一种用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法，包括：建立通信系统几何模型；估计接收端在俯仰和偏航方向上的倾斜角；通过机械旋转改变接收端在俯仰和偏航方向上的倾斜角得到第一信道矩阵；利用电子波束调向方法对接收端的波束进行处理得到第一等效信道矩阵；判断接收端的各个阵元的接收信噪比是否相等，若否则基于最优化模型得到的最优横滚旋转角调整接收端在横滚方向上的倾斜角，在接收端调整旋转后的波束指向，以完成调向。本发明专利技术在电子波束调向前使用机械装置旋转来减小倾斜角，解决单一电子束转向在大角度未对准条件下导致的容量损失，可有效解决由于多模态信号同时传输形成的干涉对信道容量的影响，从而实现信道容量最大化。而实现信道容量最大化。而实现信道容量最大化。

【技术实现步骤摘要】
一种用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法


[0001]本专利技术属于通信
，具体涉及一种用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法。

技术介绍

[0002]随着高清(HD，High Definition)视频、虚拟现实(VR，Virtual Reality)和自动驾驶等新兴应用的快速发展，导致移动数据流量不断增长。人们认识到，下一个6G通信系统需要将当前5G系统的容量增加一百倍。为了满足这一要求，越来越多的高频频段，如毫米波和太赫兹频段正在获得许可。由于射频(RF，Radio Frequency)频谱资源稀缺，除了开发更多的频率带宽外，还探索了提高频谱效率(SE，Spectrum Effectiveness)的创新技术。
[0003]然而，通信系统需要发射天线和接收天线的精确对准，因此传统的方法是使用电子波束调向方法，从而避免实际环境中因小天线失准而导致的性能大幅下降。
[0004]但是，在大角度失准的情况下的电子波束调向方法的性能分析和性能提升目前还没有被研究过。此外，还观察到当多个模式同时传输时，由于干涉的影响，光束在其主瓣环上的电场强度不均匀。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]本专利技术的一个实施例提供了一种用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法，所述调向方法包括：
[0007]S1、建立通信系统几何模型；
[0008]S2、根据所述通信系统几何模型估计接收端在俯仰方向和偏航方向上的倾斜角；
[0009]S3、通过机械旋转改变接收端在俯仰和偏航方向上的倾斜角，以得到在第一对准时的第一信道矩阵；
[0010]S4、基于所述第一信道矩阵，利用电子波束调向方法对所述接收端接收的波束进行处理，以得到在第二对准时的第一等效信道矩阵；
[0011]S5、判断所述接收端的各个阵元的接收信噪比SNR是否相等，若是相等，则完成调向，若是不相等，则基于最优化模型得到的最优横滚旋转角，调整所述接收端在横滚方向上的倾斜角，在所述接收端调整旋转后的波束指向，以完成调向。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述S2包括：
[0013]S2.1、利用所述通信系统几何模型得到多模态接收信号；
[0014]S2.2、利用角度估计方法处理所述多模态接收信号，以估计所述接收端在所述俯仰方向和所述偏航方向上的倾斜角。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，所述S3包括：
[0016]S3.1、利用步骤S2估计得到的在俯仰方向和偏航方向上的倾斜角生成脉宽调制
PWM信号；
[0017]S3.2、利用所述PWM信号改变所述接收端在俯仰方向和偏航方向上的倾斜角，以得到在第一对准时的第一信道矩阵。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述第一信道矩阵表示为：
[0019][0020][0021]其中，表示第一信道矩阵，表示第一信道矩阵中第m行第n列的元素，N
×
N表示第一信道矩阵为N行N列，β表示对每个接收天线单元的所有常数进行建模，k
p
表示第p个子载波处的波数，表示发送端和接收端的天线阵元之间的距离，(a)表示忽略振幅项分母中的一些小项，r表示传输距离，R
r
表示接收端的半径，R
t
表示发送端的半径，θ
m
＝[2π(m
‑
1)/N+θ0]，φ
n
＝[2π(n
‑
1)/N+φ0]，φ0和θ0分别表示发送端和接收端第一个阵元的初始角度，N表示接收端和发射端两端天线的阵元数，1≤m≤N,1≤n≤N，表示俯仰方向上的偏差角，表示偏航方向上的偏差角，i表示虚数单位。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，所述S4包括：
[0023]S4.1、根据旋转后的通信系统几何模型，利用角度估计方法估计所述接收端在俯仰方向和偏航方向上的倾斜角；
[0024]S4.2、基于所述第一信道矩阵，根据步骤S4.1获得的在俯仰方向和偏航方向上的倾斜角对所述接收端接收的波束利用电子波束调向方法进行处理，以得到在第二对准时的第一等效信道矩阵。
[0025]在本专利技术的一个实施例中，所述第一等效信道矩阵的第u行第v列的元素表示为：
[0026][0027]其中，表示第一等效信道矩阵的第u行第v列的元素，表示第p
个子载波在俯仰方向和偏航方向上的电子波束转向，表示发射向量，表示第v个发射模态，发射模态，表示第u个接收模态，表示第u个接收模态，
[0028]在本专利技术的一个实施例中，所述S5包括：
[0029]S5.1、判断所述接收端的各个阵元的接收信噪比SNR是否相等，若是相等，则完成调向，若是不相等，则执行步骤S5.2至S5.4；
[0030]S5.2、利用模拟退火算法求解所述最优化模型，得到最优横滚旋转角；
[0031]S5.3、根据最优横滚旋转角调整所述接收端在横滚方向上的倾斜角；
[0032]S5.4、在所述接收端调整旋转后的波束指向，以完成调向。
[0033]在本专利技术的一个实施例中，所述最优化模型表示为：
[0034]max C
[0035][0036][0037][0038][0039]其中，P表示子载波个数，U表示模态数，s(p,u)表示第p个子载波和第u个模态传输的调制信号，σ
z2
表示高斯白噪声的方差，表示平均的功率，θ表示横滚方向上的倾斜角。
[0040]在本专利技术的一个实施例中，在完成调向后，所述发送端和所述接收端的天线阵元之间的距离表示为：
[0041][0042]其中，φ
n
＝[2π(n
‑
1)/N+φ0]，φ0表示发送端第一个阵元的初始角
度。
[0043]在本专利技术的一个实施例中，在完成调向后，第二等效信道矩阵的第u行第v列的元素为：
[0044][0045][0046][0047]其中，表示经过步骤S5.3后得到的第二信道矩阵，θ
*
表示经过步骤S5.2得到的接收端在横滚方向上的旋转角，旋转后横滚方向上的倾斜角θ＝θ
*
。
[0048]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0049]1.本专利技术提供了一种用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法，该方法与传统的单一电子波束调向方法相比，通过在电子波束调向前使用机械装置旋转来减小倾斜角，从而解决单一电子束转向在大角度未对准条件下导致的容量损失。
[0050]2.本专利技术提出的方法，可以有效解决由于多模态信号同时传输形成的干涉对信道容量的影响，从而实现信道容量最大化。
附图说明
[0051]图1是本专利技术实施例提供的一种用于通信系统中的混合机械本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法，其特征在于，所述调向方法包括：S1、建立通信系统几何模型；S2、根据所述通信系统几何模型估计接收端在俯仰方向和偏航方向上的倾斜角；S3、通过机械旋转改变接收端在俯仰和偏航方向上的倾斜角，以得到在第一对准时的第一信道矩阵；S4、基于所述第一信道矩阵，利用电子波束调向方法对所述接收端接收的波束进行处理，以得到在第二对准时的第一等效信道矩阵；S5、判断所述接收端的各个阵元的接收信噪比SNR是否相等，若是相等，则完成调向，若是不相等，则基于最优化模型得到的最优横滚旋转角，调整所述接收端在横滚方向上的倾斜角，在所述接收端调整旋转后的波束指向，以完成调向。2.根据权利要求1所述的用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法，其特征在于，所述S2包括：S2.1、利用所述通信系统几何模型得到多模态接收信号；S2.2、利用角度估计方法处理所述多模态接收信号，以估计所述接收端在所述俯仰方向和所述偏航方向上的倾斜角。3.根据权利要求1所述的用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法，其特征在于，所述S3包括：S3.1、利用步骤S2估计得到的在俯仰方向和偏航方向上的倾斜角生成脉宽调制PWM信号；S3.2、利用所述PWM信号改变所述接收端在俯仰方向和偏航方向上的倾斜角，以得到在第一对准时的第一信道矩阵。4.根据权利要求3所述的用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法，其特征在于，所述第一信道矩阵表示为：于，所述第一信道矩阵表示为：其中，表示第一信道矩阵，表示第一信道矩阵中第m行第n列的元素，N
×
N表示第一信道矩阵为N行N列，β表示对每个接收天线单元的所有常数进行建模，k
p
表示第p个子载波处的波数，表示发送端和接收端的天线阵元之间的距离，(a)表示忽略振
幅项分母中的一些小项，r表示传输距离，R
r
表示接收端的半径，R
t
表示发送端的半径，θ
m
＝[2π(m
‑
1)/N+θ0]，φ
n
＝[2π(n
‑
1)/N+φ0]，φ0和θ0分别表示发送端和接收端第一个阵元的初始角度，N表示接收端和发射端两端天线的阵元数，1≤m≤N，1≤n≤N，表示俯仰方向上的偏差角，表示偏航方向上的偏差角，i表示虚数单位。5.根据权利要求4所述的用于通信系统中的混合机械和电子波束调向方法，其特征在于，所述S4包括：S4.1、根据旋转后的通信系统几何模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈睿，田镇洋，龙汶轩，陈敏，周嘉兴，李建东，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：