CN118264294A - 波束成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种波束成形方法及装置，通过对基站的发射角进行离散化处理，获得离散化的第一角度集合；根据第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，并获取最大轨道覆盖长度对应的最大轨道位置覆盖范围、角度覆盖范围；在角度覆盖范围内，对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，获得满足最大轨道位置覆盖范围的码字数量，并获得波束成形向量，完成波束成形。解决了相关技术中，在波束成形过程中，存在波束易失准、无法保证接收端信噪比平稳变化的问题，达到了减少波束切换次数以降低波束失准风险，并保证接收端信噪比始终保持在一定阈值之上且变化平稳的效果。

Description

波束成形方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及通信领域，具体而言，涉及一种波束成形方法及装置。

背景技术

随着高铁等交通产业的发展，高速移动环境中的通信日益受到人们关注。终端高速移动导致信道相干时间从非高速场景中常见的毫秒级缩短至微秒级，进而导致有限的信号处理时间内，信道估计、波束训练、波束跟踪等常见信道状态信息获取方法可能无法实现。而波束切换仅需根据对终端位置的估计，根据码本依次使用码字实现波束切换，复杂度更低，所需上行链路反馈次数更少，相较于上述方法更适合高速移动场景，因此受到了广泛研究。

在高速移动场景下，对波束切换中的波束成形设计的研究仍然较少。且现存研究主要局限于对波束宽度的设计，较少考虑波束成形设计；主要局限于最大化平均可达速率，或降低各波束间平均可达速率的差异，而较少考虑对每个终端位置处的接收端信噪比进行设计。因此，现有技术中，在波束成形过程中存在波束易失准、无法保证接收端信噪比平稳变化等缺陷。

发明内容

本发明实施例提供了一种波束成形方法及装置，以至少解决相关技术在波束成形过程中，存在波束易失准、无法保证接收端信噪比平稳变化的问题。

根据本发明的一个实施例，提供了一种波束成形方法，包括：对基站的发射角进行离散化处理，获得离散化的第一角度集合；根据所述第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，并获取所述最大轨道覆盖长度对应的最大轨道位置覆盖范围、角度覆盖范围；在所述角度覆盖范围内，对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，获得满足所述最大轨道位置覆盖范围的码字数量，并获得波束成形向量，完成波束成形。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种波束成形装置，包括：角度离散模块，用于对基站的发射角进行离散化处理，获得离散化的第一角度集合；覆盖计算模块，用于根据所述第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，并获取所述最大轨道覆盖长度对应的最大轨道位置覆盖范围、角度覆盖范围；处理成形模块，用于在所述角度覆盖范围内，对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，获得满足所述最大轨道位置覆盖范围的码字数量，并获得波束成形向量，完成波束成形。

根据本发明的又一个实施例，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。

根据本发明的又一个实施例，还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

通过本发明，提供了一种波束成形方法，通过对基站的发射角进行离散化处理，获得离散化的第一角度集合；根据第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，并获取最大轨道覆盖长度对应的最大轨道位置覆盖范围、角度覆盖范围；在角度覆盖范围内，对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，获得满足最大轨道位置覆盖范围的码字数量，并获得波束成形向量，完成波束成形。解决了相关技术中，在波束成形过程中，存在波束易失准、无法保证接收端信噪比平稳变化的问题，达到了减少波束切换次数以降低波束失准风险，并保证接收端信噪比始终保持在一定阈值之上且变化平稳的效果。

附图说明

图1是本发明实施例的一种波束成形方法的计算机终端的硬件结构框图；

图2是根据本发明实施例的波束成形的流程图；

图3是根据本发明实施例的对每个码字进行处理的流程图；

图4是根据本发明实施例的波束成形装置的结构框图；

图5是根据本发明实施例的波车成形装置的覆盖计算模块的结构框图；

图6是根据本发明实施例的波车成形装置的处理成形模块的结构框图；

图7是根据本发明场景实施例的高速移动无线通信***模型示意图；

图8是根据本发明场景实施例的收发端几何关系示意图；

图9是根据本发明场景实施例的码字的波束覆盖区域示意图；

图10是根据本发明场景实施例的波束切换的流程图；

图11是根据本发明场景实施例的波束成形方法的流程图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明的实施例。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本申请实施例中所提供的方法实施例可以在移动终端、计算机终端或者类似的运算装置中执行。以运行在移动终端上为例，图1是本发明实施例的一种波束成形方法的计算机终端的硬件结构框图。如图1所示，计算机终端可以包括一个或多个(图1中仅示出一个)处理器102(处理器102可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置)和用于存储数据的存储器104，其中，上述计算机终端还可以包括用于通信功能的传输设备106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述计算机终端的结构造成限定。例如，计算机终端还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。

存储器104可用于存储计算机程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如本发明实施例中的波束成形方法对应的计算机程序，处理器102通过运行存储在存储器104内的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至计算机终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

传输装置106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括计算机终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输装置106包括一个网络适配器(Network Interface Controller，NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输装置106可以为射频(Radio Frequency，RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

下面对现有技术方法中的方案和缺点进行介绍：

针对高铁场景，现有技术提出了一种毫米波***中的波束切换方法。该方法根据列车车速的估计值确定波束切换时间，通过调整波束宽度在两个指标——覆盖区域内的平均可达速率与对列车速度估计误差的鲁棒性之间实现了权衡，但假设了每个波束的波束宽度相同，且每个波束具有理想的波束增益分布，即未考虑波束成形设计。同时，由于距离越大自由路径损耗越大，且波束角度越偏离天线阵列法线，天线阵列有效面积越小，波束增益相同时，距基站较远的轨道位置处的接收端信噪比其实远低于近点处的接收端信噪比。也即，该方法因假设了每个波束相同，而导致接收端信噪比随终端位置的变化较大。

针对上一个方法存在的接收端信噪比不平稳的问题，另外一种方法通过优化每个波束的波束宽度，最小化相邻波束间的平均可达速率差距，最终令接收端信噪比随终端位置的变化更为平稳。但是，该方法依然采用了理想的波束增益分布模型，仅设计波束宽度，并未真正实现波束成形设计，且仅考虑波束间平均可达速率的差距最小化，并未考虑单个波束覆盖范围内的可达速率变化(即单个波束覆盖范围内的接收端信噪比)。值得指出的是，若要令单个波束覆盖范围内的可达速率更为平稳(即令单个波束覆盖范围内的接收端信噪比更为平稳)，就必须要对该波束的波束成形向量进行设计。

进而，在第一种方法的基础上，现有技术中还有通过优化每个波束的波束宽度最大化覆盖范围内的平均可达速率，但并未考虑波束成形设计与单个波束覆盖范围内接收端信噪比的平稳变化。现有技术中还有通过优化每个波束的波束宽度在可达速率(即接收端信噪比)与波束失准风险之间实现权衡，但并未考虑波束成形设计。

截至目前，在高速移动场景下，对波束切换中的波束成形设计的研究仍然较少。且现存研究主要局限于对波束宽度的设计，较少考虑波束成形设计；主要局限于最大化平均可达速率，或降低各波束间平均可达速率的差异，而较少考虑对每个终端位置处的接收端信噪比进行设计。因此，如何对波束成形进行设计，减少波束切换次数以降低波束失准风险，同时令接收功率随终端位置的变化更为平稳且始终保持在一定信噪比阈值之上，是一项值得研究的课题。

有鉴于现有技术中的上述问题，在本实施例中提供了一种运行于上述计算机终端的波束成形方法，图2是根据本发明实施例的波束成形的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S202，对基站的发射角进行离散化处理，获得离散化的第一角度集合；

步骤S204，根据第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，并获取最大轨道覆盖长度对应的最大轨道位置覆盖范围、角度覆盖范围；

步骤S206，在角度覆盖范围内，对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，获得满足最大轨道位置覆盖范围的码字数量，并获得波束成形向量，完成波束成形。

通过上述步骤，提供了一种波束成形方法，通过对基站的发射角进行离散化处理，获得离散化的第一角度集合；根据第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，并获取最大轨道覆盖长度对应的最大轨道位置覆盖范围、角度覆盖范围；在角度覆盖范围内，对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，获得满足最大轨道位置覆盖范围的码字数量，并获得波束成形向量，完成波束成形。解决了相关技术中，在波束成形过程中，存在波束易失准、无法保证接收端信噪比平稳变化的问题，达到了减少波束切换次数以降低波束失准风险，并保证接收端信噪比始终保持在一定阈值之上且变化平稳的效果。

其中，上述步骤的执行主体为基站。

在一个示例性实施例中，根据第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，包括：根据波束增益分布阈值模型，将预设的接收端信噪比阈值转换成波束增益分布阈值向量；根据波束增益分布阈值向量对第一角度集合进行筛选，获得满足波束增益分布函数的第二角度集合；根据第二角度集合中的最小角度值和最大角度值，计算最大轨道覆盖长度。

在一个示例性实施例中，根据波束增益分布阈值向量对第一角度集合进行筛选，获得满足波束增益分布函数的第二角度集合，包括：将第一角度集合中的发射角的角度值输入波束增益分布函数，每个角度值对应的函数输出结果作为波束增益分布阈值向量的元素，组成波束增益分布阈值向量；判断波束增益分布阈值向量的每一个元素是否小于或者等于1，将所有小于或者等于1的元素所对应的基站的发射角组成第二角度集合。

在一个示例性实施例中，根据第二角度集合中的最小角度值和最大角度值，计算最大轨道覆盖长度，包括：

获取第二角度集合中的最小角度值和最大角度值计算最大轨道覆盖长度：

其中，d_max为最大轨道覆盖长度，D为基站到接收端行驶轨道的距离，

在一个示例性实施例中，图3是根据本发明实施例的对每个码字进行处理的流程图，如图3所示，对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，包括：

步骤S302，扩大当前码字对应的波束的角度覆盖范围，根据所角度覆盖范围获得当前码字的波束成形向量，判断波束成形向量的波束增益在角度覆盖范围内是否均大于波束增益阈值，若满足，则继续扩大当前码字对应的波束的角度覆盖范围，直至波束成形向量的波束增益在角度覆盖范围内存在小于波束增益阈值的角度位置；

步骤S304，将最后一次满足波束成形向量的波束增益在角度覆盖范围内均大于波束增益阈值时对应的角度覆盖范围，作为当前码字的最大角度覆盖范围，并获得当前码字的轨道位置覆盖范围，完成轨道位置覆盖范围最大化处理；

步骤S306，将最后一次满足波束成形向量的波束增益在角度覆盖范围内均大于波束增益阈值时对应的波束成形向量，作为当前码字的波束成形向量，以完成接收端信噪比波动最小化处理；

步骤S308，判断当前码字的轨道位置覆盖范围是否满足所述最大轨道位置覆盖范围，若不满足，则对下一码字对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和信噪比波动最小化处理；若满足，则当前码字的编号为满足最大轨道位置覆盖范围的码字数量。

在一个示例性实施例中，扩大当前码字对应的波束的角度覆盖范围，包括：建立当前码字的最大角度覆盖索引；根据最大角度覆盖索引确定角度覆盖范围的最大角度，将最大角度设置为波束主瓣曲线与波束增益阈值曲线的交点对应的角度，完成对角度覆盖范围的扩大。

在一个示例性实施例中，扩大当前码字对应的波束的角度覆盖范围，包括：建立当前码字的最大角度覆盖索引；根据最大角度覆盖索引确定角度覆盖范围的最大角度，将最大角度设置为角度覆盖范围中原始最大角度的下一个角度，完成对角度覆盖范围的扩大。

在一个示例性实施例中，将最后一次满足波束成形向量的波束增益在角度覆盖范围内均大于波束增益阈值时对应的波束成形向量，作为当前码字的波束成形向量，包括：使用交替最小化算法，计算使得当前码字在角度覆盖范围内的波束增益与波束增益分布阈值的均方误差最小化的波束成形向量，作为当前码字的波束成形向量，完成接收端信噪比波动最小化处理。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

在本实施例中还提供了一种波束成形装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图4是根据本发明实施例的波束成形装置的结构框图，如图4所示，该波束成形装置40包括：角度离散模块410，用于对基站的发射角进行离散化处理，获得离散化的第一角度集合；覆盖计算模块420，用于根据第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，并获取最大轨道覆盖长度对应的最大轨道位置覆盖范围、角度覆盖范围；处理成形模块430，用于在角度覆盖范围内，对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，获得满足最大轨道位置覆盖范围的码字数量，并获得波束成形向量，完成波束成形。

在一个示例性实施例中，图5是根据本发明实施例的波车成形装置的覆盖计算模块的结构框图，如图5所示，覆盖计算模块420包括：阈值转换单元510，用于根据波束增益分布阈值模型，将预设的接收端信噪比阈值转换成波束增益分布阈值向量；角度筛选单元520，用于根据波束增益分布阈值向量对第一角度集合进行筛选，获得满足波束增益分布函数的第二角度集合；长度计算单元530，用于根据第二角度集合中的最小角度值和最大角度值，计算最大轨道覆盖长度。

在一个示例性实施例中，图6是根据本发明实施例的波车成形装置的处理成形模块的结构框图，如图6所示，处理成形模块430，包括：码字循环处理单元610，用于扩大当前码字对应的波束的角度覆盖范围，根据角度覆盖范围获得当前码字的波束成形向量，判断波束成形向量的波束增益在角度覆盖范围内是否均大于波束增益阈值，若满足，则继续扩大当前码字对应的波束的角度覆盖范围，直至波束成形向量的波束增益在角度覆盖范围内存在小于波束增益阈值的角度位置；第一处理单元620，用于将最后一次满足波束成形向量的波束增益在角度覆盖范围内均大于波束增益阈值时对应的角度覆盖范围，作为当前码字的最大角度覆盖范围，并获得当前码字的轨道位置覆盖范围，完成轨道位置覆盖范围最大化处理；第二处理单元630，用于将最后一次满足波束成形向量的波束增益在角度覆盖范围内均大于波束增益阈值时对应的波束成形向量，作为当前码字的波束成形向量，以完成接收端信噪比波动最小化处理；循环判断单元640，用于判断当前码字的轨道位置覆盖范围是否满足最大轨道位置覆盖范围，若不满足，则返回码字循环处理单元，对下一码字对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理；若满足，则当前码字的编号为满足最大轨道位置覆盖范围的码字数量。

需要说明的是，上述各个模块、单元是可以通过软件或硬件来实现的，对于后者，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块、单元以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。

本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。

在一个示例性实施例中，上述计算机可读存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。

本发明的实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

在一个示例性实施例中，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。

本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及示例性实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

为了使得本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体的场景实施例进行阐述。

场景实施例一

图7是根据本发明场景实施例的高速移动无线通信***模型示意图，如图7所示，假设***中有一个按直线高速行驶的终端和一座与终端通信的基站。假设基站侧的天线阵列为均匀线性阵列，阵列共有N_T根天线。假设终端顶部配有一根天线。

记基站天线阵列的中心点为发射端，终端顶部天线为接收端。图8是根据本发明场景实施例的收发端几何关系示意图，如图8所示，设发射端到终端行驶轨道的距离为D，收发端距离为r，收发端连线与天线阵列法线的夹角为ψ，收发端连线与终端行驶轨道的夹角为θ，终端的位置为x。对于终端位置x，建立如图8所示的坐标系，设发射端到轨道的垂点为坐标原点0，原点左侧x＞0，右侧x＜0。对于夹角ψ，设天线阵列法线左侧的ψ为正角度，右侧的ψ为负角度，

图8所示的各个变量之间的关系用公式表示为：

在本场景实施例中，将产生波束的波束成形方式称为码字，假设基站侧存在由N个码字组成的码本。在与终端通信时，基站根据对终端位置的估计结果依次运行码本中的码字以发射波束，确保终端始终被基站发射的波束所覆盖。

图9是根据本发明场景实施例的码字的波束覆盖区域示意图，如图9所示，第i个码字对应的波束覆盖区域，i＝1，...，N。设其对应的波束的角度覆盖范围为对应的波束的轨道位置覆盖范围为对应的轨道覆盖长度为d_i。上述各变量的关系为：

图10是根据本发明场景实施例的波束切换的流程图，如图10所示，具体过程为：设当前时隙为t，基站运行码字i以发射波束，通过参数估计等方法获得终端下一时隙位置的估计值若基站将执行波束切换，运行码字i+1以发射波束，i＝1，...，N-1。值得指出的是，码字数N即基站需执行的波束切换次数。

本发明中，基站对终端的总轨道覆盖长度为：

场景实施例二

在本场景实施例中，对本发明实施例采用的数学运算模型进行介绍。

(1)接收功率模型

本发明采用的信道模型为大尺度衰落模型，设终端接收功率为P_Rx，该功率可建模为：

P_Rx(ψ)[dBm]＝P_Tx[dBm]+G_Rx[dB]+G_Tx(ψ)[dB]-L(ψ)[dB]，

其中，G_Tx(ψ)、G_Rx分别为发射天线阵列增益、接收天线增益，P_Tx为发射功率，L(ψ)为路径损耗。本发明采用的路径损耗模型为：

其中，r₀为参考距离，为在参考距离r₀处的自由空间路径损耗，n为路径损耗指数，X_σ为一个代表阴影衰落的对数正态项，即X_σ＝10log₁₀ξ。

为简化对技术方案的描述，本发明将上述接收功率模型整理为：

P_Rx(ψ)[dBm]＝K[dBm]+G_Tx(ψ)[dB]+10nlog₁₀cosψ

P_Rx(ψ)＝KG_Tx(ψ)cosⁿψ

其中，可视作与后续技术方案无关的系数。

(2)噪声功率模型

本发明采用的噪声功率模型为：

P_noise＝kT₀BF_Noise，

P_noise[dBm]＝-174+10log₁₀B+F_Noise[dB]，

其中，k为玻尔兹曼常数，T₀为室温290K，10log₁₀kT₀＝-174，B为***带宽，F_Noise为接收端噪声系数。

(3)接收端信噪比模型

本发明采用的接收端信噪比模型为：

SNR(ψ)[dB]＝PR_x(ψ)[dBm]-P_noise[dBm]，

(4)码字模型

本发明利用数字预编码进行波束成形设计，将码字i建模为波束成形向量 且存在功率约束||f_i||₂＝1，其中||·||₂表示向量的2-范数。

针对码字i，i＝1，…，N，本发明采用的波束增益分布模型为：

其中，下标i表示码字i，上标H表示对向量进行共轭转置操作，a(N_T，ψ)为阵列导向矢量，|·|表示对复数取模。阵列导向矢量模型为：

其中，上标T表示对向量进行转置操作，N表示阵列天线数，φ表示阵列导向的角度。

针对码字i，i＝1，…，N，本发明采用的发射天线阵列增益模型为：

其中，cosψ表示天线阵列有效面积修正项。

(5)波束增益分布阈值模型

本发明要求每个终端位置处的接收端信噪比应大于一个信噪比阈值γ_SNR：

其中，γ_SNR为一个预设的正常数。

上述对接收信噪比的要求，可转变为对各码字波束增益分布的要求，即：

根据上式，可将波束增益分布阈值建模为：

(6)设计目标模型

本发明的设计对象为：码字数N，各码字对应的波束成形向量f_i，i＝1，...，N，各码字对应的波束角度覆盖范围

本发明考虑的约束条件为：

1)波束成形向量功率约束：

||f_i||₂＝1，i＝1，...，N；

2)波束增益分布约束：

3)波束角度覆盖范围约束：

其中值得指出的是，为函数G_i(ψ)与γ(ψ)的交点，即：

且在角度覆盖范围以外，允许G_i(ψ)＜γ(ψ)。

本发明的设计目标为：

1)最大化基站对终端的总轨道覆盖长度d：

2)在上述约束条件的限制下，以最少的码字数N，实现目标1)中的最大总轨道覆盖长度，即最大化每个码字对应的波束的轨道位置覆盖范围：

3)对于码字i，最小化各码字覆盖范围内接收端信噪比的波动：

场景实施例三

在本场景实施例中，根据场景实施例二的数学模型，对本发明实施例的波束成形方法的据图流程进行介绍。

图11是根据本发明场景实施例的波束成形方法的流程图，如图11所示，本场景实施例中波束成形方法主要有三个步骤：步骤0中，将连续的角度区间离散化为M个角度，降低后续优化问题的求解难度。在步骤(2)中，求出给定接收端信噪比阈值下的最大轨道覆盖长度，以及最大长度对应的轨道位置、角度覆盖范围。在步骤(3)中，本发明使用最少的码字数覆盖步骤(2)中求得的轨道位置范围，并保证在覆盖范围内的接收端信噪比总是大于阈值，且接收信噪比随终端位置的变化平稳。

各步骤具体内容如下所述：

(1)为方便后续优化问题的求解，将连续的角度区间离散化为M个角度(M＞＞N_T，N)：

根据上述离散角度，进行以下操作，将相关变量离散化：

(1.1)限制角度其中，表示角度φ₁，...，φ_M构成的集合。离散化角度集合，

(1.2)建立波束导向矢量矩阵

A＝[a(N_T，φ₁)，...，a(N_T，φ_M)].

该矩阵用于后续生成波束增益分布向量。

(1.3)根据波束增益分布阈值模型，建立波束增益分布阈值向量：

γ＝[γ(φ₁)，...，γ(φ_M)]^T.

该向量用于与后续生成的波束增益分布向量作比较。后续生成的波束增益分布向量应大于这一阈值向量γ，以保证波束覆盖范围内的接收端信噪比总是大于阈值。

(2)在约束条件限制下，求解设计目标一，最大化基站对终端的总轨道覆盖长度，并求出最大长度对应的轨道位置、角度覆盖范围。根据接收端信噪比阈值转换成波束增益分布阈值向量。

(2.1)对于波束增益分布阈值向量γ中的每一个元素γ(φ_m)，检查其是否小于等于1，即是否γ(φ_m)≤1。将所有满足γ(φ_m)≤1的元素φ_m放入集合Φ_S，即：

Φ_S＝{φ_m|γ(φ_m)≤1，1≤m≤M}.

需要指出的是，波束增益分布函数G_i(ψ)的最大值为1，即波束在任意角度ψ上的波束增益最大不超过1。因此，任何令波束增益分布阈值大于1，即令γ(ψ)＞1的角度，都无法满足约束条件2)G_i(ψ)≥γ(ψ)，因此不可能被码字对应的波束所覆盖，应当被舍去。根据波束增益分布阈值向量对所述离散化角度集合进行筛选。

(2.2)选择集合Φ_S中最小的角度作为最大的角度作为即：

需要指出的是，波束增益分布阈值函数γ(ψ)为凸函数，即实际上仅会存在两点满足：而对于任意γ(φ_m)＜1。Φ_S实际上为：

(2.3)将基站对终端的最大轨道覆盖长度设置为：最小的角度作为最大的角度作为计算：

(3)在约束条件限制下，求解设计目标二和设计目标三，使用最少的码字数覆盖步骤(2)中求得的角度覆盖范围并保证在覆盖范围内的接收端信噪比总是大于阈值，且接收信噪比随终端位置的变化平稳。

其中，步骤(3.1)-(3.6)用于初始化相关变量。步骤(3.7)用于扩大码字i对应波束的角度覆盖范围。步骤(3.8)通过交替最小化算法，在步骤(3.7)确定的角度覆盖范围之内，令码字i对应的实际波束增益分布逼近波束增益分布阈值即方误差最小。步骤(3.9)-(3.10)用于切换待设计的码字并输出结果。

(3.1)初始化循环变量i，令i＝1。

(3.2)初始化角度变量令

(3.3)初始化码字i对应的波束成形向量fi。

该步骤利用DFT码字初始化f_i。首先将波束成形向量设置为指向角度的DFT码字，随后不断平移码字，直至该码字对应波束的角度覆盖范围达到最大。

(3.3.1)令循环变量

(3.3.2)建立波束成形向量：

f₀＝a(N_T，φ_j).

(3.3.3)建立波束成形向量f₀对应的波束增益分布向量g₀：

g₀＝|A^Hf₀|，

其中，|·|表示对向量的每一个元素取模。

(3.3.4)若令f_i＝f₀，并令循环次数j加一，即j←j+1，执行步骤(3.3.2)。反之，若执行步骤(3.4)。

其中，x(m)表示向量x的第m个元素。

(3.4)根据波束成形向量f_i，初始化波束增益分布向量

g_i＝A^Hf_i.

(3.5)根据波束增益分布向量g_i，初始化辅助向量

其中，∠·表示对复数取角度。

(3.6)初始化角度变量

(3.6.1)将设置为集合中最小的索引，即令：

上述操作意味着求出波束增益分布g_i与波束增益分布阈值γ的一个交点，并将其作为的初始值。

(3.6.2)令

(3.7)扩大码字i对应波束的角度覆盖范围，并建立相关辅助变量。该步骤通过两种方法扩大角度覆盖范围。第一种为：将角度覆盖范围中的最大角度设置为波束主瓣曲线与波束增益阈值曲线的交点(指除点之外的另一个交点)对应的角度。该方法可快速扩大角度覆盖范围。第二种为：将设置为原最大角度的下一个角度，即令该方法可在第一种方法失效时，较为缓慢地扩大角度覆盖范围。

(3.7.1)建立辅助变量第i个码字的最大角度覆盖索引m_E，

令

(3.7.2)若则修改m_E的值，令反之，若则保持m_E的值。

(3.7.3)建立角度选择向量若φ_m在角度覆盖范围内，则s_i(m)＝1，反之s_i(m)＝0，即：

(3.7.4)建立权重向量

其中，w₁与w₂为两个预设的波束增益分布和阈值的差值的权重值，w₁＞＞w₂。

(3.8)通过交替最小化算法，令码字i对应的实际波束增益分布A^Hf_i，逼近扩大后的角度覆盖范围内的波束增益分布阈值其中，表示哈达玛积。在本步骤中，根据(3.7)的角度范围，通过凸优化求解，获得波束成形向量，判断向量在角度范围内是否满足波束增益大于阈值的要求，满足则继续扩大角度覆盖范围，如果不满足则第i个码字结束。

(3.8.1)令循环变量t＝1。设置一个极小值∈，设置最大循环次数T_max。建立辅助变量v_old、v_new。初始化v_new为v_new＝0.001。

(3.8.2)令v_old＝v_new。

(3.8.3)采用任意凸优化求解器，如Mosek、SDPT3、SeDuMi等，求解如下凸优化问题：

s.t||f||₂≤1，

求解得到优化结果

(3.8.4)根据优化结果更新波束增益分布向量g_i：

(3.8.5)根据波束增益分布向量g_i，更新辅助向量η_i：

(3.8.6)根据优化结果与辅助向量η_i，更新辅助变量v_new：

(3.8.7)令循环次数t加一，t←t+1。若循环次数t≤T_max且|v_old-v_new|/v_old≥∈，则执行步骤(3.8.2)。反之，执行步骤(3.9)。

(3.9)若对于任意1≤m≤M，|g_i(m)|≥s_i(m)γ(m)，则令令并执行步骤(3.7)。反之，执行步骤(3.10)。

(3.10)若令令循环次数i加一，i←i+1，并执行步骤(3.2)。反之，求得码字数为i，即N＝i。

对于上述步骤，存在如下替换方案：

步骤(3)从角度开始，从小角度到大角度逐一设计码字。该步骤也可改为从开始，从大角度到小角度逐一设计码字。

步骤(3.8.3)为较为基础的凸优化问题，可采用任意凸优化求解器求解，或任意凸优化算法求解。也可由如下步骤替换：

其中，diag(w_i)表示以向量w_i为对角的对角矩阵。

步骤(3.8.3)中的优化问题可以改为：

或：

或其余任何尝试最小化实际波束增益分布A^Hf与理想波束增益分布的表达式。

场景实施例四

在本场景实施例中，结合具体的仿真条件与结果，对本发明实施例采用的技术方案进行阐述。

在本场景实施例中，对比本发明方案和传统DFT码字波束成形方案以及仅优化波束宽度的波束成形方案，在给定接收端信噪比阈值的条件下，使用实际波束增益与波束增益阈值的均方误差和相同轨道覆盖范围下使用的码字个数两个指标进行方案性能的对比。从对比结果可以得出，本发明方案在两个指标上性能均优于传统DFT码字波束成形方案以及仅优化波束宽度的波束成形方案。以接收端信噪比阈值设置为10dB为例，本方案的实际波束增益与波束增益阈值的均方误差相比传统DFT码字波束成形方案减小约54％，相比仅优化波束宽度的波束成形方案减小约9％；使用的码字个数相比传统DFT码字波束成形方案减少14个，相比仅优化波束宽度的波束成形方案减少2个。改变接收端的信噪比阈值设置时，本方案仍然具有性能收益。

综上，本发明提供了一种波束成形方法及装置，本发明实施例具有以下改进技术特征：1)本发明针对高速移动无线通信中的波束切换提出一种波束成形方法，对每个波束的波束宽度及波束增益分布进行优化，填补了相关研究的空白。2)本发明通过波束成形设计，令接收端信噪比逼近预设的信噪比阈值，从而令接收端信噪比随终端位置的变化更为平稳。3)本发明通过波束成形设计，令接收端信噪比始终保持在一定阈值之上。4)本发明提出的波束成形方法可最大程度减少波束切换次数，进而降低波束失准风险。

本发明实施例提供的技术方案的关键点在于：(1)根据大尺度衰落模型建立波束增益分布阈值函数，并通过设计波束成形向量，令波束增益逼近阈值函数。(2)在设计波束成形向量以逼近阈值函数时，在循环迭代的过程中不断扩大待逼近的角度覆盖范围，并要求波束成形设计产生的实际波束增益分布始终在阈值函数上方。

本发明实施例提供的技术方案相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

1)本发明针对高速移动无线通信中的波束切换提出一种波束成形方法，对每个波束的波束宽度及波束增益分布进行优化，填补了相关研究的空白。

2)本发明提出的波束成形方案，不局限于对波束宽度的优化，而是通过优化波束成形向量，最小化波束增益分布与阈值间的均方误差，其从而令接收端信噪比随终端位置的变化更为平稳，为高速移动的终端提供了更稳定的通信服务。

3)本发明提出的波束成形方法，通过令各角度上的波束增益分布逼近阈值，即通过逼近一个凸波束增益分布阈值函数，实现了发射功率在各个角度上的有效分配，避免了DFT等现有方案中出现的功率在某些角度上存在浪费的情况，从而可以最大程度地扩大覆盖范围。当每个码字的覆盖范围都被最大化，整体使用的码字数自然也会最大程度地减少，从而最小化了波束切换次数。波束切换次数减少后，波束失准的风险也随之降低，从而使得基站与终端间的通信更为可靠。

本发明实施例提供的技术方案可以应用于任意采用大尺度衰落模型作为信道模型，为波束切换设计波束成形的应用，如：(1)高速铁路场景下的波束成形；(2)高速公路场景下的波束成形。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种波束成形方法，其特征在于，包括：

对基站的发射角进行离散化处理，获得离散化的第一角度集合；

根据所述第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，并获取所述最大轨道覆盖长度对应的最大轨道位置覆盖范围、角度覆盖范围；

在所述角度覆盖范围内，对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，获得满足所述最大轨道位置覆盖范围的码字数量，并获得波束成形向量，完成波束成形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，包括：

根据波束增益分布阈值模型，将所述预设的接收端信噪比阈值转换成波束增益分布阈值向量；

根据所述波束增益分布阈值向量对所述第一角度集合进行筛选，获得满足波束增益分布函数的第二角度集合；

根据所述第二角度集合中的最小角度值和最大角度值，计算所述最大轨道覆盖长度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据波束增益分布阈值向量对所述第一角度集合进行筛选，获得满足波束增益分布函数的第二角度集合，包括：

将所述第一角度集合中的所述发射角的角度值输入所述波束增益分布函数，每个所述角度值对应的函数输出结果作为所述波束增益分布阈值向量的元素，组成所述波束增益分布阈值向量；

判断所述波束增益分布阈值向量的每一个元素是否小于或者等于1，将所有小于或者等于1的元素所对应的基站的发射角组成所述第二角度集合。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据第二角度集合中的最小角度值和最大角度值，计算所述最大轨道覆盖长度，包括：

获取所述第二角度集合中的最小角度值和最大角度值计算所述最大轨道覆盖长度：

其中，d_max为最大轨道覆盖长度，D为基站到接收端行驶轨道的距离，

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，包括：

扩大当前码字对应的波束的角度覆盖范围，根据所述角度覆盖范围获得所述当前码字的波束成形向量，判断所述波束成形向量的波束增益在所述角度覆盖范围内是否均大于波束增益阈值，若满足，则继续扩大所述当前码字对应的波束的所述角度覆盖范围，直至波束成形向量的波束增益在所述角度覆盖范围内存在小于波束增益阈值的角度位置；

将最后一次满足波束成形向量的波束增益在所述角度覆盖范围内均大于波束增益阈值时对应的所述角度覆盖范围，作为所述当前码字的最大角度覆盖范围，并获得所述当前码字的轨道位置覆盖范围，完成所述轨道位置覆盖范围最大化处理；

将最后一次满足波束成形向量的波束增益在所述角度覆盖范围内均大于波束增益阈值时对应的所述波束成形向量，作为所述当前码字的波束成形向量，以完成所述接收端信噪比波动最小化处理：

判断所述当前码字的所述轨道位置覆盖范围是否满足所述最大轨道位置覆盖范围，若不满足，则对下一码字对应的波束进行所述轨道位置覆盖范围最大化处理和所述信噪比波动最小化处理；若满足，则所述当前码字的编号为满足所述最大轨道位置覆盖范围的所述码字数量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述扩大当前码字对应的波束的角度覆盖范围，包括：

建立所述当前码字的最大角度覆盖索引；

根据所述最大角度覆盖索引确定所述角度覆盖范围的最大角度，将所述最大角度设置为波束主瓣曲线与波束增益阈值曲线的交点对应的角度，完成对所述角度覆盖范围的扩大。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述扩大当前码字对应的波束的角度覆盖范围，包括：

建立所述当前码字的最大角度覆盖索引；

根据所述最大角度覆盖索引确定所述角度覆盖范围的最大角度，将所述最大角度设置为所述角度覆盖范围中原始最大角度的下一个角度，完成对所述角度覆盖范围的扩大。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将最后一次满足波束成形向量的波束增益在所述角度覆盖范围内均大于波束增益阈值时对应的所述波束成形向量，作为所述当前码字的波束成形向量，包括：

使用交替最小化算法，计算使得所述当前码字在所述角度覆盖范围内的波束增益与波束增益分布阈值的均方误差最小化的所述波束成形向量，作为所述当前码字的波束成形向量，完成所述接收端信噪比波动最小化处理。

9.一种波束成形装置，其特征在于，包括：

角度离散模块，用于对基站的发射角进行离散化处理，获得离散化的第一角度集合；

覆盖计算模块，用于根据所述第一角度集合和预设的接收端信噪比阈值计算基站的最大轨道覆盖长度，并获取所述最大轨道覆盖长度对应的最大轨道位置覆盖范围、角度覆盖范围；

处理成形模块，用于在所述角度覆盖范围内，对每个码字所对应的波束进行轨道位置覆盖范围最大化处理和接收端信噪比波动最小化处理，获得满足所述最大轨道位置覆盖范围的码字数量，并获得波束成形向量，完成波束成形。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述覆盖计算模块，包括：

阈值转换单元，用于根据波束增益分布阈值模型，将所述预设的接收端信噪比阈值转换成波束增益分布阈值向量；

角度筛选单元，用于根据所述波束增益分布阈值向量对所述第一角度集合进行筛选，获得满足波束增益分布函数的第二角度集合；

长度计算单元，用于根据所述第二角度集合中的最小角度值和最大角度值，计算所述最大轨道覆盖长度。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述处理成形模块，包括：

码字循环处理单元，用于扩大当前码字对应的波束的角度覆盖范围，根据所述角度覆盖范围获得所述当前码字的波束成形向量，判断所述波束成形向量的波束增益在所述角度覆盖范围内是否均大于波束增益阈值，若满足，则继续扩大所述当前码字对应的波束的所述角度覆盖范围，直至波束成形向量的波束增益在所述角度覆盖范围内存在小于波束增益阈值的角度位置；

第一处理单元，用于将最后一次满足波束成形向量的波束增益在所述角度覆盖范围内均大于波束增益阈值时对应的所述角度覆盖范围，作为所述当前码字的最大角度覆盖范围，并获得所述当前码字的轨道位置覆盖范围，完成所述轨道位置覆盖范围最大化处理；

第二处理单元，用于将最后一次满足波束成形向量的波束增益在所述角度覆盖范围内均大于波束增益阈值时对应的所述波束成形向量，作为所述当前码字的波束成形向量，以完成所述接收端信噪比波动最小化处理；

循环判断单元，用于判断所述当前码字的所述轨道位置覆盖范围是否满足所述最大轨道位置覆盖范围，若不满足，则返回所述码字循环处理单元，对下一码字对应的波束进行所述轨道位置覆盖范围最大化处理和所述接收端信噪比波动最小化处理；若满足，则所述当前码字的编号为满足所述最大轨道位置覆盖范围的所述码字数量。

12.一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中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述权利要求1至8任一项中所述的方法。

13.一种电子装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述权利要求1至8任一项中所述的方法。