一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法技术

本发明专利技术公开了一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，包括：计算区域量化后波束对应的空间域；结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型；在理想波束模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；根据计算得到的理想波束预编码矩阵，采用改进的DDL‑GP算法获取适合实际系统的波束预编码方案。本发明专利技术基于毫米波大规模阵列天线下的混合波束预编码系统，相比于传统混合波束设计方案能够有效提高通信容量和覆盖效率。

A millimeter wave beam generation method for UAV base station communication

【技术实现步骤摘要】
一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法
本专利技术涉及毫米波波束赋形，属于无线通信
，具体而言涉及一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法。
技术介绍
无人机是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人飞机,具有低成本、可快速部署、广覆盖等特征，可作为空中基站，为地面用户提供通信服务，为了满足无人机基站对高传输速率的追求，毫米波段凭借着具有巨大的免许可连续带宽，并可实现的吉比特级传输速率，在无人机通信系统中受到研究者的广泛关注。但是，由于毫米波的高频段，会面临较大的路径增益损耗，为了弥补传播损耗这一问题，无人机毫米波通信需要用大规模天线阵列下的波束成形技术来改善链路质量。波束成形系统分为模拟波束成形系统、数字波束成形系统和混合波束成形系统。其中，模拟波束成形系统有幅度恒定的限制和相位控制分辨率较低的问题，而纯数字系统会拥有较多的元器件的消耗，大大增加了系统的成本，且复杂度较高不利于运用在实际系统中。而混合波束成形系统综合考虑了二者的优缺点，可以在不消耗大量元器件的情况下得到最优的波束效果。在具体求解过程中，首先根据阵元响应和信道特性得到的无限制理想波束预编码矢量，再根据系统中有限的射频链数目得到次优的闭式近似值，从而获得适合实际系统的波束设计方法。传统的无人机毫米波波束覆盖方法产生的波束较窄，不利于对大范围区域进行覆盖，而部分方法得到的宽波束在区域边缘通信质量恶化，使区域内的通信效果不均匀。因此，有必要研究一种考虑整体覆盖效果的面向无人机基站通信的毫米波波束设计方法。专利
技术实现思路
基于前述技术问题，本专利技术目的在于提供一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，首先提出在空间域上将无人机波束覆盖区域进行分块量化，获得对应波束的阵列响应范围；而后，对量化区域对应的理想波束模型运用逆离散时间傅里叶变换，以获得理想的发射端波束预编码向量；最后，基于理想预编码向量采用改进的DDL-GP算法获得了最优的混合预编码方法。本专利技术基于毫米波大规模阵列天线下的混合波束预编码系统，相比于传统混合波束设计方案能够有效提高通信容量和覆盖效率。为达成上述目的，结合图1，本专利技术提出一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，所述波束生成方法包括：S1：计算区域量化后波束对应的空间域；S2：结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型；S3：在理想波束模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；S4：根据计算得到的理想波束预编码矩阵，采用改进的DDL-GP算法获取适合实际系统的波束预编码方案。进一步的实施例中，步骤S1中，所述计算区域量化后波束对应的空间域的过程包括以下步骤：S11：考虑一个阵元间距为半波长且发射角为(ψht,ψvt)∈[-π/2,π/2)×[-π/2,π/2)的发射波束，计算该波束对应的空间域，方法如下：(ψh,ψv)∈[-π,π)×[-π,π)其中，ψh＝2πdhsinψhtcosψvt/λ，ψv＝2πdvsinψvt/λ，λ是波长，dh和dv分别是水平方向和垂直方向上的天线阵元间距，θh和θv分别是水平方向和垂直方向上的信号发射角；S12：计算量化的空间域间隔，方法如下：其中，Zh和Zv分别表示水平方向和竖直方向上的量化数目；S13：计算分块后的空间域范围，方法如下：其中，Δh,m和Δv,n分别表示水平域第m个、垂直域第n个子区域的空间域范围。进一步的实施例中，步骤S2中，所述结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型的过程包括以下步骤：S21：计算收发两端均采用毫米波平面阵列下的通信信道模型，方法如下：其中，K为莱斯因子，αl是满足高斯分布的复信道增益，L表示非直视路径的个数，MBS和MMS分别表示发射端与接收端的天线数目，变量ψh(v)和θh(v)分别表示不同信道的信号发射角和到达角；aBS(ψh,ψv)和aMS(θh,θv)分别表示发射角和到达角的归一化阵列响应向量；对于MBS＝Mh×Mv个阵元的均匀平面阵，发射端归一化阵列响应可以表示为：其中，表示克罗内克积，对应的阵列响应可表示为：其中[·]T表示矩阵的转置变换，ψh(v)可由第一步求得，接收端归一化阵列响应可由同样的形式得到；S22：计算块衰落信道下的接收信号，方法如下：其中，y表示接收信号，ρ表示发射端信噪比，H表示信道矩阵，s表示传输符号，满足E[|s|2]≤1，其中E[·]表示取均值；n为均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声，c表示混合波束成形系统的波束成形矢量，由模拟波束控制矩阵FRF和基带波束成形向量vBB组成；w表示接收端结合向量，与发射端预编码矢量c作用类似，同样可以w分为模拟结合矩阵WRF和基带结合向量wBB；[·]H表示矩阵的共轭转置变换；S23：将信号传输速率表示为：其中，是区域内的理想波束成形矢量，C(ψh,ψv)是非零增益，由詹森不等式可得C(ψh,ψv)为常数时，式(a)取等号，即传输速率达最大。进一步的实施例中，步骤S3中，所述在理想波束模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵的过程包括以下步骤：S31：对于平面阵列，阵列响应可以表示为：其中，mh＝0:Mh-1，mv＝0:Mv-1。S32：根据逆离散时间傅里叶变换求得理想预编码向量：S33：考虑波束覆盖范围Um,n，使信号速率最佳的理想波束预编矢量为：其中，是水平和垂直域上的波束覆盖区域的中心位置，和分别是从中心位置到水平边界和垂直边界的宽度。进一步的实施例中，步骤S4中，所述根据计算得到的理想波束预编码矩阵，采用改进的DDL-GP算法获取适合实际系统的波束预编码方案的过程包括以下步骤：S41：对模拟波束控制矩阵FRF与残差向量Fres进行初始化，其中，FRF＝[]，S42：建立观测矩阵κcan：其中floor[]表示向下取整，mod(·,·)表示取余操作，m＝1,2,...,MBS；n＝1,2,...,MBS；S43：设置射频链的数目MRF，当i≤MRF时重复以下步骤S44-S411，直至i＞MRF时迭代终止，进行步骤S412，其中i是迭代计数变量，每进行一次迭代，计数变量值加1；S44：计算当前残差与观测矩阵的内积Γ：S45：将内积进行比较，找出结果中最大值所对应的下标k：S46：更新模拟波束控制矩阵FRF：FRF＝[FRFκcan(:,k)]。S47：计算迭代方向d：S48：计算当前迭代步长g：S49：计算此时基带波束成形向量vBB：vBB＝[vBB0]+gd。S410：计算残差向量Fres：Fres＝Fres-gFRFd。S411：采用下述公式将当前残差向量量化对观测向量进行更新：κcan(:,k)＝τ(Fres)。S412：结束迭代后，对基带波束成形向量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，其特征在于，所述波束生成方法包括：/nS1：计算区域量化后波束对应的空间域；/nS2：结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型；/nS3：在理想波束模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；/nS4：根据计算得到的理想波束预编码矩阵，采用改进的DDL-GP算法获取适合实际系统的波束预编码方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，其特征在于，所述波束生成方法包括：
S1：计算区域量化后波束对应的空间域；
S2：结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型；
S3：在理想波束模型的基础上，计算理想波束预编码矩阵；
S4：根据计算得到的理想波束预编码矩阵，采用改进的DDL-GP算法获取适合实际系统的波束预编码方案。


2.根据权利要求1所述的面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，其特征在于，步骤S1中，所述计算区域量化后波束对应的空间域的过程包括以下步骤：
S11：考虑一个阵元间距为半波长且发射角为(ψht,ψvt)∈[-π/2,π/2)×[-π/2,π/2)的发射波束，计算该波束对应的空间域，方法如下：
(ψh,ψv)∈[-π,π)×[-π,π)
其中，ψh＝2πdhsinψhtcosψvt/λ，ψv＝2πdvsinψvt/λ，λ是波长，dh和dv分别是水平方向和垂直方向上的天线阵元间距，θh和θv分别是水平方向和垂直方向上的信号发射角；
S12：计算量化的空间域间隔，方法如下：



其中，Zh和Zv分别表示水平方向和竖直方向上的量化数目；
S13：计算分块后的空间域范围，方法如下：



其中，Δh,m和Δv,n分别表示水平域第m个、垂直域第n个子区域的空间域范围。


3.根据权利要求2所述的面向无人机基站通信的毫米波波束生成方法，其特征在于，步骤S2中，所述结合阵列响应，计算量化区域对应波束的理想模型的过程包括以下步骤：
S21：计算收发两端均采用毫米波平面阵列下的通信信道模型，方法如下：



其中，K为莱斯因子，αl是满足高斯分布的复信道增益，L表示非直视路径的个数，MBS和MMS分别表示发射端与接收端的天线数目，变量ψh(v)和θh(v)分别表示不同信道的信号发射角和到达角；aBS(ψh,ψv)和aMS(θh,θv)分别表示发射角和到达角的归一化阵列响应向量；对于MBS＝Mh×Mv个阵元的均匀平面阵，发射端归一化阵列响应可以表示为：



其中，表示克罗内克积，对应的阵列响应可表示为：



其中[·]T表示矩阵的转置变换，ψh(v)可由第一步求得，接收端归一化阵列响应可由同样的形式得到；
S22：计算块衰落信道下的接收信号，方法如下：



其中，y表示接收信号，ρ表示发射端信噪比，H表示信道矩阵，s表示传输符号，满足E[|s|2]≤1，其中E[·]表示取均值；n为均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声，c表示混合波束成形系统的波束成形矢量，由模拟波束控制矩阵FRF和基带波束成形向量vBB组成；w表示接收端结合向量，与发射端预编码矢量c作用类似，同样可以w分为模拟结...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲伟志，王磊，顾勇，张涛涛，李鹏辉，朱秋明，陈小敏，
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