Millimetre-Wave Beam Tracking: An Intelligent Machine Learning and Kalman Filter Fusion Technology

计算机科学 稳健性(进化) 波束赋形 卡尔曼滤波器 人工智能 传感器融合 均方误差 人工神经网络 架空(工程) 带宽(计算) 算法 实时计算 电信 数学 操作系统 统计 基因 化学 生物化学
作者
Chentao Liang,Jinsheng Kuang,Fan Wu,Jienan Chen
出处
期刊:IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:10 (2): 487-498
标识
DOI:10.1109/tccn.2023.3334206
摘要

Millimeter-wave (mmWave) based wireless communication with beamforming is a promising technology to meet the ever-increasing demand for communication bandwidth. However, due to the narrow beam, beam tracking is a challenge since consistent accuracy tracking is required. To solve the above challenges, we propose an intelligent machine learning (ML) and Kalman filter (KF) fusion technology in this work. The proposed ML-KF fusion method provides consistent and robust high tracking accuracy with low tracking overhead. By introducing the variational Bayesian inference, the acquisition of the state transition function in the KF algorithm is converted to data-driven neural network training. Therefore, the fusion-based KF beam tracking learns the state transition matrix, which matches the practical scenario. Furthermore, a long-short-term memory (LSTM) is employed to predict the beam angle, which functions as a generative model to supply more data for the NN training. The proposed ML-KF fusion scheme improves the prediction accuracy while inheriting the KF robustness. According to the simulated results on the realistic campus scenarios by ray-tracing software, the proposed algorithm outperforms the existing beam tracking methods in bit error rate (BER) and normalized mean square error (NMSE) of angle prediction with less overhead.
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