一种基于扩展卡尔曼滤波的自适应毫米波波束追踪方法技术

本发明专利技术公开了一种基于扩展卡尔曼滤波的自适应毫米波波束追踪方法。本发明专利技术公布的波束追踪方法首先根据用信道角度变化的速率，确定最大和最小追踪间隔，之后通过比较追踪前后波束成形后信噪比的变化判断是否使用扩展卡尔曼滤波器进行追踪。本发明专利技术公布的方法不需要知道信道的瞬时增益，只需要将信道的角度变化作为待估计量，可以根据通信信道角度变化的速率，实时自动调整波束追踪的频率，在保证追踪精度的同时，有效延长波束追踪的时间，降低波束追踪的开销。束追踪的开销。束追踪的开销。

【技术实现步骤摘要】
一种基于扩展卡尔曼滤波的自适应毫米波波束追踪方法


[0001]本专利技术属于数字通信
，公布了一种自动调整波束追踪频率来适应毫米波信道主达径角度变化速率的毫米波波束追踪方法。

技术介绍

[0002]毫米波(mmWave)是实现无线局域网、第五代蜂窝移动网络(5G)和车联网等高速通信应用的重要技术之一。毫米波信号的传播具有的路径损耗大的特点。为了弥补这一频段的高路径损耗，毫米波通信终端通常使用波束成形技术以提供信号传输的定向增益。而为了在通信过程中保持这种高波束成形增益，毫米波通信终端使用的波束方向必须始终与毫米波信道的主要路径方向对准。这种准确的波束对准通常可以通过波束训练获得。波束训练这种方法由于需要检验所有可能的方向，因此需要较高的时间和能量开销，仅适用于静态或者信道随时间缓慢变化等波束训练不需要频繁的执行的场景。但在快速变化的移动场景下，频繁的波束训练会导致过高的资源开销。因此，有效的、低开销的波束跟踪方法对于在移动环境中实现毫米波技术十分重要。
[0003]常用的经典波束追踪算法有辅助波束对(Auxiliary Beam Pair，ABP)算法、扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter，EKF)算法等。辅助波束对算法利用在主波束附近的一对辅助波束对测量导频信号，通过计算最大接收信号强度和第二大接收信号强度之间的比率度量进行角度估计。这种方法在高信噪比下有很好的性能表现，但是在低信噪比情况下，由于辅助波束对会被错误的选择，可能出现严重的性能下降甚至丢失追踪。
[0004]扩展卡尔曼滤波器是卡尔曼滤波器在非线性情况下的一种扩展，是在卡尔曼滤波器的基础上，对系统的状态方程及观测方程进行泰勒展开，将非线性系统转化为线性系统进行处理的一种改进方法。卡尔曼滤波器对当前状态的估计需要以上一次的估计值为依据。所以现有的卡尔曼滤波器波束跟踪方法需要实时地、高频率地对系统状态进行估计，从而保证波束跟踪的精度。这在低移动速度的场景下会造成不必要的开销。此外，传统用于波束追踪的卡尔曼滤波器的方法需要同时估计信道增益和信道的角度信息，这会导致误差迅速累积且相互影响，无法实现长时间的有效追踪。
[0005]为了解决上述的问题，需要设计一种可根据不同移动速度场景，自适应调节追踪频率的波束追踪算法，降低波束追踪的开销，且保持一定的追踪精度及足够的追踪时间。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对毫米波移动通信系统，公布了一种基于扩展卡尔曼滤波器的自适应毫米波波束追踪方法。该方法可以根据通信信道角度变化的速率，实时调整波束追踪的频率，在保证追踪精度的同时，有效降低波束追踪的开销。
[0007]本专利技术采取以下技术方案：接收端Rx接收发送端Tx发送的导频信号，并实时计算当前时隙t的使用波束成形测量到的导频信号的信噪比ε
t
。当距离上一次追踪时隙的时隙间隔T达到最小追踪时隙间隔T
min
后(T≥T
min
)，如果ε
t
与上一次追踪后的值相比，衰落超过
一定阈值，则使用扩展卡尔曼滤波的方法对到达角(Angle of Arrive，AoA)进行估计。若在时隙间隔T达到T
min
后因ε
t
的衰减未达到阈值而一直未进行波束追踪更新，则在T达到最大追踪间隔T
max
时(T＝T
max
)，强制进行估计，以保证追踪的有效性和可靠性。
[0008]一种基于扩展卡尔曼滤波器的自适应波束追踪算法，其按如下步骤进行：
[0009]步骤1、确定和波束成形后信噪比；
[0010]步骤2、确定最小追踪间隔和最大追踪间隔；
[0011]步骤3、自适应波束追踪。
[0012]优选的，步骤1具体如下：
[0013]步骤1.1，定义状态演化方程。本专利技术考虑发送端发送导频信号，接收端通过测量导频信号更新波束方向的波束追踪问题。因波束追踪只关注新到的角度信息，因此仅将角度作为状态量。定义φ为信道的到达角，为到达角的估计值，为接收端的波束成形指向方向。假设发送端的波束在训练过程中始终对准出发角方向(发送端的波束跟踪当发射端和接收端互易后可应用本专利技术公布的方法实现)。状态演化方程定义为：
[0014]φ
t
＝φ
t
‑1+n
t
‑1#(1)
[0015]下标t代表第t个时隙。其中，n
t
服从均值为0，方差为的高斯分布，即
[0016]步骤1.2，计算接收信号比率度量ξ，并将其建模为观测方程。定义N
T
为发射端Tx的天线数，N
R
为接收端Rx天线数。令为Tx和Rx之间的信道矩阵，a
T
(.)和a
R
(.)分别为发送端和接收端的天线阵列响应矢量，和分别为发送端和接收端的波束成形矢量，为导频信号，为噪声矢量，信道增益为α，表示矢量的共轭转置。定义v＝2πd
R
sin(φ)/λ和u＝2πd
T
sin(θ)/λ分别为到达角和离开角的空间频率,其中d
T
和d
R
分别代表发送端和接收端天线之间的距离，λ为载波频率对应的波长。本方法在接收端使用一对辅助波束对测量导频信号，分别指向η
‑
δ
R
和η+δ
R
，其中η为辅助波束对的视轴角，δ
R
表示在空间频率域辅助波束对与视轴角η之间的夹角。这一对波束对应的接收信号分别为：
[0017][0018][0019]其中，z
Δ
和z
∑
为相互独立的噪声矢量，服从均值为0，方差为的复高斯分布。
[0020]相应的接收信号的强度可以计算为：
[0021][0022]则比率度量计算如下：
[0023][0024]使用此比率度量作为EKF的观测方程。当噪声影响可忽略时，
因此，时隙t测量到的比率度量ξ
t
可建模如下：
[0025][0026]其中，v(t)＝2πd
R
sin(φ(t))/λ，w
t
服从均值为0，方差为的高斯分布。
[0027]步骤1.3，估算波束成形后信噪比ε
t
；每个时隙t的波束成形后信噪比ε
t
与发射功率P
T
＝||s(t)||2、噪声方差的关系如下：
[0028][0029]其中，s(t)为第t个时隙发射的导频序列。
[0030]优选的，步骤2具体如下：
[0031]步骤2.1，确定追踪最小时隙间隔T
min
。考虑角度演化的高斯运动模型，可以计算信道角度在经过T
min
次演化后，角度变化不超过半波束宽度的覆盖范围B
R
(B
R
＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扩展卡尔曼滤波的自适应毫米波波束追踪方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、计算接收信号的比率度量和波束成形后信噪比；步骤2、确定最小追踪间隔和最大追踪间隔；步骤3、自适应波束追踪。2.根据权利要求1所述的一种基于扩展卡尔曼滤波的自适应毫米波波束追踪方法，其特征在于步骤1所述计算接收信号的比率度量和波束成形后信噪比包括以下步骤：步骤1.1，定义状态演化方程；仅将角度作为状态量；φ为信道的到达角，为到达角的估计值，为接收端的波束成形指向方向；假设发送端的波束在训练过程中始终对准信道出发角方向；状态演化方程定义为：φ
t
＝φ
t
‑1+n
t
‑1#(1)下标t代表第t个时隙；其中，n
t
服从均值为0，方差为的高斯分布，即步骤1.2，计算接收信号比率度量ξ，并将其作为观测方程；定义N
T
为发射端Tx的天线数，N
R
为接收端Rx天线数；令为Tx和Rx之间的信道矩阵，a
T
(.)和a
R
(.)分别为发送端和接收端的天线阵列响应矢量，和分别为发送端和接收端的波束成形矢量，为导频信号，为噪声矢量，信道增益为α，表示矢量的共轭转置；定义v＝2πd
R
sin(φ)/λ和u＝2πd
T
sin(θ)/λ分别为到达角和离开角的空间频率，其中d
T
和d
R
分别代表发送端和接收端天线之间的距离，λ为载波频率对应的波长；在接收端使用一对辅助波束对测量导频信号，分别指向η
‑
δ
R
和η+δ
R
，为辅助波束对的视轴角，δ
R
表示在空间频率内辅助波束对与视轴角η之间的夹角；这一对波束对应的接收信号分别为：一对波束对应的接收信号分别为：其中，z
Δ
和z
∑
为相互独立的噪声矢量，均服从均值为0，方差为的复高斯分布；相应的接收信号的强度可以计算为：则比率度量计算如下：使用此比率度量作为EKF的观测方程；当噪声影响可忽略时，因此，时隙t测量到的比率度量ξ
t
可建模如下：其中，v(t)＝2πd
R
sin(φ(t))/λ，w
t
服从均值为0，方差为的高斯分布；
步骤1.3，估算波束成形后信噪比ε
t
；每个时隙t的波束成形后信噪比ε
t
与发射功率P
T
＝||s(t)||2、噪声方差的关系如下：其中，s(t)为第t个时隙发射的导频序列。3.根据权利要求2所述的一种基于扩展卡尔曼滤波的自适应毫米波波束追踪方法，其特征在于步骤2所述确定最小追踪间隔和最大追踪间隔包括以下步骤：步骤2.1，确定追踪最小时隙间隔T
min
，计算信道角度在经过T
min
次演化后，角度变化不超过半波束宽度的覆盖范围B
R
(B
R
＝1/N
R
)的概率；最小追踪间隔T
min
的确定方法是：T
min
次角度变化后不超过B
R
的概率等于某一约定概率值p；定义经过T
min
次演化后角度变化的值为U
t
，U
t
服从可以根据以下公式来确定T
min
...

【专利技术属性】
技术研发人员：末末，刘春山，赵楼，刘天乐，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：