一种海上超视距大规模天线阵列波束选择与有限反馈方法
技术领域
本发明涉及一种海上超视距通信技术，尤其涉及海上超视距大规模天线阵列通信技术。
背景技术
在超视距场景中，地球曲率导致接收信号遮挡，不存在直达径分量，此时，利用海上大气波导对电磁波的陷获作用可形成超远距离通信链路，其信道模型明显不同于视距信道模型。在海域超视距信道下，垂直方向上，根据天线高度、波导层高度以及波导修正折射斜率等参数由陷获角公式计算得到垂直方向陷获角；在水平方向波束设计方面，可通过船舶终端的位置信息辅助设计。由于陷获角在角度域上极为狭窄，需要设计精度非常高的波束才能达到陷获作用。但实际情况下由于船舶天线高度受海浪影响而变化，以及波导层分布的非均匀性，实际值与理论值之间的偏差对于准确获取垂直陷获角度的影响不可避免。在基站端和船舶终端配置大规模天线平面阵下，如何从码本中快速准确找到水平和垂直波束是海上超视距通信的难点。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种海上超视距大规模天线阵列波束选择与有限反馈方法，利用基站位置信息、船舶航行线路和船舶AIS信息，确定水平方向波束角度范围；利用基站和船舶天线高度、波导层高度以及波导的修正折射斜率参数计算得到垂直方向陷获角的范围；利用上述信息得到理论初步波束角度信息；在理论角度值范围内进行细波束训练，寻找更为精确的水平方向和垂直方向角度，通过有限反馈方法减少反馈开销，更快速的找到最佳码字。
技术方案：一种海上超视距大规模天线阵列波束选择与有限反馈方法，步骤如下：
步骤11：岸基基站根据船舶航行线路和船舶配备的AIS设备提供的位置信息，确定指向船舶终端波束的水平方向角度；船舶终端设备根据基站位置以及自身航线路线和位置信息，确定指向岸基基站波束的水平方向；
步骤12：岸基基站根据天线高度、波导层高度以及波导的修正折射斜率参数计算得到垂直方向陷获角；船舶终端设备根据天线高度、波导层高度以及波导的修正折射斜率参数计算得到垂直方向陷获角；
步骤S13：岸基基站大规模天线阵列设计第一级粗波束,根据步骤S11和S12计算的水平和垂直波束角度范围；
步骤14：若波束角度范围没有变化，则转步骤16；否则，转步骤15；
步骤15：在粗波束角度值范围内进行波束训练并利用有限反馈方式确定第二级更精细的波束；
步骤16：周期等待结束，转步骤11。
作为优选，所述的步骤S15中，波束训练并利用有限反馈方式确定第二级更精细的波束的具体步骤如下：
步骤201：岸基基站设置初始波束信道质量反馈值及其相应的最佳码字序号都为0；
步骤202：岸基基站和船舶终端固定垂直粗波束，岸基基站按照步骤13得到的水平方向范围
步骤203：岸基基站按照依次偏移
步骤204：船舶终端从离散傅里叶变换码本中寻找水平角度的最佳码字；并将码字序号和当前波束信道质量反馈给岸基基站；
步骤205：在等待周期内，判断是否收到反馈；
步骤206：若基站收到反馈值，比较收到信道质量的反馈值与上一次存储的反馈值；
步骤S207：若收到的反馈值大，保存本次收到的反馈值及其相应的最佳码字序号，转步骤S203；
步骤208：若收到的反馈值小，则删除本次收到的反馈值，保留上一次存储的反馈值及其相应的最佳码字序号；转步骤210；
步骤209：若未收到反馈值，则保留上一次存储的反馈值及其相应的最佳码字序号；转步骤203；
步骤210：由步骤203至步骤209得到固定水平细波束，岸基基站按照步骤13得到的垂直方向范围
步骤S211：岸基基站按照依次偏移
步骤212：船舶终端从离散傅里叶变换码本中寻找垂直角度的最佳码字；并将码字序号和当前波束信道质量反馈给岸基基站；
步骤213：在等待周期内，判断是否收到反馈；
步骤214：若基站收到反馈值，比较收到的反馈值与上一次存储的反馈值；
步骤215：若收到的反馈值大，更新并存储当前的反馈值及其相应的最佳码字序号，转步骤211；
步骤216：若收到的反馈值小，则删除本次收到的反馈值，保留上一次存储的反馈值；
步骤217：若未收到反馈值，则保留上一次存储的反馈值；转步骤211。
作为优选，步骤16所述的周期等待，包括水平方向和垂直方向的周期等待，其时间不相同，由于垂直方向陷获角的变化会受到气候变化的影响，变化缓慢，设置周期为每小时；船舶移动速度，在波束水平角度域变化也不快，设置周期为每分钟。
作为优选，海上超视距传输的系统模型为：
其中，y是船舶终端接收的信号矢量，x是海上基站发送的信号矢量，n是高斯白噪声信号矢量，H为海上超视距信道矩阵，U和V为基站和船舶终端的第一级粗波束，WB和FB为基站和船舶终端的第二级细波束，
作为优选，步骤S11中，已知基站BS与用户MS坐标分别为(xMS，yMS)，(xBS，yBS)，根据坐标关系可以得到水平方向用户的波达角与基站的波离角分别为
作为优选，步骤S12中，由射线追踪法计算得到波导层陷获角度范围：
其中，ht为发送端天线高度，he为波导层高度(蒸发波导一般不超过40米)，R0为地球半径(约为6370米)，n(0)是表面折射系数(约为1.00035)，
作为优选，步骤204中，由于超视距场景第二级细波束难以获得瞬时CSI，可通过有限反馈方式，先从码本中寻找水平角度最佳的码字：
其中，W，F是水平方向收发两端的离散傅里叶变换码本，
作为优选，步骤212中，在确定水平角度最佳码字后，在码本中寻找垂直最佳陷获角：
其中，L，K是垂直方向收发两端的离散傅里叶变换码本，
有益效果：本发明的有益效果：
1、本发明实现海上超视距通信的波束设计方案，波束搜索范围缩小，搜索速度快；
2、本发明需要知道船舶航行路线，船舶位置信息、岸基基站位置信息，天线高度信息，波导层高度以及波导修正折射斜率等长时信息，所需信令开销小，最佳波束切换周期长；
3、本发明中利用基于码本的有限反馈，所需反馈开销小，算法复杂度低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种海上超视距大规模天线阵列波束选择与有限反馈方法示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于有限反馈的二级波束确定方法示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本发明的海上超视距传输的系统模型为：
其中，y是船舶终端接收的信号矢量，x是海上基站发送的信号矢量，n是高斯白噪声信号矢量，H为海上超视距信道矩阵，U和V为基站和船舶终端的第一级粗波束，WB和FB为基站和船舶终端的第二级细波束，
步骤11：岸基基站根据船舶航行线路和船舶配备的AIS设备提供的位置信息，确定指向船舶终端波束的水平方向角度；船舶终端设备根据基站位置以及自身航线路线和位置信息，确定指向岸基基站波束的水平方向；
已知基站BS与用户MS坐标分别为(xMS，yMS)，(xBS，yBS)，根据坐标关系可以得到水平方向用户的波达角与基站的波离角分别为
步骤12：岸基基站根据天线高度、波导层高度以及波导的修正折射斜率参数计算得到垂直方向陷获角；船舶终端设备根据天线高度、波导层高度以及波导的修正折射斜率参数计算得到垂直方向陷获角；
由射线追踪法计算得到波导层陷获角度范围：
其中，ht为发送端天线高度，he为波导层高度(蒸发波导一般不超过40米)，R0为地球半径(约为6370米)，n(0)是表面折射系数(约为1.00035)，
步骤13：岸基基站和船舶终端根据步骤11和12计算的波束角度范围设计第一级粗波束U和V；
步骤14：若波束角度范围没有变化，则转步骤16；否则，转步骤15；
步骤15：在粗波束角度值范围内进行波束训练并利用有限反馈方式确定第二级更精细的波束；
步骤16：周期等待结束，转步骤11。
波束训练并利用有限反馈方式确定第二级更精细的波束。其主要步骤为：
步骤201：岸基基站设置初始波束信道质量反馈值及其相应的最佳码字序号都为0；
步骤202：岸基基站和船舶终端固定垂直粗波束，岸基基站按照步骤13得到的水平方向范围
步骤203：岸基基站按照依次偏移
步骤204：船舶终端从离散傅里叶变换码本中寻找水平角度的最佳码字；并将码字序号和当前波束信道质量反馈给岸基基站；
由于超视距场景第二级细波束难以获得瞬时CSI，可通过有限反馈方式，先从码本中寻找水平角度最佳的码字：
其中，W，F是水平方向收发两端的离散傅里叶变换码本，
步骤205：在等待周期内，判断是否收到反馈；
步骤206：若基站收到反馈值，比较收到信道质量的反馈值与上一次存储的反馈值；
步骤S207：若收到的反馈值大，保存本次收到的反馈值及其相应的最佳码字序号，转步骤S203；
步骤208：若收到的反馈值小，则删除本次收到的反馈值，保留上一次存储的反馈值及其相应的最佳码字序号；转步骤210；
步骤209：若未收到反馈值，则保留上一次存储的反馈值及其相应的最佳码字序号；转步骤203；
步骤210：由步骤203至步骤209得到固定水平细波束，岸基基站按照步骤13得到的垂直方向范围
步骤S211：岸基基站按照依次偏移
步骤212：船舶终端从离散傅里叶变换码本中寻找垂直角度的最佳码字；并将码字序号和当前波束信道质量反馈给岸基基站；
在确定水平角度最佳码字后，在码本中寻找垂直最佳陷获角：
其中，L，K是垂直方向收发两端的离散傅里叶变换码本，
步骤213：在等待周期内，判断是否收到反馈；
步骤214：若基站收到反馈值，比较收到的反馈值与上一次存储的反馈值；
步骤215：若收到的反馈值大，更新并存储当前的反馈值及其相应的最佳码字序号；转步骤211；
步骤216：若收到的反馈值小，则删除本次收到的反馈值，保留上一次存储的反馈值；
步骤217：若未收到反馈值，则保留上一次存储的反馈值；转步骤211。
本发明实现海上超视距通信的波束设计方案，波束搜索范围缩小，搜索速度快；需要知道船舶航行路线，船舶位置信息、岸基基站位置信息，天线高度信息，波导层高度以及波导修正折射斜率等长时信息，所需信令开销小，最佳波束切换周期长；本发明中利用基于码本的有限反馈，所需反馈开销小，算法复杂度低。
