The problem of beam alignment and tracking in high mobility scenarios such as high-speed railway (HSR) becomes extremely challenging, since large overhead cost and significant time delay are introduced for fast time-varying channel estimation. To tackle this challenge, we propose a learning-aided beam prediction scheme for HSR networks, which predicts the beam directions and the channel amplitudes within a period of future time with fine time granularity, using a group of observations. Concretely, we transform the problem of high-dimensional beam prediction into a two-stage task, i.e., a low-dimensional parameter estimation and a cascaded hybrid beamforming operation. In the first stage, the location and speed of a certain terminal are estimated by maximum likelihood criterion, and a data-driven data fusion module is designed to improve the final estimation accuracy and robustness. Then, the probable future beam directions and channel amplitudes are predicted, based on the HSR scenario priors including deterministic trajectory, motion model, and channel model. Furthermore, we incorporate a learnable non-linear mapping module into the overall beam prediction to allow non-linear tracks. Both of the proposed learnable modules are model-based and have a good interpretability. Compared to the existing beam management scheme, the proposed beam prediction has (near) zero overhead cost and time delay. Simulation results verify the effectiveness of the proposed scheme.


翻译:在高速铁路(HSR)等高流动性情景下,光束调整和跟踪问题变得极具挑战性,因为对于快速时间变化的频道估算,引入了高昂的间接费用和大量延迟时间,因此,为了应对这一挑战,我们提议为HSR网络制定一个学习辅助的波束预测计划,预测波束方向和频道振幅,在未来一段时间内,利用一组观测,以细微时间颗粒预测的方式预测波束方向和频道振幅。具体地说,我们将高维波束预测问题转化为两阶段任务,即低维参数估计和连锁混合波形成形作业。在第一阶段,某个终端的位置和速度由最大可能性标准估算,而数据驱动数据聚合模块的设计是为了提高最终估计的准确性和稳健性。然后,根据HSR假设之前的假设预测,包括确定性轨迹、运动模型和频道模型。此外,我们将一个可学习的非线性参数绘图模块纳入整个波状组合的混合波束成形模型。在第一个阶段,一个拟议中的终端终端位置和速度预测模型将允许进行不精确的模拟的模型。

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