本发明涉及智能交通通信，具体涉及一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法。
背景技术：
1、智能交通中的无线通信技术是目前的研究热点，智能交通对于通信质量和传感器精确度的高需求迫使无线频带增大，从而更有效地利用更大的带宽范围。目前，毫米波频段已经成为5g时代之后不可避免的选择；一方面，随着频率的不断提高，电磁波在大气中的衰减迅速增加，通信系统必须在基站处使用更多天线形成的更大阵列去提供更大的空域增益以补偿衰减；另一方面，虽然带宽范围的增加能够提高距离维度的传感器精确度，但是在角度域仍依赖于更大孔径的阵列。
2、超大规模mimo系统具备超大带宽、超窄波束以及混合远近场的特征，易引起波束分裂问题，目前已有一些克服波束分裂的解决方案，但最终都需要在极高频率的窄带上进行波束成形，然而，超大规模mimo系统的波束由于阵元数量众多而具有极强的指向性，这将给智能交通领域的无线通信带来两个问题，首先，为了覆盖用户并降低通信中断的概率，主波束(-3db宽度)必须尽可能覆盖一定误差的用户范围，近年来，路边装置传感和车辆自定位技术使波束宽度的估计和预测成为可能。
3、最近的一些研究表明，波束方向对齐还不足以解决有效波束覆盖的问题，波束宽度的预测也是保证通信稳定的关键，超大规模mimo系统的近场效应非常明显，相同波束宽度在远场和近场覆盖的距离相差很大，因此，智能交通场景中用户的高移动性要求波束宽度需要实时调整，而实时调整必须基于用户的位置和运动状态；j.g.cao,r.jiang,y.y.xu等人在“position-aware uplink beamwidth adjustment scheme of massive mimo forhigh-speed railway communications”international conference on communicationsoftware and networks.pp.303-308,2019.中提出了一种适用于高速列车通信的最佳位置波束宽度调整策略，保证了波束指向性指数最大，并给出了最佳波束宽度的表达式；针对高速列车通信系统的特点，x.chen,j.lu,t.li等人在“directivity-beamwidth tradeoffof massive mimo uplink beamforming for high speed train communication,”ieeeaccess,vol.5,pp.5936-5946,2017,2017中分析了大规模mimo系统波束指向性和波束宽度之间的权衡，提出了一种最优自适应波束预测方案，然而，这些研究都没有考虑毫米波超大规模mimo通信高信道损耗的波束覆盖模型；另一方面，超大规模mimo系统的超窄波束特性可以带来更高的波束指向性，有助于提高传感分辨率和通信距离；然而，窄的主波束宽度无法覆盖位于近场的高速移动用户，基于移相器或时间分层等混合波束形成方案或为最简单的数字波束形成方法，如何在指定波束宽度下计算超大规模阵列的加权向量仍是一个未解决的问题。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法、系统、设备及介质，通过计算得出波束宽度的上限与下限，并根据波束宽度的上下限确定合成波束的波束宽度，再利用归一化dolph-chebyshev窗函数得到综合系数，并对调整向量进行加权，以实现高速移动用户通信的波束覆盖，具有稳定性好，计算复杂度低，波束宽度调整实时性强以及可靠性好的优点。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
3、一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法，包括以下步骤：
4、步骤1、利用高速移动用户的切向误差范围，计算出波束宽度的下限；
5、步骤2、利用理想条件下波束接收功率计算公式推出接收功率表示的发射功率的公式，利用近似化简方式得到理想接收功率，根据设置的门限得到波束宽度的上限；
6、步骤3、选取满足步骤1和步骤2中得到的波束宽度上限和下限的合成波束的波束宽度，利用归一化dolph-chebyshev窗函数得到综合系数，对调整向量进行加权从而得到合成波束形成器的加权向量，以满足高速移动用户通信的波束覆盖。
7、所述步骤1，具体为：
8、设波束所能覆盖的移动用户的切向距离为：设移动用户的切向误差范围为ltan，则波束所能覆盖的移动用户的切向距离大于等于移动用户要求的切向误差范围ltan，即则波束宽度的下限为：
9、所述步骤2，具体包括以下步骤：
10、步骤2.1、对理想情况下的用户接收功率计算公式进行积分得到发射功率的计算公式，具体为：
11、设用户位于坐标位置(θ,r)的接收功率如式(1)所示：
12、pi(θ,r)＝psb2(θ,r) (1)
13、式(1)中，ps表示发射功率，b(θ,r)表示用户在坐标位置(θ,r)处的波束响应；
14、对式(1)进行积分可得：
15、∫api(θ,r)dθdr＝∫apsb2(θ,r)dθdr (2)
16、∫a|b(θ,r)|2dθdr＝1 (3)
17、式(2)及式(3)中，a表示能够接收到信号的所有区域；
18、则发射的总功率如式(4)所示：
19、ps＝∫api(θ,r)dθdr (4)
20、步骤2.2、利用积分的性质和波束宽度的概念，化简步骤2.1中的发射功率计算公式，得到仅关于角度的积分式，并对主瓣功率和旁瓣功率进行近似化简得到理想情况下的用户接收功率，具体为：
21、根据式(4)得出，发射的总功率由主瓣功率和旁瓣功率表示，如式(5)所示：
22、
23、式(5)中，aml表示-3db宽度的主瓣区域，表示-3db宽度的旁瓣区域，与aml互为互补区域，则式(5)可以简化为：
24、
25、式(6)中，θml表示主瓣角度扇区，θsl表示旁瓣角度扇区。
26、主瓣功率理论上表示为：旁瓣功率理论上表示为：则发射的总功率如式(7)所示：
27、
28、得出理想情况下用户的接收功率如式(8)所示：
29、
30、步骤2.3、考虑信道损耗，设置用户的单一天线功率门限，得到波束宽度的上限，具体为：
31、在实际场景中，理想接收功率是在信号衰减后被用户接收到的，对于单一天线的接收功率满足：pi(θ0)·|β(r0)|≥η，其中η表示用户的单一天线功率门限，则有：则波束宽度的上限如式(9)所示：
32、
33、所述步骤3，具体包括以下步骤：
34、步骤3.1、根据选取的满足步骤1和步骤2中得到的波束宽度上限和下限的合成波束的波束宽度和常规波束形成的固定波束宽度求得所需波束数量n，所需波束数量n如式(10)所示：
35、
36、式(10)中，ceil[·]表示向上取整函数；
37、步骤3.2、利用合成波束的波束指向角度和n个常规波束形成的固定波束获得n个波束的指向角度，即：θ1,θ2,l,θn；
38、步骤3.3、利用常规波束形成的加权向量计算公式和n个波束的指向角度得到n个调整向量，即：w(θ1),w(θ2),l,w(θn)；
39、步骤3.4、利用归一化dolph-chebyshev窗函数得到综合系数，即：α1,α2,l,αn；
40、步骤3.5、计算合成波束形成器的加权向量，以满足高速移动用户通信的波束覆盖需求，如式(12)所示：
41、
42、一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖系统，包括：
43、波束宽度下限生成模块，用于结合高速移动用户的切向误差范围，计算出波束宽度的下限；
44、波束宽度上限生成模块，用于根据设置的门限得到波束宽度的上限；
45、综合系数生成模块，用于选取波束宽度的上限及下限，利用归一化dolph-chebyshev窗函数得到综合系数；
46、加权向量生成模块，用于得出合成波束形成器的加权向量。
47、一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖设备，包括：
48、存储器，存储所述的一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法的计算机程序，为计算机可读取的设备；
49、处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述的一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法。
50、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现所述的一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法。
51、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
52、1.本发明考虑信道损耗，通过计算得出波束宽度的上限与下限，并根据波束宽度的上下限确定合成波束的波束宽度，再利用归一化dolph-chebyshev窗函数得到综合系数，并对调整向量进行加权，以实现高速移动用户通信的波束覆盖，可以有效降低通信中断的概率，具有稳定性好的优点。
53、2.本发明通过利用归一化dolph-chebyshev窗函数得出综合系数，以得到合成波束形成器的加权向量，其计算复杂度低，能够确保波束宽度调整的实时性。
54、3.本发明通过利用归一化dolph-chebyshev窗函数得出的综合系数对常规波束形成的波束加权获得满足波束宽度要求的合成波束，解决了主瓣宽度对于近场的高速移动用户不能覆盖的问题，使得通信的可靠性得到提升。
55、综上所述，本发明通过计算得出波束宽度的上限与下限，并根据波束宽度的上下限确定合成波束的波束宽度，再利用归一化dolph-chebyshev窗函数得到综合系数，并对调整向量进行加权，以实现高速移动用户通信的波束覆盖，具有稳定性好，计算复杂度低，波束宽度调整实时性强以及可靠性好的优点。
1.一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法，其特征在于，所述步骤1，具体为：
3.根据权利要求1所述的一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法，其特征在于，所述步骤2，具体包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法，其特征在于，所述步骤3，具体包括以下步骤：
5.一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖系统，其特征在于，包括：
6.一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖设备，其特征在于，包括：
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现权利要求1-4任一项所述的一种高速移动场景下的超大规模mimo通信中的波束覆盖方法。
