【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及mimo通信，具体涉及一种超大规模mimo系统的近场全维非正交码本设计方法。
技术介绍
1、超大规模多输入多输出(extremely large multi-input multi-output，简称xl-mimo)技术可以实现超高的频谱效率，满足日益增长的无线业务需求，被认为是未来通信系统的重要技术之一。
2、在以往的研究中，为了提高信道容量和传输效率，已经提出了各种基于角度划分的远场波束码本，例如离散傅立叶变换(dft)码本，它的原理是基于频域上的正交性质，即离散傅里叶变换向量之间相互正交，通过选择合适的离散傅里叶变换向量，可以实现在发送端和接收端之间的正交传输；再如802.15.3c中应用的n比特分辨率码本，设计原理是将传输信号分为多个子载波进行传输，每个子载波对应一个编码矩阵或向量，用于将信号分配到不同的天线上，通过选择不同的编码矩阵或向量，可以实现不同的波束成形和空分复用方案。而后，一种基于近场球面波信道模型正交码本结构被提出，该结构不仅具有信道导向矢量在角度维度上的采样，还有在距离维度上的非均匀采样，近场正交码本中的码字之间具有良好的正交性，可以降低码字之间的互相干扰，并且由于码本具有稀疏性，其中的非零元素数量较少，因此信号的检测和解调过程相对简化。
3、然而，在超大规模mimo通信场景下，由于电磁波传播信道传播模型从平面波变为球面波，平面波信道模型只与角度有关，而球面波信道模型与角度和距离都有关，所以传统的远场码本对于近场球面波信道将不再有效，远场码本和近场信道之间的不匹配会带
技术实现思路
1、(一)解决的技术问题
2、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种超大规模mimo系统的近场全维非正交码本设计方法，解决了现有码本与近场信道之间不匹配或不精细匹配，以及波束的相邻区域可能遭受低波束增益的技术问题。
3、(二)技术方案
4、为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
5、一种超大规模mimo系统的近场全维非正交码本设计方法，包括：
6、构建xl-mimo通信系统，其中发射端和接收端均配备均匀平面阵列；
7、通过所述均匀平面阵列建模近场全维信道模型；
8、基于所述近场全维信道模型，以最大化波束覆盖范围内的最坏情况波束增益，获取非正交码本结构的闭合形式解，以及方位角、俯仰角和距离维度在最坏情况下的最优性能表达式。
9、优选的，还包括：
10、根据所述非正交码本结构的闭合形式解，设计相应的近场全维非正交码本，并据此设计近场全维分层波束训练方案。
11、优选的，所述xl-mimo通信系统中：
12、发射端tx和接收端rx配备的均匀平面阵列upa，分别具有ut＝mn和ur＝pq个天线，其中m和n分别表示沿方位角和俯仰角维度的tx天线的数目，p和q分别表示沿方位角和俯仰角维度的rx天线的数目；
13、对于tx和rx两者的upa，瑞利距离为菲涅尔距离为其中dt和dr分别表示tx和rx的阵列孔径，λ为信号波长；假设tx和rx具有一个rf链，从而通过移相器在模拟域中执行波束成形，则发射波束成形矢量和接收波束成形矢量的每个元素具有恒模约束。
14、优选的，所述近场全维信道模型的建模过程包括：
15、建立一个三维坐标系，其中tx阵列的中心位于原点，则tx的第(m,n)个阵列元素的坐标为：
16、ct,mn＝[0,δmdλ,δndλ]
17、其中，d表示阵列中相邻天线以载波波长为标准单位的间隔；
18、对于路径数目为l的散射环境，第l个散射体的坐标表示为：
19、cl＝[rtlsinθtlcosφtl,rtlsinθtlsinφtl,rtlcosφtl]t
20、其中，θtl和φtl分别表示离开角的俯仰角和方位角，rtl是tx阵列的中心与散射体l之间的距离；上标t表示转置；
21、利用三角形几何特征，得到tx的第(m,n)个阵列元素与散射体l之间的距离rtl：
22、
23、其中，(a)是通过maclaurin级数展开，当tx和rx之间的距离大于0.5倍菲涅耳距离时，近似(a)是准确的；
24、同理，得到rx处的第(p,q)个阵列元素与散射体l之间的距离vrl,pq：
25、
26、根据3gpp标准化协议，假设接发收机阵列的覆盖区域为：
27、
28、其中，θ和φ分别表示俯仰角和方位角，r表示接发收端的距离，rmin和rmax分别表示菲涅尔距离和瑞利距离；
29、通过使用散射射线引起的双基地雷达方程，则所述近场全维信道模型被建模为：
30、
31、其中，
32、⊙代表哈达玛乘积，表示第l条路径的系数，σl是路径l的雷达散射截面；
33、以及在tx和rx处的信道导引向量分别为：
34、
35、
36、优选的，所述基于所述近场全维信道模型，以最大化波束覆盖范围内的最坏情况波束增益，获取非正交码本结构的闭合形式解，包括：
37、利用波束增益最坏情况下性能准则来判断所设计的码字在发送端的质量，假设如下：
38、
39、其中，表示所设计的码字集合；
40、定义了任意网格(φ,θ,r)处的波束即码字at(φt,θt,rt)的归一化增益为：
41、
42、设计波束在方向上的方向，以保证最大化最坏情况下的性能求解过程包括：；
43、通过忽略信道导引矢量中的交叉项2mnsinθsinφcosθ，tx处的第(m,n)个天线与任意网格(φ,θ,r)之间的距离被重写为
44、
45、以及不考虑二次交叉项的归一化波束增益表示为：
46、
47、其中，当天线总数ut为有限且波长足够小时，上式中的近似(b)≈是精确的；
48、重新定义任意网格(φ,θ,r)处的波束(码字)at(φt,θt,rt)的归一化增益为：
49、
50、分别设计俯仰角、方位角和距离维度的采样频率为sinφ、cosθ和则码本中的码字表示为：
51、
52、
53、其中，wg表示码本中的第g个码字，α和β分别表示方位角和俯仰角的空间频率的最小值；和表示对应于方位角、俯仰角和距离维度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超大规模MIMO系统的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，包括：
3.如权利要求1或2所述的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，所述XL-MIMO通信系统中：
4.如权利要求3所述的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，所述近场全维信道模型的建模过程包括：
5.如权利要求4所述的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，所述基于所述近场全维信道模型，以最大化波束覆盖范围内的最坏情况波束增益，获取非正交码本结构的闭合形式解，包括：
6.如权利要求5所述的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，根据所设计的码字，获取所述方位角、俯仰角和距离维度在最坏情况下的最优性能表达式，分别表示为：
7.如权利要求6所述的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，所述近场全维分层波束训练方案依次在角度和距离两阶段实现：
【技术特征摘要】
1.一种超大规模mimo系统的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，包括：
3.如权利要求1或2所述的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，所述xl-mimo通信系统中：
4.如权利要求3所述的近场全维非正交码本设计方法，其特征在于，所述近场全维信道模型的建模过程包括：
5.如权利要求4所述的近场全维非正交码本...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄伟，李翠玲，徐礼政，金硕，曾勇，开彩红，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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