[发明专利]一种基于视觉感知的V2V毫米波波束对准方法

说明书

本发明公开了一种基于视觉感知的V2V毫米波波束对准方法，涉及无线通信领域，涉及V2V通信、毫米波、波束对准等研究方向，首先利用车载单目相机采集的实时场景图像，通过FCOS3D目标检测算法，估计场景中车辆目标的三维位置；而后，对车辆目标位置进行坐标变换获得空间角度和距本车体的距离，并由此推导出模拟波束成形矢量，实现波束对准。本发明采用上述的一种基于视觉感知的V2V毫米波波束对准方法，能够通过高精度的目标位置估计，在较低硬件开销的情况下，完成精度较高的波束对准，具有波束对准精度高，频谱开销小，硬件成本低等优势。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于视觉感知的V2V毫米波波束对准方法。

背景技术

V2V通信通过车辆之间的信息传递，可以有效避免交通事故的发生，是提高道路交通安全的关键技术，在自动驾驶和智能交通领域应用广泛。随着车联网技术的迅猛发展，智能网联汽车数量逐年增长，通信业务量将显著增加，也对网络带宽和网络时延提出了更高的要求。毫米波具有30GHz～300GHz的广阔频谱，可以缓解传统通信系统中的频谱拥塞问题，为V2V通信提供更高速率传输支撑，但由于毫米波信号频率较高，传播中路径损耗大，且传播依赖于直射路径，容易受到人体、树叶及建筑物等物体遮挡的影响，引起巨大的信号衰减。因此，通常使用大规模天线阵列技术，形成狭窄的高增益波束以补偿毫米波信号在传输中的快速衰减。但是，由于车辆移动性较强，窄波束难以实时对齐，给V2V毫米波波束对准带来了困难。

传统的波束对准方法包括用特定的码本进行波束搜索以最大化接收信噪比(SNR)，或者直接根据估计的信道矩阵计算波束成形矩阵。然而，这种方法运算量大，将导致大量的时延和频谱开销。近年来，基于传感器辅助的波束对准方法受到了学界的广泛关注。这些方法通过利用传感器采集的有效带外信息来指示通信环境空间特征，辅助进行波束对准，由于几乎不需要占用系统的频带资源，可以显著减小波束搜索开销。

由于车载单目相机传感器具有高检测精度和较远的探测距离，可以提供丰富的感知细节信息，在计算机视觉领域和自动驾驶领域体现出良好的性能，本发明认为其具备辅助完成波束对准的可行性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于视觉感知的V2V毫米波波束对准方法，利用车载单目相机的场景感知能力，结合计算机视觉感知技术，在完成相对精确的波束对准的同时具有硬件开销低的优势。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于视觉感知的V2V毫米波波束对准方法,包括以下步骤：

步骤S1：设计固定的DFT码本矩阵，模拟波束成形；

步骤S2：使用车载单目相机拍摄场景图像，并使用FCOS3D目标检测算法检测场景中的目标车辆，获得目标在相机坐标系下的三维位置；

步骤S3：进行坐标变换，将目标在相机坐标系下的坐标位置变换到天线坐标系下，再变换到平面极坐标系下，计算出目标距离车体的距离和方位角；

步骤S4：根据目标方位角，利用DFT码本矩阵生成波束成形矢量，完成波束对准。

3、优选的，步骤S1中，具体包括：

将信道中的出发角格点化，表示为{θ_j},j＝1,...,G_T，且满足G_T≥N_T，这里G_T为出发角格点数，N_T为发射端天线数，具体而言，考虑出发角和到达角的角度范围为[0,π)，在格点上的出发角可以分别表示为

假设G_T＝N_T，将不同角度对应的阵列导向矢量合写在一个矩阵中，得到发射机的DFT码本矩阵如下：

其中，DFT码本矩阵的每一列代表了一个出发角或到达角的对应天线响应。