的一阶导数φ′(xi，yi)，需要满足波束相位在上线性变化，即需要满足如下式子：
5.根据权利要求1所述的一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，其特征在于，所述步骤6中，超大规模天线阵列中的波束
...【技术特征摘要】
1.一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，其特征在于，所述步骤5中，基站超大规模天线阵列中各天线单元到移动车辆的信道表达式，在t时刻，频率为f时，表达如下：
3.根据权利要求1所述的一种面向车联网的抗多普勒频移的近场无线通信波束成形方法，其特征在于，所述步骤6中，超大规模天线阵列中的波束相位配置方案φ，包含各个天线单元的波束相位配置，若车辆的投影处于天线阵列以外，则其中对于第i个天线单元，其相位配置φ(xi，yi)∈φ的...
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