本发明涉及一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法、装置、存储介质及设备，具体涉及一种基于频带分配的有效补偿动态波束斜视的码本波束传输方法、装置、存储介质及设备，属于无线通信。
背景技术：
1、5g作为第五代无线移动通信，相比第四代lte(long term evolution，第四代移动通信技术)，其数据传输速率可提高近百倍。毫米波可提供ghz的频谱带宽，可以提高数据传输速率，被认为是5g的关键技术之一。但是5g毫米波频段的信号与传统的6ghz以下频段的信号有很大的不同，会经历严重的传播损耗。大规模天线波束成形技术对补偿信号衰减，并维持稳定的通信链路起到了关键作用。
2、相控阵列天线的设计在超宽带通信系统中面临着挑战。同一波束方向上，不同频率的波束增益也不同，特别是最大频率和最小频率的波束增益与载波频率的波束增益相比，均大大下降，这就是波束斜视，降低了相控阵列天线系统的可用带宽。现有的一些消除或减少波束斜视的方法中，考虑的是静态目标的情形下，对波束斜视进行补偿。然而，静态情形下已经补偿波束斜视的波束在动态情形下依然会产生新的斜视，因此需要考虑动态情形下波束斜视的补偿问题。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种基于频带分配的有效补偿动态波束斜视的码本波束传输方法，能够有效地补偿动态波束斜视。
2、为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的。
3、一方面，本发明提供一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，包括以下步骤：
4、步骤s1，以波束中心方向无偏斜及相邻且不叠加的码本结构为前提，确定每个波束中心方向及左右边界，由载波频率得到波束中心方向增益最大的波束；
5、步骤s2，对每个中心方向发生偏移的波束进行优化设计补偿斜视，基于最大化波束中心方向带宽内最小波束增益，限制波束增益随频率的波动范围，得到最优解x，x表示矩阵；
6、步骤s3，根据最优解x得到数字波束，将数字波束拆分为包括两个模拟波束，采用基于开关切换的两倍相移器阵列结构实现模拟波束到数字波束赋形的转换；
7、步骤s4，对高速移动的目标用户，选择与目标用户方向最近的两组模拟波束，分配不同的频带传输相同数据信号，以实现动态波束的斜视补偿；
8、结合第一方面，进一步地，本发明码本波束传输方法还包括步骤s5：基于频带分配的码本波束传输的实现，对数据流进行修改。
9、结合第一方面，进一步地，所述步骤s1具体包括：以波束在中心方向没有波束斜视(即在波束中心方向的频率域内的半功率波束宽度刚好是带宽大小)及波束与波束之间是相邻且不叠加的码本结构为前提条件，确定每个波束中心方向及左右边界。
10、所述确定码本各个波束中心方向及左右边界的具体方法为：
11、在给定空间范围内，以波束增益在固定范围波动确定码本各个波束的空间方向，使各个波束空间上相邻且不重叠；用θ表示天线阵列基站发射角的正弦，给定目标用户的移动范围θ∈[-1，1]，移动范围即整个动态区域若干波束组成的码本空间上要覆盖这个范围的方向，给定系统带宽频率范围是载波中心频率为fc，则带宽为b＝fmax-fmin；考虑相对于天线阵列基站发射角θ＝0对称的码本设计，以θ∈[0,1]为例，波束码本表示为
12、其中，为码本中的单个波束，为一个列向量，j表示虚部单位，i＝1,…,n，n表示码本中波束的数量，θi,o为码本波束wi的波束中心方向，[·]t表示向量的转置，m为天线个数；令波束wi的3db波束空间范围为[θi,l,θi,r]，θi,l表示波束wi覆盖范围的左边界，θi,r表示波束wi覆盖范围的右边界；通过载波的中心频率fc快速获得在中心方向达到最大波束增益的模拟波束的相移βm＝2πfcc-1(m-1)dθo，m＝1,…,m，其中，c是光速，d是相邻天线的间距，并且对于任意的θo，此波束的3db波束宽度此类方法以下简称为快速生成波束方法；
13、根据快速生成波束的波束增益表达式中θ和f的关系，f表示任意频率，如果则波束中心方向θo处所有频率的信号增益均在3db波束范围内，即在θo方向未发生波束偏移，根据码本波束覆盖范围相邻且不重叠的要求，即θi,l＝θi-1,r，θi,r＝θi+1,l，以此类推，得到的所有波束中心方向θ1＝{θ1,o,…,θi,o}，并用快速生成波束相移的方法得到波束码本对于则需要设计波束满足在θo方向不发生波束偏移，即θo方向所有频率的信号增益都在3db范围内，且此时设计的3db波束宽度δ3db与θo有关，需满足波束宽度此时以此类推得到波束码本对应的波束中心方向θ2＝{θi+1,o,…,θn,o}；
14、根据空间θ∈[-1，1]范围内的码本波束个数是偶数或者奇数，分别对以上算法进行初始化；以θ∈[0,1]为例进行说明，当码本波束个数是偶数时，则θ1,l＝0，并且由于肯定成立，因此第一个波束肯定成立；当空间θ∈[-1，1]范围内的码本波束个数是奇数，则θ1,o＝0。
15、结合第一方面，进一步地，所述步骤s2具体包括：对波束中心方向θ2＝{θi+1,o,…,θn,o}的波束码本中的波束分别进行优化设计补偿波束斜视。
16、定义θn,o为波束wn的中心方向，i+1≤n≤n；考虑每个wn的优化过程都一样，为方便描述，将优化的变量wn简写成w，相应的波束中心方向θn,o简写成θo。为了满足在波束中心方向θo带宽内所有频率的信号增益都在3db范围内，优化问题需满足条件其中a(f,θo)是均匀线性阵列的导向矢量，[·]h表示矩阵或向量的共轭转置，基于此条件建立如下优化问题：
17、
18、
19、
20、其中，w、γ是需要优化的波束及参数，wm表示模拟波束向量w中的第m个元素；根据表达式wha(f,θ0)ah(f,θ0)w＝tr(a(f,θ0)ah(f,θ0)·wwh)，tr(a(f,θ0)ah(f,θ0)·wwh)表示矩阵a(f,θ0)ah(f,θ0)·wwh的迹，令x＝wwh，则x是半正定矩阵，且矩阵x的秩rank(x)＝1，原优化问题变成半正定规划sdp(semi-definite program，半正定规划)问题，优化变量由w转变为x；
21、sdp:
22、
23、
24、
25、由于约束条件rank(x)＝1是非凸的，通过半正定规划松弛得到sdr(semidefiniterelaxation，半正定松弛)问题，即去掉rank约束条件，
26、sdr:
27、
28、
29、
30、sdr问题通过软件工具求得最优解x。
31、结合第一方面，进一步地，所述步骤s3具体包括：
32、由于sdr问题的最优解x的秩不为1，无法直接特征值求得模拟波束向量w；用στ表示矩阵x第τ次对角线上元素之和，且-(m-1)≤τ≤(m-1)，τ＞0表示矩阵x右上对角线，τ＜0表示矩阵x的左下对角线，τ＝0表示矩阵x的主对角线；στ具体表示为
33、
34、表示的m×m托普利兹矩阵，即只在第τ次对角线上的元素为1，其余元素为0；得到στ之后，根据如下关系式得到数字波束向量v＝[v0,v1,…,vm-1]t；
35、
36、其中，复数表示复数vm的共轭，f(x)是由στ为系数构成的m-1次多项式函数。令f(x)＝0，根据多项式系数στ求得多项式的根xm，再根据以下多项式函数y(x)的根zm，求得以下多项式的系数即为v＝[v0,v1,…,vm-1]t；
37、其中zm可以取值xm或者
38、根据上述方法得到数字波束向量v＝[ν0,v1,…，νm,…,vm-1]t，通过每根天线的两个相移器的相位来控制v中每个元素的幅度和相位。假设则连接天线m的两个相移器的相位是和且满足根据欧拉公式推导，得到和这些相位分别得到模拟波束和由此过程方法得到波束码本中每个波束实际上是由两个模拟波束组成，即两个模拟波束构成一组波束，分别用波束码本和表示，wi+1,a和wi+1,b为一组波束。
39、考虑到当波束中心θo<θi+1,o时采用快速生成的模拟波束只需要一组相移器，而θo≥θi+1,o设计的波束需采用两组相移器，因此采用基于开关切换的两倍相移器阵列结构实现模拟波束到数字波束赋形的转换，当θo<θi+1,o时，开关打开，只有一组相移器激活，当θo≥θi+1,o时，开关关闭，两组相移器处于激活状态，实现两个模拟波束构成的数字波束。
40、结合第一方面，进一步地，所述步骤s4具体包括：
41、在目标用户处于高速运动的状态时，比如火车、高速列车、无人机等场景，因高速运动使基站发射端无法获得准确瞬时的信道状态信息，因此无法快速生成瞬时的波束，而基于其运动方向的可预测性，当目标用户位置处于基站发射角范围θ∈[θi,o,θi+1,o)时(基站发射角也可表示用户方向)，为了消除动态波束斜视，从码本中选择与用户位置相邻的波束中心方向对应的两组波束wi和wi+1，两组波束发送相同的数据信号，但使用不同的频带范围，将带宽分割，波束组wi-1使用频率范围波束组wi使用频率范围且因为θi-1,r＝θi,l，所以以此类推，目标用户在θ∈[-1，1]范围内快速移动，其动态产生的波束斜视即可消除。
42、注意，波束组wi和wi+1可能是来自快速生成波束方法得到的码本也可能是来自波束码本当来自波束码本时，码本中每个波束实际由两组模拟波束组成，即和中的波束组，相同方向的两个模拟波束发送相同信号且使用相同的频带，而不同方向的模拟波束，发送相同信号但使用不同的频带。
43、结合第一方面，进一步地，所述步骤s5具体包括：
44、对于k个用户，将k条数据流复制变成4k条数据流，基站选择目标用户方向相邻的两组波束分别在两段不同频带上传输4条相同的数据流，但4条数据流分别由不同波束方向的两组波束发送，因此4k条数据流需要发送2k个导频信号。
45、第二方面，本发明提供一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输装置，包括：
46、波束空间方向确定模块，用于以波束增益在波束中心方向频带域内固定的波动范围为条件确定码本中各个波束的空间方向，使各波束空间相邻且不重叠，且中心方向无波束偏斜；
47、最优解获取模块，用于对每个中心方向发生偏移的波束进行优化设计补偿斜视，基于最大化波束中心方向带宽内最小波束增益，限制波束增益随频率的波动范围，得到最优解x，x表示矩阵；
48、数字波束模块，用于根据最优解x得到数字波束，将数字波束拆分为包括两个模拟波束，采用基于开关切换的两倍相移器阵列结构实现模拟波束到数字波束赋形的转换；
49、频带分配模块，用于对高速移动的目标用户，选择与目标用户方向最近的两组模拟波束，分配不同的频带传输相同数据信号，以实现动态波束的斜视补偿；
50、结合第二方面，还包括数据流修改模块，用于基于频带分配的码本波束传输的实现，对数据流进行修改。
51、第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现上述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输的步骤。
52、第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括：
53、存储器，用于存储计算机程序；
54、处理器，用于执行所述计算机程序以实现上述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
55、第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
56、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
57、本发明能够有效地补偿动态波束斜视，并提高动态场景下系统的可用带宽以及系统的吞吐量。
1.一种用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于：所述码本波束传输方法还包括基于频带分配的码本波束传输的实现，对数据流进行修改。
3.根据权利要求1所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于：以波束在中心方向没有波束斜视及波束与波束之间是相邻且不叠加的码本结构为前提条件，确定每个波束中心方向及左右边界；
4.根据权利要求1所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于，对波束中心方向θ2＝{θi+1,o,…,θn,o}的波束码本中的波束分别进行优化设计补偿波束斜视，具体方法为：
5.根据权利要求4所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于，所述数字波束的得到方法为：
6.根据权利要求1所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于，对高速移动的目标用户，选择与目标用户方向最近的两组模拟波束，分配不同频带传输相同数据的具体方法为：
7.根据权利要求1所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法，其特征在于，基于频带分配的码本波束传输的实现，需对数据流进行修改的具体方法为：
8.用于动态波束斜视补偿的码本波束传输装置，其特征在于，包括：
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1～6中任一所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括：
11.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7中任一项所述的用于动态波束斜视补偿的码本波束传输方法的步骤。
