一种基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法技术

本发明专利技术公开了一种基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，基于DFT矩阵构建码本矩阵，根据用户端的反馈从码本中挑选出一个使接收端增益最大的码字，作为天线阵列的最佳发射或接收系数。用户端只需要按序反馈相应的信息，最后可以使得用户端获得较大的信号功率。对反馈时延的要求略低，对反馈信息的误码具有一定的容错能力；相较于穷举搜索法，时间复杂度较低，性能良好；能够对室外快速变化的信道做出良好的响应，对信道波动的鲁棒性更高，可以通过接收端的时间平均来应对无线环境的时间变化，提升整体功率增益。提升整体功率增益。提升整体功率增益。

【技术实现步骤摘要】
一种基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法


[0001]本专利技术属于通信领域，更具体地，涉及一种基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法。

技术介绍

[0002]与传统的MIMO技术不同，全息波束赋形天线阵列无法有效感知环境中的电磁波信号，无线信道信息的获取较为困难。在无线信道信息无法有效获取时，全息MIMO天线阵列发射或接收系数矩阵的确定可以采用穷举搜索法，但该方法的时间复杂度太高，如果对发射或接收系数进行q
‑
bit量化且天线单元数为L＝M*N，那么该方法的时间复杂度为O(L*2
q
)，如果天线单元数量比较多，过高的时间复杂度无法适应快速变化的信道。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，由此解决现有的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法时间复杂度高、无法适应快速变化的信道的技术问题。
[0004]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，包括：
[0005]S1，根据所述天线阵列的行数M和列数N，生成码本矩阵其中，F(M)和F(N)均为DFT矩阵；
[0006]S2，分别将所述码本矩阵中的每一列码字进行量化后作为所述天线阵列的发射或接收系数，并接收用户端反馈的接收信号强度；
[0007]S2，将接收信号强度最大的码字作为所述天线阵列的最优发射或接收系数，根据所述最优发射或接收系数对所述天线阵列进行部署。
[0008]按照本专利技术的第二方面，提供了一种基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束赋形装置，包括：
[0009]第一处理模块，用于根据所述天线阵列的行数M和列数N，生成码本矩阵其中，F(M)和F(N)均为DFT矩阵；
[0010]第二处理模块，用于分别将所述码本矩阵中的每一列码字进行量化后作为所述天线阵列的发射或接收系数，并接收用户反馈的接收信号强度；
[0011]第三处理模块，用于将接收信号强度最大的码字作为所述天线阵列的最优发射或接收系数，根据所述最优发射或接收系数对所述天线阵列进行部署。
[0012]按照本专利技术的第三方面，提供了一种基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0013]所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0014]所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
[0015]按照本专利技术的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现如第一方面所述的方法。
[0016]按照本专利技术的第五方面，提供了一种全息MIMO天线阵列的波束赋形系统，包括：控制器及天线阵列；
[0017]所述控制器用于执行如第一方面所述的方法，以得到所述天线阵列的最优发射或接收系数。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0019]1、本专利技术提供的方法，基于DFT矩阵构造构建码本矩阵，分别将码本矩阵中的每一列码字作为天线阵列的发射或接收系数，即通过一定的时序切换为不同的码字，根据用户端的反馈即可确定天线阵列的最佳发射或接收系数；用户端只需要按序反馈相应的信息，最后可以使得其获得较大的信号功率。对反馈时延的要求略低，对反馈信息的误码具有一定的容错能力。
[0020]2、本专利技术提供的方法，具有较强的普适性，可用于各种天线阵列；如果对发射或接收系数进行q
‑
bit量化且天线单元数为L＝M*N，那么该方法的时间复杂度为O(L)，相较于穷举搜索法，时间复杂度较低，性能良好。
[0021]3、本专利技术提供的方法，能够对室外快速变化的信道做出良好的响应，对信道波动的鲁棒性更高，可以通过接收端的时间平均来应对无线环境的时间变化，提升整体功率增益。
[0022]4、本专利技术提供的方法能够实现波束定向发射等功能，以及软件控制的波束方向调控，以实现信号定向覆盖、干扰抑制等功能；不仅适用于5G通信系统，同样也适用于未来的6G、WLAN等通信系统。
附图说明
[0023]图1为全息波束赋形天线系统示意图；
[0024]图2为本专利技术实施例提供的基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法流程示意图；
[0025]图3为全息MIMO天线阵列的坐标系；
[0026]图4为初始状态下天线阵列的相位雷达图；
[0027]图5为采用本专利技术实施例提供的基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法进行处理后得到的相位雷达图。
具体实施方式
[0028]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029]随着移动用户对数据的需求持续增长，移动网络也经历了日新月异的突破。相对
与第四代移动通信技术(4G)而言，第五代移动通信技术(5G)使用更高频段的电磁波传递信息。电磁波的频率升高后，穿透能力变弱，绕射、散射不明显。这就导致了射频信号覆盖困难。解决这个问题的一个思路是利用动态可调的高指向性波束来增加接收信号强度。目前，已经有一些技术可以实现电磁波的即时调控，例如对喇叭天线、阵列天线等定向辐射天线进行机械转动，或者电控扫描有源相控阵天线，即给相控阵天线各个单元连接可控有源器件，对各单元的出射相位进行控制以实现电控扫描调控电磁波。但是，前者扫描速度慢且机械需要定期维护，后者系统复杂，成本高且维护困难。
[0030]在4G的长期演进过程中，蜂窝技术已经达到了时分复用和频分复用的理论极限，因在5G中有很多方案考虑使用软件驱动的高定向性天线切分物理空间，这样使蜂窝网络中不同位置的移动手机用户能够同时共享相同的频率，即实现多用户空分复用。空分复用依赖多输入多输出(MIMO，Multiple
‑
Input
‑
Multiple
‑
Output)技术，通过发射端与接收端多根天线的发射和接收，将单一点对点信道变换成多个并行信道来处理，多个基站天线和终端天线形成一个系统，其频谱效率主要取决于并行信道数量，从而突破了点对点信道香农定理的限制，提升了系统容量和频谱效率。然而，普通MIMO需要复杂且高成本的基带单元(BBU)和数量庞大的移相器，因而存在高成本和高功耗的不足。
[0031]预计未来十年通信网络容量上会有千倍增长，无处不在的无线连接成为现实，但高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成为未来无线通信面临的关键挑战。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于DFT矩阵的全息MIMO天线阵列的波束赋形方法，其特征在于，包括：S1，根据所述天线阵列的行数M和列数N，生成码本矩阵其中，F(M)和F(N)均为DFT矩阵；S2，分别将所述码本矩阵中的每一列码字进行量化后作为所述天线阵列的发射或接收系数，并接收用户端反馈的接收信号强度；S2，将接收信号强度最大的码字作为所述天线阵列的最优发射或接收系数，根据所述最优发射或接收系数对所述天线阵列进行部署。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，采用q bit量化，量化后天线单元的相移量的计算公式为：其中，为第i个天线单元量化后的相移量，[ω0]
i
为第i个天线单元量化之前的相移量，i的取值范围为[1，M*N]。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，每隔预设时间切换所述天线阵列的发射或接收系数，所述预设时间大于系统反馈链路时延。
5.如权利要求1
‑
3任一项所述的方法，其特征在于，所述天线阵列为UPA阵列。6.如权利要求1
‑
3任一项所述的方法，其特征在于，所述接收信号强度为CQI、SNR、SINR、RSRP、R...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，李骏然，尹海帆，杨涛瑞，丁婷玉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：