【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信，具体涉及一种柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，适用于基站配备超大规模柱状天线阵列的近场通信场景。
技术介绍
1、超大规模天线阵列(elaa)可以提供额外的空间分辨率，从而极大提高频谱效率，因此其被认为是6g通信中最重要的技术之一。6g通信的另一个显著特点是其使用的频率可能远高于以往的通信系统。虽然6g通信会带来许多新的可能性，比如增强现实(ar)、虚拟现实(vr)等。但其带来了许多新的问题。例如，elaa技术的出现不仅意味着天线数量的增加，天线孔径也随之增大。因此，6g通信中的瑞利距离可能会达到几十米甚至上百米，这意味着近场通信在下一代通信系统中将会非常普遍。
2、近场通信与传统远场通信最大的区别在于其电磁波模型。在传统的远场通信场景中，电磁波往往被近似为平面波模型，而在近场中，电磁波的球面波特性不可被忽略。球面波模型与传统平面波模型最大的区别在于，对于平面波我们只能控制其角度，而球面波不仅仅与角度有关，同时与距离有关，我们可以在角度与距离两个维度对其进行控制。鉴于基于球面波的近场通信提供了额外的距离分辨率，传统的远场波束导向已经发展到近场波束聚焦，即与只能控制波束方向的远场波束成形不同，基于球面波前的近场通信中，我们可以同时控制波束的方向和距离，使信号的能量可以集中在某个位置，从而可以显着提高能源效率并减少能量损失。在近场波束成型研究中，基于预定义码本的方案经常被使用，这是由于借助预定义码本，我们可以在不进行信道估计的情况下实现波束成型，考虑到用户不断移动时我们很难获得准确的信道状态
3、经对现有技术的文献检索发现，z.ding等人在《ieee wireless communicationsletters}，vol.12，no.8，pp.1429-1433，aug.2023(ieee无线通信快报，第12卷，第8期，第1429-1433页，2023年8月)》上发表了题为“noma-based coexistence of near-field andfar-field massive mimo communications”一文，该文研究了非正交多址接入(noma)系统在远近场共存的情况下的性能，通过求解以最大化系统速率为目标的资源分配优化问题，证明了远近混合场noma系统可以有效的在保证进场用户的服务质量的情况下得到较高的用户和速率。另检索发现，emil等人在《202155th asilomar conference onsignals，systems，and computers，2021，pp.105-112.(第55届asilomar信号，系统和计算机年度会议，2021年，第105-112页)》上发表了题为“a primer on near-fieldbeamforming for arrays and reconfigurable intelligent surfaces”一文，该论文研究了在发送端配备有单天线以及智能反射面的情况下，近场波束成型应该如何进行，并进一步推断了近可实现波束聚焦的近场范围，然而该文章并没有进一步提出有效的波束成型方案，并且在实际通信系统中，天线阵列往往采用比单天线结构更加复杂的结构。在实际通信系统中，柱状天线的应用十分广泛，因为其可以固定在许多物体的表面使用。然而，作为实际通信系统中十分常用的天线阵列形式，柱状天线阵列在以往的近场相关工作中还未被涉及。
技术实现思路
1、解决的技术问题：本专利技术聚焦于近场超大规模柱状天线阵列系统，提出了一种柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，能够有效地表征近场柱状天线阵列的波束成型增益，并且本专利技术所提出的码本可以很好的满足码字之间相关性的约束，并且可以有效将信号聚焦到预期位置。
2、技术方案：
3、一种柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，所述近场波束成型与码本设计方法包括以下步骤：
4、步骤a，对近场柱状天线阵列进行建模，利用三维极坐标表征阵列阵元以及用户的位置关系，并通过用户与天线阵列的几何位置关系，化简得出波束聚焦矢量的表达式；
5、步骤b，根据波束聚焦矢量的关系式，分别在仰角域、方位角域以及距离域计算波束成形增益，并利用三角关系式和泰勒展开式化简得到仰角域、方位角域以及距离域的波束成型增益的闭式解；
6、步骤c，通过控制聚焦于不同位置的波束聚焦矢量的相关性，分别得到仰角域、方位角域以及距离域的抽样方法；
7、步骤d，在获取码本时，先对仰角域进行抽样，在仰角抽样值对应的平面上获取方位角抽样值与距离抽样值，最终获得用于近场柱状天线阵列波束成型的三维码本。
8、进一步地，步骤a中，对近场柱状天线阵列进行建模，利用三维极坐标表征阵列阵元以及用户的位置关系，并通过用户与天线阵列的几何位置关系，化简得出波束聚焦矢量的表达式的过程包括以下步骤：
9、步骤a1，对近场柱状天线阵列进行建模：
10、在近场下行传输场景下，发送端配备有柱状阵列，柱状阵列由由2m+1个相同的均匀圆阵构成，柱状阵列关于z＝0平面对称，即z＝0平面上下侧各分布有m个均匀圆阵，每个均匀圆阵含有n个元素，每个均匀圆阵的半径表示为r，每层均匀圆阵之间的距离为d；天线阵列上第m个均匀圆阵上的第n个天线元素表示为柱状阵列上的第(n，m)个元素，其中m∈{-m，-m+1，…，m-1，m}，n∈{0，1，…，n}；在此场景下，单天线用户从发送端接收到的信号y为：
11、y＝hhvx+n
12、式中，h为信道向量，v为波束成型向量，x为传输的信号，n为方差为δ的加性高斯白噪声；
13、步骤a2，利用三维极坐标来表示用户与天线元素的几何位置，用户位置表示为其中，r为用户到天线阵列中心的距离，θ为用户位置关于天线阵列中心的仰角，为用户位置关于天线阵列中心的方位角；每个均匀圆阵上第n个元素的方位角φn表示为：第m个均匀圆阵对应的仰角θm表示为：
14、步骤a3，用户位置y对应的波束聚焦矢量b(y)表示为：
15、
16、式中，λ是波长，为柱状天线阵列的总层数，其满足r(m，n)代表了用户与柱状阵列中的第(n，m)个元素之间的距离，表示为：
17、
18、进一步地，步骤b中，根据波束聚焦矢量的关系式，分别在仰角域、方位角域以及距离域计算波束成形增益，并利用三角关系式和泰勒展开式化简得到仰角域、方位角域以及距离域的波束成型增益的闭式解的过程包括以下步骤：
19、步骤b1，利用泰 勒展开式对用户与柱状阵列中的第(n，m)个元素之间的距离r(m，n)进行化简：
20、
21、步骤b2，在仰角域，控制用户的距离与方位角不变，对于匹配滤波器波束成型，将波束成型增益看作两个波束聚焦向量的相关性，对于聚焦于用户位置与用户位置的两个波束聚焦矢量，其波束成型增益g*(y1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，其特征在于，所述近场波束成型与码本设计方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，其特征在于，步骤A中，对近场柱状天线阵列进行建模，利用三维极坐标表征阵列阵元以及用户的位置关系，并通过用户与天线阵列的几何位置关系，化简得出波束聚焦矢量的表达式的过程包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，其特征在于，步骤B中，根据波束聚焦矢量的关系式，分别在仰角域、方位角域以及距离域计算波束成形增益，并利用三角关系式和泰勒展开式化简得到仰角域、方位角域以及距离域的波束成型增益的闭式解的过程包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，其特征在于，步骤C中，通过控制聚焦于不同位置的波束聚焦矢量的相关性，分别得到仰角域，方位角域以及距离域的抽样方法的过程包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，其特征在于，步骤D中，用于近场柱状天线阵列波束成型的三
...【技术特征摘要】
1.一种柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，其特征在于，所述近场波束成型与码本设计方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，其特征在于，步骤a中，对近场柱状天线阵列进行建模，利用三维极坐标表征阵列阵元以及用户的位置关系，并通过用户与天线阵列的几何位置关系，化简得出波束聚焦矢量的表达式的过程包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的柱状天线阵列的近场波束成型与码本设计方法，其特征在于，步骤b中，根据波束聚焦矢量的关系式，分别在仰角...
【专利技术属性】
技术研发人员：王小明，张辰熙，蒋锐，徐友云，张子谦，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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