一种基于太赫兹MIMO系统的波束码本设计方法

本发明属于太赫兹通信，具体涉及一种基于太赫兹mimo系统的波束码本设计方法。

背景技术：

1、太赫兹波是频率在0.1t至10thz的电磁波，由于其频率高、空间分辨率高、保密性强的特点，在通信、医疗、安全等领域有着广泛的应用前景。多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，mimo)技术采用数十或数百个天线单元，增强了阵列增益，被认为是太赫兹系统中的一种有前途的技术。由于太赫兹波长短，大量天线元件可以封装在具有半波长天线间距的小阵列中，从而有助于补偿严重的传输损耗。早期的波束训练常采用穷举搜索法，训练时间过长，难以用于太赫兹通信。为了减少波束训练的开销，结合宽波束的多级波束训练被广泛应用于太赫兹mimo系统。然而现有的多级波束训练方法大多是启发式的或基于穷举搜索的，它们的性能优劣是通过观察波束方向图来判断的。但现在仍然缺乏波束训练性能的准确数学度量和相对应的波束训练算法。

技术实现思路

1、针对太赫兹mimo通信系统的多级波束训练问题，本发明提出了一种波束码本设计方法，即对称阵列矢量求和算法(the sum of symmetrical array response vectors，s-sarv)，该算法适用于实时设计，具有低复杂度的优势，在码本中预先定义宽波束码字进行宽波束设计，基于凸优化技术，以高性能为目标开发出s-sarv算法。

2、本发明的技术方案是：

3、一种基于太赫兹mimo系统的波束码本设计方法，定义系统中发射端与接收端的天线阵列为均匀线性阵列，发射端有nt个天线，接收端nr个天线，信道为窄带太赫兹通信信道，波束码本设计方法为：

4、采用三叉树分层码本通过底层窄波束设计上层宽波束，具体为定义代表第n层的第s个码字，s＝log3 n表示底层，即窄波束层，基于三叉树结构从s层向上设计得到顶层的宽波束，定义ω(θ-,θ))代表宽波束码字，θ-,θ)代表波束左侧角和右侧角，设定理想波束条件下在[θ-,θ)]范围内，波束的辐射能量为γ，建立宽波束逼近理想波束的模型为：

5、

6、

7、

8、其中，ε{ω(θ-,θ))}是描述理想波束和实际波束之间差距的误差度量值，

9、

10、是随角度变化的辐射能量值，是定义好的窄波束码本；

11、对模型进行求解得到宽波束码字，具体为：

12、定义波束传输中点左侧角度和波束传输中点右侧角度

13、

14、在正弦空间中对窄波束进行均匀划分为m个点，得到波束角度分布为其中

15、

16、对窄波束叠加得到宽波束码字ω(θ-,θ))，令ωm表示第m个窄波束的相移得：

17、

18、其中β表示功率缩放系数；

19、定义f(x)＝sinx，代入到和中后重新将ω(θ-,θ))表示为：

20、

21、其中为对称阵列矢量：

22、

23、该阵列的中点的相位为0，参数

24、设定β为：

25、

26、最终得到宽波束码字为

27、本发明的有益效果为，本发明基于太赫兹通信大规模mimo系统的领先优势，进行波束码本的设计。提供了宽波束码字的设计误差度量，并基于此给出了对称阵列矢量求和算法，即s-sarv算法，在多天线阵列的实时设计中能很快得出当前最佳宽波束码字。该算法适合实时设计，在实时情况给出最佳宽波束码字而后用于太赫兹通信，为太赫兹mimo通信系统波束设计方法提供了有利参考。

技术特征：

1.一种基于太赫兹mimo系统的波束码本设计方法，定义系统中发射端与接收端的天线阵列为均匀线性阵列，发射端有nt个天线，接收端nr个天线，信道为窄带太赫兹通信信道，其特征在于，包括：

技术总结
本发明属于太赫兹通信技术领域，具体涉及一种基于太赫兹MIMO系统的波束码本设计方法。由于太赫兹波的散射和反射损耗严重，视距通信被认为是太赫兹多输入多输出系统的主要通信方式。波束训练无需利用信道状态信息，通过设计波束码字就能实现波束对准，从而完成视距通信。码本设计中窄波束可以通过阵列响应向量来实现，而针对宽波束的设计，本文提出了一种实时状态下的低复杂度算法，即对称阵列矢量求和算法，能够逼近理想情况下的宽波束。本发明算法在波束方向图误差方面有着较好的性能，它相较于基于逐次凸逼近的辅助目标追踪算法具有低复杂度的优势，为太赫兹通信的波束赋形技术提供了有利的借鉴。

技术研发人员：宁博宇,谢一可,陈智
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25