CN116015375B 一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户波束跟踪方法 （东南大学）

一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用本发明给出了一种基于辅助波束的毫米波构建毫米波多用户下行通信信号接收模型和毫发射差分波束作为辅助波束并引入和差比率估跟踪开销获得更大的波束跟踪范围并提供高精2其中yk表示第k个用户的接收信号；Fwecar和分别表示基站端的模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵；表示第k个用户用于接收基站信号的模拟输信号向量，满足P为基站的总发射功率；me表示第k个用户接收到的FBB的第k列，则基站对第k个用户的波束跟踪是设计最匹配于Hk的fk和wk，建立优化问题如3采用所述第一种方法对步骤(2)中构建的优化问题进行求解的子步(3.1.1)定义t时刻基站发射的通信波束指向为η,定义t+1时刻的用户的信道AoD为θ,Δ简化表示为4定义将ζ对z求导得当|θ-η|≤δ时，30,则根据ζ的反函数得到当|θ-η|>δ时，分别在θ-η<-δ以及θ-η>δ两个单调区间内进行反函数运算得到θ波束时的接收噪声向量构成的矩阵；定义u⃞axa(5(c)定义矩阵计算y在A的每一列上的投影并从中选取最大采用所述第二种方法对步骤(2)中构建的优化问题进行求解的子步6Information，CSI)是必要的，但是在现阶段大规模多输入多输出(MultipleInputand计开销获取CSI的方法被广泛采用。所谓的波束训练即为用户端寻找最匹配用户与基站间的训练开销，这是由于目标用户处在移动状态，基站端需要不断实时获取CSI并根据实时[0005]文献[1]在毫米波大规模MIMO通信架构下，提出了一种利用辅助波束进行信道估[0006][1]ZhuD，ChoiJ，HeathRW.AuxiliaryBeamPairEnabledAoDandAoAEstimationinClosed-loopLarge-scalemmWaveMIMOSystems[J].IEEE[0007][2]ZhuD，ChoiJ，QianC，etal.High-ResolutionAngleTrackingforMobileWidebandMillimeter-WaveSystemswithAntennaArrayCalibration[J]7并获取高精度的信道AoD估计，本发明给出了一种基于辅助波束的毫米波阵列通信多用户建毫米波多用户通信下行信号接收模型和毫米波通信下行信道模型的方[0016]其中yk表示第k个用户的接收信号；FneecNcar和分别表示基站端的模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵；表示第k个用户用于接收基站信号的到的零均值加性复高斯白噪声向量且满足nx~CN(0,ofIW,):(·)H表示共轭转置运算。8lIf=1,IlwlI⃞=1[0030]进一步的，采用所述第一种方法对步骤[0031]步骤(3.1.1)，定义t时刻基站发射的通信波束指9[0050]利用导数划分区间：当|θ-η|≤δ时，s[0052]当|θ-η|＞δ时，影>0,说明度量比率ζ在θ-η<-δ以及θ-η>δ时为单调递增函数，此时在两个单调区间内分别进行反函数运算得到θ的xΔLΦ⃞[a(N,),a(N,所),a(N,成),a(N,丽)],定义矩阵则构建下行信号传输的小维度稀疏模型探测波束时的接收噪声向量构成的矩阵；定义u⃞axa(N,v)"w为一个与视距径路径增[0067]进一步的，采用所述第二种方法对步骤(2)中构建的优化问题进行求解的方法如η)＝e-jπM(θ-η)p1(θ,η)[0088](1)相比于现有的波束跟踪方案，本发明通过复用通信波束并构建小维度稀疏模[0089](2)本发明通过设计辅助波束为差分波束，提出了另一种基于辅助波束的波束跟波束跟踪方案与本发明步骤(3.2)中提出的波束跟踪方案和文献[2]方案的用户平均和速波束跟踪方案与本发明步骤(3.2)中提出的波束跟踪方案和文献[2]方案波束跟踪结果的波束跟踪方案与本发明步骤(3.2)中提出的波束跟踪方案和文献[2]方案的用户平均和速波束跟踪方案与本发明步骤(3.2)中提出的波束跟踪方案和文献[2]方案波束跟踪结果的表示第k个用户用于接收基站信号的模拟波束成形向量；Hzec"t表示基P表示基站端的信号发射功率；nrec"r表示第k个用户接收到的零均值加性复高斯白噪声[0100](1.2)假设基站端与第k个用户设备间具有Lk条路径，采用如下信道模型对步骤[0106](2.1)定义表示基站指向第k个用户的混合波束成形向量，lIf=1,IlwlI⃞=1是通过基站发射差分波束作为辅助波束对步骤(2.1)中构建的优化问题进行求解，包含在[0115](3.1)利用所述第一种方法对步骤(2.1)中构建的优化问题进行求解的具体方法[0116](3.1.1)定义t时刻基站发射的通信波束指向为η,定义t+1时刻的用户的信道AoD[0136]当|θ-η|＞δ时，影>0,说明度量比率ζ在θ-η<-δ以及θ-η>δ时为单调递增函数，此时在两个单调区间内分别进行反函数运算得到θ的xΔL算6(Gnn+5)和B(Gnn+5),为简化符号表示，定义和定义矩阵则构建下行信号传输的小维度稀疏模型探测波束时的接收噪声向量构成的矩阵；定义u⃞axa(N,,v)"w为一个与视距径路径增[0145]s.t.l,=1[0150]则对上述优化问题的一个有效求解思路便是使得向量Faw,(o)单位化后在y上的[0154](3.2.1)传统基于辅助波束的波束跟踪算法共需在2个时隙里分别使用左侧波束atη)＝e-jπM(θ-η)p1(θ,η)[0172]即说明该波束跟踪方法的跟踪范围是2/M或4δ。对多个用户采用时分多址的方式分布，即aq,x~CN(0,1),从径的信道增益也服从复高斯分布，且能量为主径的1/10，即ax~CN(0,0.1),i*1。令蒙特卡罗仿真次数为105。[0174]图2描述了从t时刻到t+1时刻信道AoD的变化量Δθ服从[-2δ,2δ]间均匀分布时，CSI的性能，这是因为本发明提出的两种方法的波束跟踪范围均要大于等于4δ,而文献[2]信噪比时第一种方法的MSE稍劣于第二种方法，这是因为噪声会第一种方法中小维度稀疏当SNR大于0dB时即可逼近理想CSI这一上限，这是因为Δθ~U[-3δ,3δ]需要波束跟踪范围达到6δ才可实现理想波束跟踪，而这已经超过了文献[2]方法和本发明提出的第二种方法[0177]图5描述了信道AoD的变化量Δθ~U[-3δ,3δ]时，不同方案波束跟踪结果的MSE比因为文献[2]方案和本发明提出的第二种方法的波束跟踪范围均小于6δ,而当用户运动到法。由于本发明提