一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法技术

本发明专利技术提供了一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法。所述面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法包括如下步骤：预设符合混合波束成形架构的分层码本，根据传统的多层级波束训练方式进行波束的匹配搜索，找到最优波束并发射通信信号。本发明专利技术的有益效果是：所示面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法利用了毫米波通信主要为LOS路径和无人机移动的连续性特点，在大部分波束失配场景中，能够比传统分层训练方案更快地找到新的匹配波束。

【技术实现步骤摘要】
一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法
本专利技术具体地涉及一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法。
技术介绍
无人机是一种使用无线电设备遥控或自带程序控制装置操纵而不载人的飞行器。无人机具有架构简单、可动态部署、造价低廉、减少人员伤亡的特点，已在各个领域扮演着极其重要的角色。无人机飞行过程中需要通过通信网络与地面控制中心持续进行数据传输。近年来，毫米波阵列通信被认为是解决无人机Gbit带宽通信的重要手段。在无人机与地面端进行毫米波通信时，由于无人机较强移动性造成的光束对准是整个通信系统开销的主要来源。针对这个问题，研究者们提出了波束训练的方法，该方法能够可以在不采用信道估计的情况下使通信波束达到匹配。而如何对波束训练的手段进行改进，减低训练时间与开销是改进无人机毫米波通信的重要方向之一。在地面与无人机波束训练的过程中，使用基于波束码本的解决方案是实现系统复杂性与高性能之间的折中设计。通过预先设定的码字控制波束方向从而达到波束调向的作用，与此同时无人机接收端对发射端利用不同方向波束发射的训练符号进行分析，找到码本中适合该时刻通信的最佳码字，从而完成训练的过程并进行数据传输。若通信质量下降到一定程度，系统将认为此时无人机已脱离该波束覆盖区域，从而重新进行波束训练。不难发现，该方案具有复杂度小、步骤简单易于操作的优点，但是无人机的高移动性往往使波束训练这一过程变得更加频繁，穷举式的波束训练方法带来的额外开销将大大增大训练时间与成本，因此，如何设计出一种适合于无人机的快速波束训练与追踪算法是有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的缺陷或问题，提供一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法。本专利技术的技术方案如下：一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法：包括如下步骤：预设符合混合波束成形架构的分层码本，根据传统的多层级波束训练方式进行波束的匹配搜索，找到最优波束并发射通信信号。优选地，还包括如下步骤：如果无人机由于任务机动脱离波束覆盖区域，则采用改进的引入退避机制的波束训练方案从而找到该时段的最优匹配波束。优选地，预设符合混合波束成形架构的分层码本的步骤包括如下步骤：步骤1.1：在混合波束预编码系统架构的基础上将码本分为S个不同的层级，保证每一层级的波束成形码本所产生的波束宽度与形状均相同，其中，S为正整数；步骤1.2：找到满足步骤1.1中各个层级最优的码本方案。优选地，在步骤1.1中，具体码本的设计方法如下：s.t.[FRF,(s,k,m)]:,i∈{ΑQ},i＝1,2,...,NRF其中，s表示层级数，并且s＝1,2,..,S，k表示该层子波束的所属上层波束所在的序号，k＝1,2,...,Ks-1，K表示能够每一波束拥有的下一层子波束个数，所以(s,k,m)表示为第s层第k个子集的第m个波束，m＝1,2,...,K；表示对应波束的混合预编码系统中的模拟波束控制矩阵，它的列向量取自非完备字典集ΑQ，ΑQ由RF链相位控制比特数q决定，ΑQ中所有元素均取自相位集合Zq＝{0，2π/2q，…，2π(2q-1)/2q}；NBS表示天线数目，NRF表示系统中RF链的数目，而FBB,(s,k,m)表示对应波束的基带波束成形向量；F(s,k,m)表示理想波束成形矢量，它的值由以下公式获得：F(s,k,m)＝Cs(AAH)-1AG(s,k,m)其中，Cs表示归一化常数，以保证||F(s,k,m)||F＝1成立，假设信号发射角θ的空间被均分成N份，表示由空间内所有角度的阵列响应aBS(θ),θ∈{0,2π/N,...,2π(N-1)/N}构成的过完备矩阵，而在均匀直线阵的情况下阵列响应向量表示为：其中，λ表示信号波长，d表示阵元的间距；G(s,k,m)表示N×1的矩阵，在这个矩阵中，在位置u,u∈I(s,k,m)处的值为1，其他位置的值为0，其中优选地，步骤1.2具体包括如下步骤：步骤1.2.1：对模拟波束控制矩阵FRF,(s,k,m)与残差向量Fres，(s,k,m)进行初始化，其中FRF,(s,k,m)＝[]，Fres，(s,k,m)＝F(s,k,m)；步骤1.2.1：根据RF链的数目NRF，令n＝1:NRF重复以下1.2.3-1.2.6步骤；步骤1.2.3：根据构建最新残差向量Fres，(s,k,m)的值构建新向量并结合RF相移器具体分辨率进行量化操作，使fn,(s,k,m)∈Zq，这里Zq表示相移器可能产生的所有相位集合；步骤1.2.4：将FRF,(s,k,m)矩阵的值进行更新，得到FRF,(s,k,m)＝[FRF,(s,k,m)fn,(s,k,m)]；步骤1.2.5：计算此时基带波束成形向量：步骤1.2.6：计算残差向量：Fres,(s,k,m)＝F(s,k,m)-FRF,(s,k,m)FBB,(s,k,m)；步骤1.2.7：结束迭代后，对基带波束成形向量进行归一化：步骤1.2.8：根据最新的FRF,(s,k,m)和FBB,(s,k,m)得到最终混合波束码本方案优选地，根据传统的多层级波束训练方式进行波束的匹配搜索，找到最优波束并发射通信信号包括如如下内容：一个数据帧由波束训练阶段与数据传输阶段组成，设其中波束训练的时间长度为T；在某一层训练中，信号发射端将上一层的最优波束覆盖范围划分为K个子波束，通过这K个波束发送训练序列依次进行下行传输，传输结束后接收端通过分析，将训练结果上行反馈回发射端，其中，K为正整数；当分辨率最佳的波束成功匹配到无人机，即可进行数据传输阶段，且发射端采用训练所获得的最优波束码本，使地面能够与无人机保持最佳通信质量。优选地，在混合波束预编码系统架构的基础上将码本分为S个不同的层级，如果无人机由于任务机动脱离波束覆盖区域，则采用改进的引入退避机制的波束训练方案，从而找到该时段下最优匹配波束，具体方法如下：若第S层的波束无法较好的无人机产生匹配，此时可以将波束退到S-1层，并发送S-1层中对应的波束；若S-k层波束仍然无法匹配，则将波束码本退到S-k-1层，k为小于S的正整数；若第S-st层的波束能够与无人机产生匹配，则以该层为起点，开始正向波束训练，对S-st+1层的K个子波束进行波束训练，以此类推，其中，st是指任意大于0小于S的整数，指的是波束通信之间能够产生匹配时退避的层数；若退到第一层仍然无法匹配到响应波束，则直接在第一层重新进行波束训练以找到合适的匹配波束。本专利技术提供的技术方案具有如下有益效果：本专利技术提出的面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法中，地面毫米波信号发射端首先将先预设符合混合波束成形架构的分层码本，并根据传统的多层级波束训练方式进行波束的匹配搜索，找到最优波束并发射通信信号；而当无人机由于任务机动脱离波束覆盖区域时，再采用改进的引入退避机制的波束训练方案从而找到该时段的最优匹配波束，因此本专利技术利用了毫米波通信主要为LOS路径和无人机移动的连续性特点，在大部分波束失配场景中，能够比传统分层训练方案更快找到新的匹配波束。附图说明图1是混合波束成形结构图图；图2是传统波束分层训练方法的帧结构图；图3是具有波束逆推训练机制的分层训练方法帧结构图；图4是K＝2，S＝3时的传统波束训练的部分过程；图5(a)和图5(b)是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法，其特征在于：包括如下步骤：预设符合混合波束成形架构的分层码本，根据传统的多层级波束训练方式进行波束的匹配搜索，找到最优波束并发射通信信号。

【技术特征摘要】
1.一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法，其特征在于：包括如下步骤：预设符合混合波束成形架构的分层码本，根据传统的多层级波束训练方式进行波束的匹配搜索，找到最优波束并发射通信信号。2.根据权利要求1所述的一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法，其特征在于，还包括如下步骤：如果无人机由于任务机动脱离波束覆盖区域，则采用改进的引入退避机制的波束训练方案从而找到该时段的最优匹配波束。3.根据权利要求1所述的一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法，其特征在于，预设符合混合波束成形架构的分层码本的步骤包括如下步骤：步骤1.1：在混合波束预编码系统架构的基础上将码本分为S个不同的层级，保证每一层级的波束成形码本所产生的波束宽度与形状均相同，其中，S为正整数；步骤1.2：找到满足步骤1.1中各个层级最优的码本方案。4.根据权利要求1所述的一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法，其特征在于，在步骤1.1中，具体码本的设计方法如下：s.t.[FRF,(s,k,m)]:,i∈{ΑQ},i＝1,2,...,NRF其中，s表示层级数，并且s＝1,2,..,S，k表示该层子波束的所属上层波束所在的序号，k＝1,2,...,Ks-1，K表示能够每一波束拥有的下一层子波束个数，所以(s,k,m)表示为第s层第k个子集的第m个波束，m＝1,2,...,K；表示对应波束的混合预编码系统中的模拟波束控制矩阵，它的列向量取自非完备字典集ΑQ，ΑQ由RF链相位控制比特数q决定，ΑQ中所有元素均取自相位集合Zq＝{0，2π/2q，…，2π(2q-1)/2q}；NBS表示天线数目，NRF表示系统中RF链的数目，而FBB,(s,k,m)表示对应波束的基带波束成形向量；F(s,k,m)表示理想波束成形矢量，它的值由以下公式获得：F(s,k,m)＝Cs(AAH)-1AG(s,k,m)其中，Cs表示归一化常数，以保证||F(s,k,m)||F＝1成立，假设信号发射角θ的空间被均分成N份，表示由空间内所有角度的阵列响应aBS(θ),θ∈{0,2π/N,...,2π(N-1)/N}构成的过完备矩阵，而在均匀直线阵的情况下阵列响应向量表示为：其中，λ表示信号波长，d表示阵元的间距；G(s,k,m)表示N×1的矩阵，在这个矩阵中，在位置u,u∈I(s,k,m)处的值为1，其他位置的值为0，其中5.根据权利要求1所述的一种面向无人机毫米波通信的快速波束训练与追踪方法，其特征在于，步骤1.2具体包括如下步骤：步骤1.2.1：对模拟波束控制矩阵FRF,(s...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲伟志，徐磊，王磊，顾勇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32