波束处理方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种波束处理方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。

背景技术

车联网是一种以车辆为节点的自组织网络，旨在实现车辆之间的高效通信，同时还包括车辆与基础设施之间的通信。5G技术的发展使得车联网已成为多个领域的关键因素，包括智能交通系统、智能驾驶辅助系统、车辆远程监控、交通流管理和紧急救援等。车联网通过传感器、通信设备和先进的车辆-基础设施通信技术，使车辆能够实时共享信息，从而提高交通安全性、道路效率和乘车体验。然而，在车联网中，用户的高度移动性、5G新空口(New Radio，NR)技术所使用的极窄波束宽度，以及基站或路侧单元与车辆之间可能存在的障碍物，使得5G NR车联网的通信链路质量容易受到干扰，波束失败问题愈发突出。波束失败指的是通信波束与目标用户之间的连接断裂或不稳定，这可能导致通信中断、数据传输中断或通信质量下降。然而基于5G NR纯通信协议的波束失败检测与恢复技术通常需要发送大量参考信号和导频信号以监测信道质量，这样就会容易导致通信系统开销增加。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提出一种波束处理方法，能够很好地解决目前的通信系统在进行波束失败检测的过程中系统开销较大的问题，节省大量导频和参考信号的开销，实现了波束失败的低时延判定。

本发明还提出一种应用上述波束处理方法的装置。

本发明还提出一种应用上述波束处理方法的电子设备。

本发明还提出一种应用上述波束处理方法的计算机可读存储介质。

根据本发明第一方面实施例的波束处理方法，应用于基站，所述方法包括：

每经过预设时间向目标车辆发射波束赋形信号并且接收与所述波束赋形信号对应的回波信号；

从所述回波信号中提取所述目标车辆的动态参数信息；

在所述动态参数信息满足预设的波束失败判断条件的情况下，确定所述基站与所述目标车辆之间出现波束失败。

根据本发明的一些实施例，在所述确定所述基站与所述目标车辆之间出现波束失败后，所述方法还包括：

对发射至所述目标车辆的波束赋形信号的频段进行切换处理，以减少所述波束赋形信号的路径损耗实现波束恢复重连。

根据本发明的一些实施例，在所述确定所述基站与所述目标车辆之间出现波束失败后，所述方法还包括：

接收由所述目标车辆反馈的上行信号；

从所述上行信号中提取非视距路径角度信息；

基于所述非视距路径角度信息进行功率分配和波束赋形，以实现波束恢复重连。

根据本发明的一些实施例，所述动态参数信息包括距离信息和速度信息，所述在所述动态参数信息满足预设的波束失败判断条件的情况下，得到波束失败信息，包括：

当前时刻的所述距离信息与上一时刻的所述距离信息之间的差值大于预设的距离阈值，并且当前时刻的所述速度信息与上一时刻的所述速度信息之间的差值大于预设的速度阈值，并且持续时间大于预设的时间阈值的情况下，确定所述基站与所述目标车辆之间出现波束失败。

根据本发明的一些实施例，所述对发射至所述目标车辆的波束赋形信号的频段进行切换处理，包括：

对发射至所述目标车辆的波束赋形信号的频段由5G NR毫米波频段切换至sub-6G频段。

根据本发明的一些实施例，所述从所述回波信号中提取所述目标车辆的动态参数信息后，所述方法还包括:

当前时刻的所述距离信息与上一时刻的所述距离信息之间的差值小于或者等于所述距离阈值；或者当前时刻的所述速度信息与上一时刻的所述速度信息之间的差值小于或者等于所述速度阈值；或者当前时刻的所述距离信息与上一时刻的所述距离信息之间的差值大于预设的距离阈值，当前时刻的所述速度信息与上一时刻的所述速度信息之间的差值大于预设的速度阈值，并且持续时间小于或者等于所述时间阈值的情况下，重新从所述回波信号中提取新的所述动态参数信息。

根据本发明的一些实施例，所述基于所述非视距路径角度信息进行功率分配和波束赋形，以实现波束恢复重连，包括：

基于所述非视距路径角度信息进行功率分配并且产生波束赋形信号；

向所述目标车辆发射所述波束赋形信号，直至从接收到由所述目标车辆反馈的上行信号中确定得到波束恢复重连信息。

根据本发明第二方面实施例的波束处理装置，设置于基站，所述装置包括：

第一处理模块，用于每经过预设时间向目标车辆发射波束赋形信号并且接收与所述波束赋形信号对应的回波信号；

第二处理模块，用于从所述回波信号中提取所述目标车辆的动态参数信息；

第三处理模块，用于在所述动态参数信息满足预设的波束失败判断条件的情况下，确定所述基站与所述目标车辆之间出现波束失败。

根据本发明第三方面实施例的电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的波束处理方法。

根据本发明第四方面实施例的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可执行指令，所述计算机可执行指令被控制处理器执行时实现如上所述的波束处理方法。

根据本发明实施例的波束处理方法，至少具有如下有益效果：在进行波束处理的过程中，每经过预设时间向目标车辆发射波束赋形信号并且接收由目标车辆反馈的回波信号，接着从回波信号中提取目标车辆的动态参数信息；最后在动态参数信息满足预设的波束失败判断条件的情况下，就会确定基站与目标车辆之间出现波束失败；通过上述技术方案，能够很好地解决目前的通信系统在进行波束失败检测的过程中系统开销较大的问题，节省大量导频和参考信号的开销，实现了波束失败的低时延判定；该技术方案可以直接应用于目前的5G NR车联网通信系统，具有很强的工程实用价值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本公开技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。

图1是本发明一个实施例提供的通感一体化车联网场景示意图；

图2是本发明一个实施例提供的波束处理方法流程图；

图3是本发明另一个实施例提供的波束处理方法流程图；

图4是本发明另一个实施例提供的波束处理方法流程图；

图5是本发明一个实施例提供的波束处理方法的确定基站与目标车辆之间出现波束失败的方法流程图；

图6是本发明一个实施例提供的波束恢复重连的方法流程图；

图7是本发明另一个实施例提供的波束处理方法流程图；

图8是本发明另一个实施例提供的波束恢复重连的方法流程图；

图9是本发明一个实施例提供的波束失败检测概率对比示意图；

图10是本发明一个实施例提供的波束失败恢复重连后误码率对比示意图；

图11是本发明一个实施例提供的波束失败恢复重连后吞吐量对比示意图；

图12是本发明一个实施例提供的波束处理装置的构造示意图；

图13是本发明一个实施例提供的电子设备的构造示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种波束处理方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，方法包括：在进行波束处理的过程中，每经过预设时间向目标车辆发射波束赋形信号并且接收由目标车辆反馈的回波信号，接着从回波信号中提取目标车辆的动态参数信息；最后在动态参数信息满足预设的波束失败判断条件的情况下，就会确定基站与目标车辆之间出现波束失败；通过上述技术方案，能够很好地解决目前的通信系统在进行波束失败检测的过程中系统开销较大的问题，节省大量导频和参考信号的开销，实现了波束失败的低时延判定；该技术方案可以直接应用于目前的5G NR车联网通信系统，具有很强的工程实用价值。

如图1所示，图1是本发明一个实施例提供的通感一体化车联网场景示意图；道路上其他车辆、行人或建筑物等可能对gNB(5G基站)与目标车辆之间的视距径构成遮挡，这些遮挡物可能导致按照视距径角度的波束赋形被遮挡，进而影响通信质量，导致波束失败。因此在视距径被遮挡后，gNB发射的信号经过部分散射体(静态建筑物)到达目标车辆，经过这些散射体的路径(非视距径)共同构成下行链路信道。

值得注意的是，通信感知一体化技术(I ntegrated Sens ing And Commun ications,ISAC)作为一项新兴技术，将通信与感知技术融合，使得通信系统具备感知周围环境的能力，在车联网中具有重要应用前景。相比于传统纯通信系统，其监控通信质量的方式是频繁周期性地发送参考信号和接收反馈信息，通感一体化系统可以更充分地利用其感知性能，对周围环境信息进行判断，以尽快识别波束失败的发生，并及时重新建立波束连接，从而增强通信系统的效率和稳定性。

如图2所示，图2是本发明一个实施例提供的波束处理方法的流程图。该方法包括但不限于有步骤S100、步骤S200和步骤S300：

步骤S100，每经过预设时间向目标车辆发射波束赋形信号并且接收与波束赋形信号对应的回波信号；

步骤S200，从回波信号中提取目标车辆的动态参数信息；

步骤S300，在动态参数信息满足预设的波束失败判断条件的情况下，确定基站与目标车辆之间出现波束失败。

需要说明的是，在进行波束处理的过程中，每经过预设时间向目标车辆发射波束赋形信号并且接收由目标车辆反馈的回波信号，接着从回波信号中提取目标车辆的动态参数信息；最后在动态参数信息满足预设的波束失败判断条件的情况下，就会确定基站与目标车辆之间出现波束失败；通过上述技术方案，能够很好地解决目前的通信系统在进行波束失败检测的过程中系统开销较大的问题，节省大量导频和参考信号的开销，实现了波束失败的低时延判定；该技术方案可以直接应用于目前的5G NR车联网通信系统，具有很强的工程实用价值。

值得注意的是，本申请实施例中的回波信号为通感一体化信号的回波信号，可以跟踪目标车辆的运动状态参数变化，进而可以从回波信号中提取得到目标车辆的动态参数信息；最后对目标车辆的动态参数信息进行波束失败判断处理，进而实现波束失败检测处理，不需要像往常那样发送大量参考信号和导频信号以监测信道质量，从而减少通信系统的开销。

值得注意的是，本申请实施例中的每经过预设时间向目标车辆发射波束赋形信号，可以为每时隙按照目标车辆位置发射波束赋形信号，不需要像以往一样周期性发送参考信号来判断波束失败，并利用波束扫描进行恢复重连，利用每时隙的回波信号，能够实时判断波束失败的发生，从而降低了判断和恢复的时延。并且基于机器学习的波束失败预测方法通常需要提前收集小区一段时间内的通信质量数据，然后再基于收集到的数据集进行训练。训练好的模型通常只适用于本小区，缺乏通用性。而本申请提出的技术基于车辆的运动参数监测，适用于所有车联网内的基站或路侧单元，具有广泛的适用性。

值得注意的是，对于已连接的目标车辆，gNB通过信号处理方法，如二维离散傅里叶变换等，从发射信号的回波中提取目标车辆的距离、速度、角度等信息。当系统检测到目标车辆的观测距离和速度发生突变，并且突变量大于特定阈值的持续时间超过特定时间段时，可判断为目标车辆与gNB之间存在其他障碍物的遮挡，进而判定为波束失败。系统在判定波束失败后立刻启动波束恢复和重连。本申请提出两种不同于传统通信协议中利用波束扫描以寻找新的波束对进行波束重连的方案。

如图3所示，在执行完上述步骤S300之后，上述方法还包括但不限于步骤S410。

步骤S410，对发射至目标车辆的波束赋形信号的频段进行切换处理，以减少波束赋形信号的路径损耗实现波束恢复重连。

需要说明的是，在确定基站与目标车辆之间出现波束失败的情况下，就需要进行波束恢复重连操作，可以对发射至目标车辆的波束赋形信号的频段进行切换处理，从而减少波束赋形信号的路径损耗，从而实现波束恢复重连。

如图4所示，在执行完上述步骤S300之后，上述方法还包括但不限于步骤S420至步骤S440。

步骤S420，接收由目标车辆反馈的上行信号；

步骤S430，从上行信号中提取非视距路径角度信息；

步骤S440，基于非视距路径角度信息进行功率分配和波束赋形，以实现波束恢复重连。

需要说明的是，在确定基站与目标车辆之间出现波束失败的情况下，就需要进行波束恢复重连操作，可以从波束失败期间的上行信号中提取非视距路径角度信息，接着基于非视距路径角度信息进行功率分配并发送波束赋形信号，等待目标车辆的上行信号反馈确定波束恢复重连完成。

值得注意的是，本申请实施例可以即时判断是否发生波束失败，然后利用信号互易性提取可用的非视距路径角度信息，系统能够实现特定角度的波束赋形以进行波束失败恢复，不需要像往常那样发送大量参考信号和导频信号以监测信道质量，从而减少通信系统的开销。

示例性地，在基于非视距路径角度信息进行功率分配和波束赋形的过程中可以如下：在基站侧利用预设的低代价的信道估计算法计算得到目标车辆的上行信道的估计矩阵，然后基于时分双工系统中的信道互易性得到信道的空间相关矩阵；然后根据预设的最大化接收信噪比准则构造优化问题；接着将构造的优化问题转换为最小优化问题，并且利用预设的加权最小均方误差算法对该最小优化问题进行求解处理得到求解值；在求解值满足预设的判决条件的时候，就可以输出最优权值；最后将最优权值和预设的垂直方向的天线权值进行克罗内克相乘，进而就可以得到天线阵列的最优波束赋形权值；最后根据最优波束赋形权值将能量集中在求得的主波束方向上。

在波束形成失败的情况下，当该状态持续的时间小于预设的时间阈值，基站仍然按照预测的角度发送下行波束。同时，用户设备也将依据预测的波束形成角度发送上行信息。此时，基站可以从接收到的上行信号中提取角度信息。由于视距路径被遮挡，所提取的角度信息主要反映的是非视距路径的角度信息。当波束形成失败的状态持续时间超过预设的时间阈值后，基站可以利用信道互易性原理，根据提取的非视距路径角度信息进行波束形成。同时，基站可以根据从不同路径接收到的信号的到达功率，运用如水填充算法等方法进行功率分配。

如图5所示，动态参数信息包括距离信息和速度信息，上述步骤S300可以包括但不限于步骤S310。

步骤S310，当前时刻的距离信息与上一时刻的距离信息之间的差值大于预设的距离阈值，并且当前时刻的速度信息与上一时刻的速度信息之间的差值大于预设的速度阈值，并且持续时间大于预设的时间阈值的情况下，确定基站与目标车辆之间出现波束失败。

需要说明的是，在当前时刻的距离信息与上一时刻的距离信息之间的差值大于预设的距离阈值，并且当前时刻的速度信息与上一时刻的速度信息之间的差值大于预设的速度阈值，并且上述这两种情况的持续时间大于预设的时间阈值的情况下，就会确定基站和目标车辆之间出现波束失败的问题。

示例性地，(1)在车联网系统的连接模式下，gNB利用扩展卡尔曼滤波波束跟踪算法，每时隙按照目标车辆位置发射波束赋形信号并从回波信号中提取目标车辆的动态参数信息，如距离r和速度v；(2)系统对t

如图6所示，上述步骤S410可以包括但不限于步骤S411。

步骤S411，对发射至目标车辆的波束赋形信号的频段由5G NR毫米波频段切换至sub-6G频段。

需要说明的是，在进行波束恢复重连的过程中，对发射至目标车辆的波束赋形信号的频段由5G NR毫米波频段切换至sub-6G频段；由于毫米波信号具有较高的路径损耗，因此为了保证通信质量，gNB可以采用切换至sub-6G频段发射全向信号的策略，从而减轻毫米波高衰减带来的不利影响。

如图7所示，执行完上述步骤S200之后可以包括但不限于步骤S320。

步骤S320，当前时刻的距离信息与上一时刻的距离信息之间的差值小于或者等于距离阈值；或者当前时刻的速度信息与上一时刻的速度信息之间的差值小于或者等于速度阈值；或者当前时刻的距离信息与上一时刻的距离信息之间的差值大于预设的距离阈值，当前时刻的速度信息与上一时刻的速度信息之间的差值大于预设的速度阈值，并且持续时间小于或者等于时间阈值的情况下，重新从回波信号中提取新的动态参数信息。

需要说明的是，在满足以下任一条件，都不会认定基站和目标车辆之间出现波束失败。当前时刻的距离信息与上一时刻的距离信息之间的差值小于或者等于距离阈值；或者当前时刻的速度信息与上一时刻的速度信息之间的差值小于或者等于速度阈值；或者当前时刻的距离信息与上一时刻的距离信息之间的差值大于预设的距离阈值，当前时刻的速度信息与上一时刻的速度信息之间的差值大于预设的速度阈值，并且持续时间小于或者等于时间阈值的情况下，重新从回波信号中提取新的动态参数信息。

如图8所示，上述步骤S440可以包括但不限于步骤S441和步骤S442。

步骤S441，基于非视距路径角度信息进行功率分配并且产生波束赋形信号；

步骤S442，向目标车辆发射波束赋形信号，直至从接收到由目标车辆反馈的上行信号中确定得到波束恢复重连信息。

需要说明的是，基于非视距路径角度信息进行功率分配和波束赋形，以实现波束恢复重连的过程中，首先基于非视距路径角度信息进行功率分配并且产生波束赋形信号；接着向目标车辆发射波束赋形信号，直至能够从接收到由目标车辆反馈的上行信号中确定得到波束恢复重连信息。

值得注意的是，为了保持系统的通信数据速率和吞吐量，gNB可以利用信道的互易性，从上行信号分析出可以使用的非视距径角度信息，并根据提取的角度信息对多数据流进行功率分配和波束赋形。

通过上述技术方案，有效减少了波束失败检测和恢复的时延：本专利的技术充分利用通感一体化系统中的感知性能，通过实时监测目标车辆的运动参数变化来判断波束失败的发生，通过切换频段或提取可用非视距路径角度信息进行波束恢复重连；相较于传统的纯通信协议，不再需要周期性发射参考信号判定波束失败且不需波束训练寻找新的波束对；这项优化使判断波束失败及进行重连的时间有效缩短，同时，由于减少了导频和参考信号的发送，降低了系统的开销。有效提高了通信系统的通信质量和吞吐量：本申请提出的两种波束恢复重连的方法减少了参考信号和导频信号的用量，从而有效提高了通信系统的吞吐量；此外，利用非视距径波束赋形的方法相比于传统纯通信协议中的离散角度码本精度更高，因而有更高的波束赋形增益，提高了通信系统的通信质量。

如图9所示，图9通过一组数值仿真验证所本申请技术方案在提高波束失败检测概率上的优势，使用的仿真道路模型为地图中提取的某市部分道路与楼群；除本申请所提出方法，另外的对照组为基于纯通信协议的方法，利用下行参考信号RSRP判断波束失败。仿真结果充分验证了本申请所提出方法在车联网中相比于现有的通信协议在波束失败检测概率上的优势。

如图10和图11所示，通过一组数值仿真验证所本申请技术方案在缩短波束失败检测时延和提高波束恢复重连通信质量上的优势；除本申请所提出方法，另外的对照组为基于纯通信协议的方法，利用波束扫描恢复重连。仿真结果充分验证了本专利所提出的两种波束恢复重连方法在车联网中相比于现有的通信协议在波束恢复重连后误码率和吞吐量上的优势。同时也验证了相比于通信协议基于RSRP的波束失败判断和基于波束扫描的恢复重连方法，本申请提出的基于车辆动态参数变化的波束失败判断方法和两种波束重连方法具有更低的时延。

本申请与基于纯通信协议的波束失败判断及恢复重连在实现上完全不同，本申请的技术相比与现有技术可以节省大量导频和参考信号的开销，实现了波束失败的低时延判定以及波束的快速恢复重连，同时能直接应用于目前的5G NR车联网通信系统，具有很强的工程实用价值。

在本发明的一些实施例中，如图12所示，本发明的一个实施例还提供了一种波束处理装置10，该装置包括：

第一处理模块100，用于每经过预设时间向目标车辆发射波束赋形信号并且接收与波束赋形信号对应的回波信号；

第二处理模块200，用于从回波信号中提取目标车辆的动态参数信息；

第三处理模块300，用于在动态参数信息满足预设的波束失败判断条件的情况下，确定所述基站与目标车辆之间出现波束失败。

该波束处理装置10的具体实施方式与上述波束处理方法的具体实施例基本相同，在此不再赘述。

在本发明的一些实施例中，如图13所示，本发明的一个实施例还提供了一种电子设备700，包括：存储器720、处理器710及存储在存储器720上并可在处理器710上运行的计算机程序，处理器710执行计算机程序时实现上述实施例中的波束处理方法，例如，执行以上描述的图2中的方法步骤S100至步骤S300、图3中的方法步骤S410、图4中的方法步骤S420至S440、图5中的方法步骤S310、图6中的方法步骤S411、图7中的方法步骤S320和图8中的方法步骤S441至S442。

在本发明的一些实施例中，本发明的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个处理器或控制器执行，例如，被上述设备实施例中的一个处理器执行，可使得上述处理器执行上述实施例中的波束处理方法，例如，执行以上描述的图2中的方法步骤S100至步骤S300、图3中的方法步骤S410、图4中的方法步骤S420至S440、图5中的方法步骤S310、图6中的方法步骤S411、图7中的方法步骤S320和图8中的方法步骤S441至S442。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。