一种面向无人机毫米波平台的三维波束搜索方法与流程

本发明属于无人机毫米波通信的波束成形技术领域，具体涉及一种面向无人机毫米波平台的三维波束搜索方法。

背景技术：

毫米波凭借其拥有的巨大的免许可连续带宽(30～300ghz)以及高速数据传输能力引起人们的广泛关注，是无线局域网、第五代蜂窝网络和车载网络等高数据速率应用的可靠选择。在毫米波通信系统中，通常采用波束成形技术以克服高频段带来的传输路径损耗，为了保证良好的通信性能，必须保证收发两端的波束互相对准。

然而，当毫米波信号发射端/接收端位于无人机平台时，收发端之间的三维相对运动易引起波束失配，影响通信质量，因此，收发两端进行数据传输前需要采用波束搜索以实现波束对准。面向无人机毫米波通信的波束搜索对准方法面对诸多挑战，首先搜索方法需要适用于三维空间，其次，无人机的载荷十分有限，应尽量减少通信系统的硬件重量和能量消耗，最后，为了保证通信系统的可靠性，搜索对准方法必须有较低的误匹配率。

穷举搜索是一种可靠的波束搜索方法，然而该方法的搜索复杂度过高，因此通常采用分层搜索。分层搜索采用等分法将搜索角度范围逐渐缩小，在每一层的搜索过程中，发射端将搜索区域平分为多份，并依次向不同搜索区域生成发射波束，接收端采用相同方法生成接收波束。然而，传统的分层搜索方法只适用于二维搜索空间，在三维空间中无法正常工作，因此，有必要研究一种快速高效的面向无人机毫米波通信的三维波束搜索方法，针对无人机通信系统，收发两端均采用混合波束成形系统，混合波束系统将模拟波束成形系统和数字波束成形系统的架构相融合，可以在不消耗大量元器件的情况下实现波束的准确设计。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种面向无人机毫米波平台的三维波束搜索方法，针对无人机毫米波定向通信场景，以低复杂度和高搜索效率为目标，实现三维波束实时搜索和对准。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种面向无人机毫米波平台的三维波束搜索方法，包括：

步骤一：建立收发两端均采用毫米波平面阵列时的通信信道模型；

步骤二：建立毫米波平面阵列时的三维分层搜索模型，计算三维分层搜索模型所需的搜索区域；

步骤三：计算理想波束成形矢量作为初始矢量；

步骤四：计算混合波束成形矢量；

步骤五：根据三维分层搜索模型进行搜索。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的收发两端均采用混合波束成形系统，所述混合波束系统将模拟波束成形系统和数字波束成形系统的架构相融合。

上述的步骤一所述发两端均采用毫米波平面阵列时，其接收信号表示为：

其中，y表示接收信号，p表示发射功率，h表示信道矩阵，r表示传输符号，表示发射端混合波束成形系统的波束成形矢量，由数字基带预编码向量和射频预编码矩阵组成，其中nbs代表发射端波束成形系统的射频(radiofrequency,rf)链数；表示接收端混合波束成形系统的波束成形矢量，由数字基带预编码向量和射频预编码矩阵组成，其中nms代表接收端波束成形系统的rf链数；n为均值为0，方差为σ²的加性高斯白噪声，mbs和mms分别表示发射端与接收端的天线数目。

上述的步骤一建立的收发两端均采用毫米波平面阵列时的通信信道模型为：

其中，l表示信道路径的个数，ql是第l条路径的信道增益,abs(ψh,ψv)和ams(ψ'h,ψ'v)分别是发射端和接收端的阵列响应，其中(ψh,ψv)表示信号发射角(angleofdeparture,aod)在水平域和垂直域的相位，和(ψ'h,ψ'v)表示信号到达角(angleofarrival,aoa)在水平域和垂直域的相位，[·]^h表示矩阵的共轭转置变换；

对于mbs＝mh×mv个阵元的均匀平面阵(uniformplanararray，upa)，接收端的阵列响应表示为：

其中，表示克罗内克积，abs(ψh)和abs(ψv)分别表示为：

其中，[·]^t表示矩阵的转置变换，对于mms＝mh×mv个阵元的均匀平面阵，接收端阵列响应表示为：

其中，ams(ψ′h)和ams(ψ′v)分别表示为：

上述的步骤二中，建立的三维分层搜索模型由s层组成，第s层(1≤s≤s)由2^s-1×2^s-1个子集组成，每一个子集对应一部分空间区域，令kh表示水平域中第kh个子集，kv表示垂直域中第kv个子集，则第(kh,kv)个子集对应的空间区域表示为:

其中

其中，[ψhb,ψhe]是整个模型在水平域上的覆盖范围，[ψvb,ψve]是整个模型在垂直域上的覆盖范围；

将每一个子集覆盖区域平分为4份，则第s层搜索中，第(kh,kv)个子集的第(bh,bv)个部分的覆盖范围为：

在搜索过程中，发射端采用波束成形矢量产生对应范围的波束，接收端采用产生对应范围的波束。

上述的步骤三所述计算理想波束成形矢量作为初始矢量，包括：

3.1)计算理想波束成形矩阵，计算公式如下：

其中，a(ψh,ψv)为阵列在(ψh,ψv)处的阵列增益，x(mh)为第(mh,mv)个天线阵元横坐标与天线间隔的比值，y(mv)为第(mh,mv)个天线阵元纵坐标与天线间隔的比值；

3.2)计算阵列增益，公式如下:

其中，(ωh0,ωv0)是波束覆盖区域的中点，ωhb和ωvb分别是中点距离水平域边界和垂直域边界的宽度，波束覆盖区域由步骤二得到；

3.3)计算理想波束成形矢量，公式如下：

将按照列顺序转化为该矢量即为理想波束成形矢量。

上述的步骤四所述计算混合波束成形矢量，包括：

4.1)初始化射频预编码矩阵crf与残差向量cres：crf＝[]，cres＝copt；

4.2)设置rf链的数目nrf，当i≤nrf时重复步骤4.3)-步骤4.7)；

4.3)更新射频预编码矩阵：crf＝[crf,υ(cres)]，其中υ(cres)为cres经过量化后的矢量，量化值集合为{e^-jπ/2,1,e^jπ/2,e^jπ}；

4.4)计算cres中的最大元素ma和最小元素mi：

4.5)计算系数：δ'＝mean[cres(j)/υ(cres)(j)]，其中j＝find[|cres|≥(ma+mi)/2]；

4.6)计算残差系数：如果|δ'|＞(ma+mi)/2，则δ＝(δ'/|δ'|)((ma+mi)/2)，否则δ＝δ'；

4.7)更新残差：cres＝cres-δυ(cres)；

4.8)结束迭代后，计算基带预编码向量：

4.9)归一化基带预编码向量：cbb＝cbb/||cbb||2；

4.10)根据最新的crf和cbb得到最终混合波束成形矢量c＝crfcbb。

上述的步骤五所述根据三维分层搜索模型进行搜索，包括：

5.1)初始化参数，令s＝0，(kh,kv,k′h,k′v)＝(1,1,1,1)；

5.2)发射端采用bh∈{1,2}，bv∈{1,2}顺序生成4个发射波束，接收端采用b′h∈{1,2}，b′v∈{1,2}顺序生成4个接收波束；

5.3)根据步骤5.2)得到的波束，共可以生成4×4个接收信号y，选择可以产生最大信号功率的发射和接收波束成形矢量，记录此时bh，bv，b′h和b′v的值；

5.4)更新数值，kh＝2(kh-1)+bh，kv＝2(kv-1)+bv，k′h＝2(k′h-1)+b′h，k′v＝2(k′v-1)+b′v，s＝s+1；

5.5)进入下一层搜索，并重复步骤5.2)-步骤5.4)，直到得到需要的波束分辨率。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明通过将搜索域拓展为三维空间，使其能够实现三维空间内的波束搜索和对准，更加适用于三维飞行无人机毫米波通信场景。

2)本发明结合波束设计和傅里叶级数法设计理想波束成形矢量，在考虑系统复杂度和效率的情况下，设计了面向混合波束成形系统的毫米波波束设计方法。

附图说明

图1是本发明基于毫米波混合波束成形系统的结构框图；

图2是本发明方法的流程图；

图3是本发明搜索模型中的空间区域划分图；

图4是本发明的理想波束成形矩阵；

图5是采用本发明中波束成形矢量后的波束方向仿真图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参见图2，本发明的一种面向无人机毫米波平台的三维波束搜索方法，包括：

步骤一：建立收发两端均采用毫米波平面阵列时的通信信道模型；所述收发两端均采用混合波束成形系统，所述混合波束系统将模拟波束成形系统和数字波束成形系统的架构相融合。

步骤二：建立毫米波平面阵列时的三维分层搜索模型，计算三维分层搜索模型所需的搜索区域；

步骤三：计算理想波束成形矢量作为初始矢量；

步骤四：计算混合波束成形矢量；

步骤五：根据三维分层搜索模型进行搜索。

实施例中，步骤一所述发两端均采用毫米波平面阵列时，其接收信号表示为：

其中，y表示接收信号，p表示发射功率，h表示信道矩阵，r表示传输符号，表示发射端混合波束成形系统的波束成形矢量，由数字基带预编码向量和射频预编码矩阵组成，其中nbs代表发射端波束成形系统的射频链数；表示接收端混合波束成形系统的波束成形矢量，由数字基带预编码向量和射频预编码矩阵组成，其中nms代表接收端波束成形系统的rf链数；n为均值为0，方差为σ²的加性高斯白噪声，mbs和mms分别表示发射端与接收端的天线数目。

实施例中，所述步骤一建立的收发两端均采用毫米波平面阵列时的通信信道模型为：

其中，l表示信道路径的个数，ql是第l条路径的信道增益,abs(ψh,ψv)和ams(ψ'h,ψ'v)分别是发射端和接收端的阵列响应，其中(ψh,ψv)表示信号发射角在水平域和垂直域的相位，和(ψ'h,ψ'v)表示信号到达角在水平域和垂直域的相位，[·]^h表示矩阵的共轭转置变换；

对于mbs＝mh×mv个阵元的均匀平面阵，接收端的阵列响应表示为：

其中，表示克罗内克积，abs(ψh)和abs(ψv)分别表示为：

其中，[·]^t表示矩阵的转置变换，对于mms＝mh×mv个阵元的均匀平面阵，接收端阵列响应表示为：

其中，ams(ψ′h)和ams(ψ′v)分别表示为：

实施例中，所述步骤二中，建立的三维分层搜索模型由s层组成，第s层(1≤s≤s)由2^s-1×2^s-1个子集组成，每一个子集对应一部分空间区域，令kh表示水平域中第kh个子集，kv表示垂直域中第kv个子集，则第(kh,kv)个子集对应的空间区域表示为:

其中

其中，[ψhb,ψhe]是整个模型在水平域上的覆盖范围，[ψvb,ψve]是整个模型在垂直域上的覆盖范围；

将每一个子集覆盖区域平分为4份，则第s层搜索中，第(kh,kv)个子集的第(bh,bv)个部分的覆盖范围为：

在搜索过程中，发射端采用波束成形矢量产生对应范围的波束，接收端采用产生对应范围的波束。

实施例中，步骤三所述计算理想波束成形矢量作为初始矢量，包括：

3.1)计算理想波束成形矩阵，计算公式如下：

其中，a(ψh,ψv)为阵列在(ψh,ψv)处的阵列增益，x(mh)为第(mh,mv)个天线阵元横坐标与天线间隔的比值，y(mv)为第(mh,mv)个天线阵元纵坐标与天线间隔的比值；

3.2)计算阵列增益，公式如下:

其中，(ωh0,ωv0)是波束覆盖区域的中点，ωhb和ωvb分别是中点距离水平域边界和垂直域边界的宽度，波束覆盖区域由步骤二得到；

3.3)计算理想波束成形矢量，公式如下：

将按照列顺序转化为该矢量即为理想波束成形矢量。

实施例中，步骤四所述计算混合波束成形矢量，本发明结合混合波束成形系统实现框架，具体包括：

4.1)初始化射频预编码矩阵crf与残差向量cres：crf＝[]，cres＝copt；

4.2)设置rf链的数目nrf，当i≤nrf时重复步骤4.3)-步骤4.7)；

4.3)更新射频预编码矩阵：crf＝[crf,υ(cres)]，其中υ(cres)为cres经过量化后的矢量，量化值集合为{e^-jπ/2,1,e^jπ/2,e^jπ}；

4.4)计算cres中的最大元素ma和最小元素mi：

4.5)计算系数：δ'＝mean[cres(j)/υ(cres)(j)]，其中j＝find[|cres|≥(ma+mi)/2]；

4.6)计算残差系数：如果|δ'|＞(ma+mi)/2，则δ＝(δ'/|δ'|)((ma+mi)/2)，否则δ＝δ'；

4.7)更新残差：cres＝cres-δυ(cres)；

4.8)结束迭代后，计算基带预编码向量：

4.9)归一化基带预编码向量：cbb＝cbb/||cbb||2；

4.10)根据最新的crf和cbb得到最终混合波束成形矢量c＝crfcbb。

实施例中，步骤五所述根据三维分层搜索模型进行搜索，包括：

5.1)初始化参数，令s＝0，(kh,kv,k′h,k′v)＝(1,1,1,1)；

5.2)发射端采用bh∈{1,2}，bv∈{1,2}顺序生成4个发射波束，接收端采用b′h∈{1,2}，b′v∈{1,2}顺序生成4个接收波束；

5.3)根据步骤5.2)得到的波束，共可以生成4×4个接收信号y，选择可以产生最大信号功率的发射和接收波束成形矢量，记录此时bh，bv，b′h和b′v的值；

5.4)更新数值，kh＝2(kh-1)+bh，kv＝2(kv-1)+bv，k′h＝2(k′h-1)+b′h，k′v＝2(k′v-1)+b′v，s＝s+1；

5.5)进入下一层搜索，并重复步骤5.2)-步骤5.4)，直到得到需要的波束分辨率。

下面具体通过附图和实施例来说明本发明面向毫米波无人机通信平台的三维波束搜索方法。

本实施例以第一层搜索为例，其中发射端与接收端均采用阵元数目为mbs＝mms＝21×21，rf链数目为nbs＝nms＝5的upa阵列(如图1所示)，载波频率为60ghz毫米波，阵元间距为半波长，传输信道为块衰落信道，令l＝1，q＝1，发射功率为pbs＝30dbm，收发端波束成形矢量满足要求||c||2＝||w||2＝1，发射端的相位(ψh,ψv)＝(π/18,π/18)，接收端的相位(ψ′h,ψ′v)＝(π/18,π/18)，收发端的搜索范围均为[ψhb,ψhe]＝[-π/2,π/2]，[ψvb,ψve]＝[-π/2,π/2]。

本实施例包括以下步骤：

步骤一：建立毫米波波束通信的信道模型，具体如下：

1.1)计算发射端21×21个阵元upa的阵列响应：

同样，计算接收端阵列响应：

1.2)计算收发两端均采用upa下的通信信道模型：

步骤二：建立毫米波平面阵列时的三维分层搜索模型，计算三维分层搜索模型所需的搜索区域，具体如下：

2.1)第一层搜索中s＝1，可得2^s-1＝1，因此子集的编号初始化为kh＝kv＝1。

2.2)计算该子集的覆盖区域：

其中

2.3)将该子集划分为4部分，计算每个部分的覆盖区域：

步骤三：计算理想波束成形矢量，具体如下：

3.1)计算理想波束形成矩阵：

其中mh＝1:21，mv＝1:21，根据步骤3.1)和步骤3.2)分别计算4个覆盖区域对应的波束形成矩阵，将获得的大小为21×21的矩阵各点取模，可得到如图4的散点图。

3.2)计算阵列增益：

3.3)将理想波束成形矩阵按照列顺序转化为的波束成形矢量，即为理想波束成形矢量。

步骤四：计算混合波束成形系统的混合波束成形矢量，具体如下：

4.1)初始化射频预编码矩阵crf与残差向量cres：crf＝[]，cres＝copt。

4.2)设置rf链的数目nrf，当i≤nrf时重复以下步骤4.3)-步骤4.7)。

4.3)更新射频预编码矩阵：crf＝[crf,υ(cres)]。

4.4)计算cres中的最大元素和最小元素：

4.5)计算系数：δ'＝mean[cres(j)/υ(cres)(j)]。

4.6)计算残差系数δ。

4.7)更新残差：cres＝cres-δυ(cres)。

4.8)结束迭代后，计算基带预编码向量：

4.9)归一化基带预编码向量：cbb＝cbb/||cbb||2。

4.10)根据最新的crf和cbb得到最终混合波束成形矢量c＝crfcbb。

步骤五：带入波束成形矢量，运行搜索流程，具体如下：

5.1)设s＝0，(kh,kv,k′h,k′v)＝(1,1,1,1)。

5.2)发射端采用bh∈{1,2}，bv∈{1,2}，接收端采用b′h∈{1,2}，b′v∈{1,2}。

5.3)根据步骤5.2)得到的波束，可以生成4×4个接收信号y，其中

y＝w^hhc+w^hn

选择可以产生最大信号功率的发射和接收波束成形矢量，记录此时bh，bv，b′h和b′v的值，得bh＝2，bv＝2，b′h＝2，b′v＝2。

5.4)更新数值，kh＝2(kh-1)+bh＝2，kv＝2(kv-1)+bv＝2，k′h＝2(k′h-1)+b′h＝2，k′v＝2(k′v-1)+b′v＝2，s＝s+1＝2。

5.5)进入下一层搜索，根据步骤二到步骤四重新计算波束成形矢量，并重复步骤5.2-5.4)直到得到需要的波束分辨率。

本实施例得到的效果可以通过图5仿真实验中所获得的波束形状进行进一步说明。图5对应波束成形矢量c(3,3,3,1,1)所设计的波束，可以看出，该波束覆盖形状满足搜索模型的要求，在阵元数目增大时，波束形状逐渐趋于理想情况，拥有较高的平均波束增益，覆盖区域外的波束增益几乎为零，能降低对于其他三个波束的干扰，有效提高搜索效果。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。