【技术实现步骤摘要】
一种基于容积卡尔曼滤波的毫米波波束跟踪方法
本专利技术属于毫米波通信
,具体涉及一种基于容积卡尔曼滤波的毫米波波束跟踪方法。
技术介绍
5G作为新一代通信标准,与之前的4G相比,数据速率需要提高10倍,平均小区吞吐量需要提高25倍,系统容量需要提高1000倍。然而数据吞吐量的增长需要提供更大的带宽。5G之前使用的频段集中在6GHz以下,目前,该频段的频谱资源已十分紧张,因此,需要寻找新的频谱资源用于5G。毫米波凭借其拥有的巨大的免许可连续带宽(30~300GHz)以及高速数据传输能力引起人们的广泛关注。然而,毫米波的绕射能力较差,路径损耗较大,尤其在雨雪等恶劣天气下会产生极大衰减。鉴于此,人们提出采用大规模阵列天线下的波束成形技术来弥补毫米波传播中的路径损耗。由于该技术依靠特定方向上的高增益窄波束进行通信,发射机和终端用户间的相对运动会导致波束失配,影响通信质量。为了保持良好的通信性能,需要不断调整收发端的波束角度,实现波束实时对准。因此,有效的波束跟踪方法对于将毫米波应用在移动环境中具有重要意义。目前已有一些毫米波波束跟踪方法,如通过卡尔曼滤波算法进行跟踪。扩展卡尔曼滤波算法通过扫描所有可能的波束组合,建立扩展卡尔曼滤波算法中的测量矩阵,完成波束跟踪。但该算法需要进行波束全扫描,测量时间较长,很难在快速变化的场景中进行波束实时跟踪。一些基于扩展卡尔曼滤波算法的改进算法相对于普通的扩展卡尔曼滤波算法,只需要训练一个波束,极大降低了开销;同时在每个步骤中只使用一个测量方程,更加适合快速移动场景下的 ...
【技术保护点】
1.一种基于容积卡尔曼滤波的毫米波波束跟踪方法,其特征在于,包括:/n步骤一:建立通信信道模型;/n步骤二:给定滤波器初始条件,完成初始化;/n步骤三:计算容积点集;/n步骤四:进行状态预测;/n步骤五:更新状态;/n步骤六:阈值判断,检测跟踪的有效性。/n
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种基于容积卡尔曼滤波的毫米波波束跟踪方法,其特征在于,包括:
步骤一:建立通信信道模型;
步骤二:给定滤波器初始条件,完成初始化;
步骤三:计算容积点集;
步骤四:进行状态预测;
步骤五:更新状态;
步骤六:阈值判断,检测跟踪的有效性。
2.根据权利要求1所述的一种基于容积卡尔曼滤波的毫米波波束跟踪方法,其特征在于,所述步骤一建立的通信信道模型,发射端和接收端均配置均匀线性阵列,其信道模型表示为:
其中,L表示信道路径的个数,αl[k]是第k个时刻第l条路径的信道复增益系数,服从一阶复高斯马尔科夫模型,表示为αl[k]=ραl[k-1]+ζ[k-1];
其中ρ表示信道相关系数;
和分别是第k个时刻第l条路径对应的接收端和发射端的阵列响应向量,其中和分别表示第l条路径的信号到达角和信号发射角,[·]H表示矩阵的共轭转置变换。
3.根据权利要求2所述的一种基于容积卡尔曼滤波的毫米波波束跟踪方法,其特征在于,所述发射端和接收端的接收信号表示为:
y[k]=wHhHf+n(1)
其中,y[k]表示第k个时刻的接收信号,h表示信道矩阵,f表示发射端模拟波束成形系统的波束成形向量,w表示接收端模拟波束成形系统的波束合并向量,n为均值为0、方差为R的加性高斯白噪声。
4.根据权利要求3所述的一种基于容积卡尔曼滤波的毫米波波束跟踪方法,其特征在于,对于有Nr个阵元的接收端的均匀线性阵列,阵列响应向量表示为:
对于有Nt个阵元的发射端的均匀线性阵列,阵列响应向量表示为:
其中,表示阵元间距,λ为信号波长,[·]T表示矩阵的转置变换;
波束成形向量f和波束合并向量w分别表示为
5.根据权利要求4所述的一种基于容积卡尔曼滤波的毫米波波束跟踪方法,其特征在于,所述步骤二初始化中,首先定义容积卡尔曼滤波中的状态向量为:
x[k]=[αR[k],αI[k],θr[k],θt[k]]T(8)
其中,θr[k],θt[k]分别表示信号到达角和信号发射角,α[k]=αR[k]+jαI[k],即αR[k],αI[k]别表示路径增益的实部和虚部;
该向量的状态更新方程由高斯过程噪声驱动,表示为
x[k]=x[k-1]+u[k-1](9)
其中,u[k-1]是高斯过程噪声;
技术研发人员:仲伟志,李鹏辉,张俊杰,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
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