基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法

本发明属于无线通信，特别涉及一种基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法。

背景技术：

1、在4g时代，多天线技术被引入，有效地提高了小区峰值速率，改善了小区的边缘覆盖性能。到了5g时代，随着部署频段的升高，天线规模进一步扩大，大规模多输入多输出(mimo)技术因而被提出，以提供更高的频谱效率，实现更好的小区覆盖性能。随着用户需求的不断增长，下一代移动通信技术即6g技术对通信系统提出了更高的性能要求，包括更高的频谱效率、更广更灵活的网络覆盖、更高的定位精度、更高的能量效率等。

2、为满足这一要求，大规模mimo技术进一步演进为超大规模mimo技术，以提供具有更高空间分辨率和处理增益的空间波束，进而提高网络的多用户复用能力和干扰抑制能力，大幅度提升系统频谱效率，实现下一代移动通信系统的性能目标。然而，由于超大规模mimo系统中超大规模天线阵列(extremely large-scale arrays,xl-array)的使用，阵列的有效孔径迅速增大。终端将处于基站阵列的瑞利距离内，基站与终端的通信属于近场区域内的通信，在上下行数据传输过程中，基站的超大规模阵列所形成的指向终端的波束属于近场波束。而现有的基站阵列波束方向图绝大部分是针对远场区域内的通信这一假设所绘制，因而在波束方向图中仅考虑了角度这一个维度。与之相对地，由于近场区域内信号的球面波传播特性，近场下的波束方向图除与角度相关外，还将与距离有关，即近场波束方向图需同时考虑角度和距离这两个维度。此外，由于维度的增加，绘制波束方向图的计算复杂度也急剧上升，需要在角度与距离这两个维度进行遍历以得到二维近场波束方向图。

技术实现思路

1、为了解决超大规模mimo系统中的近场波束方向图问题，本发明的目的是提供一种基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法，以在准确绘制出近场波束方向图的同时降低计算复杂度。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法，所述方法应用于近场通信区域内的波束方向图快速仿真，具体包括以下步骤：

4、s1、选定近场区域内波束的待测范围，在距离与角度两个维度对待测范围进行网格划分；

5、s2、基于天线阵列拓扑结构，应用泰勒展开得到网格上任意一点的近似近场场强表达；

6、s3、选取待测波束码本中的任一波束码字代入s2所得的近似近场场强表达中，并将其转换为啁啾序列乘法与卷积的基本形式；

7、s4、利用基于快速傅里叶变换的快速计算方法得到该波束码字在所选网格点的波束增益；

8、s5、对网格中所有网格点遍历执行s2-s4中的步骤，得到所选波束码字对应的近场二维波束方向图。

9、所述s1中，近场区域由天线阵列的瑞利距离以及感应场结束距离共同确定，对待测范围进行网格划分的粗细由所需波束方向图在角度与距离维度上的颗粒度确定。

10、所述s2中，天线阵列的拓扑结构为线阵，泰勒展开应用于网格点与天线阵列中各天线单元之间的距离上。

11、s2所述应用泰勒展开得到网格上任意一点的近似近场场强表达，具体为：选取网格内任意一点(φ,r)，φ为该点到基站参考天线的发射角角度，r为该点距基站参考天线的距离，此点得到的近似近场场强表达式为：

12、

13、其中，n为天线数目，n为整数且n＝0,1,…,n-1；有常数j为虚数符号，ω表示角频率，μ0表示自由空间磁导率；表示波数，λ为基站载波波长，为天线间距；sn是预先选定码本中选取的任一码字的第n个元素。

14、所述s3中，待测波束码本是预先已知的，波束码本中包含有数个波束码字。

15、所述s3中，啁啾序列乘法与卷积的基本形式由啁啾序列乘法、啁啾序列卷积以及二次啁啾序列乘法步骤构成；具体过程如下所示：

16、

17、其中，n为天线数目，n为整数且n＝0,1,…,n-1；有常数j为虚数符号，ω表示角频率，μ0表示自由空间磁导率；λ为基站载波波长，为天线间距；sn是预先选定码本中选取的任一码字的第n个元素。

18、所述s4中，基于快速傅里叶变换的快速计算方法指的是利用快速傅里叶变换实现s3啁啾序列乘法与卷积的基本形式中的啁啾序列卷积步骤，以降低计算复杂度。

19、有益效果：本发明提供的一种基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法，具有如下优点：

20、1、本发明能够充分匹配大规模天线阵列下近场区域的信号传播特点，绘制出准确的阵列近场波束方向图。

21、2、本发明能够有效地降低近场二维波束方向图的计算复杂度，实现近场波束方向图的快速仿真。

技术特征：

1.一种基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法，其特征在于，所述方法应用于近场通信区域内的波束方向图快速仿真，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法，其特征在于，所述s1中，近场区域由天线阵列的瑞利距离以及感应场结束距离共同确定，对待测范围进行网格划分的粗细由所需波束方向图在角度与距离维度上的颗粒度确定。

3.根据权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法，其特征在于，所述s2中，天线阵列的拓扑结构为线阵，泰勒展开应用于网格点与天线阵列中各天线单元之间的距离上。

4.根据权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法，其特征在于，s2所述应用泰勒展开得到网格上任意一点的近似近场场强表达，具体为：选取网格内任意一点(φ,r)，φ为该点到基站参考天线的发射角角度，r为该点距基站参考天线的距离，此点得到的近似近场场强表达式为：

5.根据权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法，其特征在于，所述s3中，待测波束码本是预先已知的，波束码本中包含有数个波束码字。

6.根据权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法，其特征在于，所述s3中，啁啾序列乘法与卷积的基本形式由啁啾序列乘法、啁啾序列卷积以及二次啁啾序列乘法步骤构成；具体过程如下所示：

技术总结
本发明公开了一种基于快速傅里叶变换的近场波束方向图快速仿真方法，包括：S1、选定近场区域内波束的待测范围，按一定颗粒度在待测范围的距离与角度两个维度进行网格划分；S2、基于天线阵列拓扑结构，应用泰勒展开得到网格上任意一点的近似近场场强表达；S3、选取待测波束码本中的任一波束码字代入S2所得近似近场场强表达中，并将其转换为啁啾序列乘法与卷积的基本形式；S4、利用基于FFT的快速计算方法得到该波束码字在所选网格点的近似近场场强；S5、对网格中所有格点遍历执行S2‑S4中的步骤，得到所选波束码字对应的近场二维波束方向图。本发明能够充分匹配XL‑array近场区的信号传播特点，在准确绘制出近场二维波束方向图的同时降低计算复杂度。

技术研发人员：阳析,朱富强
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25