利用壓縮感知的雙端時域波束搜索方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及在多天線正交頻分復(fù)用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)通信系統(tǒng)中的米用壓縮感知來搜索最優(yōu)波束矢量的方法。本發(fā)明提供了一種在多天線0FDM通信系統(tǒng)中的一種利用壓縮感知的雙端時域波束來搜索最優(yōu)波束矢量的方法。該方法利用離開角、到達角的稀疏性將波束搜索的問題轉(zhuǎn)化為壓縮感知的問題，結(jié)合信道的對稱性，通過反復(fù)迭代的方法確定最優(yōu)的發(fā)射和接收波束矢量。
【專利說明】利用壓縮感知的雙端時域波束搜索方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及在多天線正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)通信系統(tǒng)中的采用壓縮感知來搜索最優(yōu)波束矢 量的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] UWB系統(tǒng)和60GHz系統(tǒng)主要用于短距離高速傳輸，應(yīng)用范圍廣泛，包括無線個域網(wǎng) (WPAN，Wireless Personal Area Network),無線高清多媒體接口，醫(yī)療成像，車載雷達等 等。為了適應(yīng)高數(shù)據(jù)率和高系統(tǒng)容量等方面的需要，UWB系統(tǒng)和60GHz系統(tǒng)往往利用多天 線多載波技術(shù)用于傳輸數(shù)據(jù)。
[0003] 多天線技術(shù)包括多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，ΜΙΜ0)，多 輸入單輸出（Multiple Input Single Output，MIS0)和單輸入多輸出（Single Input Multiple Output，SIM0)。基于陣列天線的波束成形技術(shù)利用傳輸信號的方向性提高信噪 比（Signal to Noise Ratio, SNR)，抑制干擾，改善系統(tǒng)性能。
[0004] 陣列天線在空間的分布情況影響了信道空間的相關(guān)性，智能天線中的波束成形技 術(shù)利用了這種相關(guān)性對信號進行處理，在期望方向上產(chǎn)生方向性強的輻射波束增強有用信 號，零瓣方向?qū)矢蓴_源達到抑制作用，由此提高信噪比和增加傳輸距離。在收/發(fā)端應(yīng)用 天線陣列波束成形具有以下優(yōu)勢：首先，降低對功率放大器的要求。發(fā)射端如果使用單個天 線時，對PA增益要求很高。如果發(fā)射端使用天線陣列發(fā)送信號，每個天線陣元前面增加一 個功放，這樣通過使用多個較低功率增益的PA就能夠滿足發(fā)射功率要求。其次，天線陣列 波束成形便于定向傳輸。在發(fā)射功率不變情況下，等效增加接收機接收信號的功率，同時還 可以有效降低多徑時延擴展。這樣可以簡化收發(fā)機的基帶設(shè)計，降低模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分 辨率指標。最后，天線陣列系統(tǒng)動態(tài)地調(diào)整波束的方向，以使期望方向獲得最大的功率并減 小其他方向的功率。這樣不僅改善了信號干擾比，還提高了系統(tǒng)的容量，擴大了系統(tǒng)通信覆 蓋范圍，降低了發(fā)射功率要求。
[0005] 0FDM是多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速 數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通 過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道間相互干擾ISI。每個子信道上的信 號帶寬小于信道的相干帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符 號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對 容易?；?FDM的波束成形需要在發(fā)射端天線前做快速傅里葉逆變換變換，接收端做快速 傅里葉變換變換來解調(diào)。
[0006] 波束切換是一種波束搜索規(guī)則，它在發(fā)射機和接收機兩端都預(yù)先設(shè)置好波束控制 矢量碼本，使用時只需要從中選取。因此，切換波束形成也稱為基于碼本的波束成形，使用 開關(guān)天線陣列，在發(fā)送數(shù)據(jù)包前，發(fā)射機要多次發(fā)送攜帶不同波束控制矢量的信息。
[0007] 基于信道狀態(tài)信息的波束成形技術(shù)，發(fā)射機和接收機都可以找到一個最優(yōu)的波 束成形控制矢量。其詳細方法可參考：Y〇〇n S, Jeon T, Lee W. Hybrid beam-forming and beam-switching for OFDM based wireless personal area networks[J]. Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, 2009, 27 (8) : 1425-1432.物理層（PHY)解決方案能 夠提供最優(yōu)的系統(tǒng)性能，波束成形操作往往考慮在物理層進行，但獲取完整的信道狀態(tài)信 息要很高的時間成本和開銷?；诖a本的波束成形技術(shù)有助于降低復(fù)雜度和開銷，而且碼 本既可以完全根據(jù)基帶信號處理而設(shè)計，也可以結(jié)合控制層（MAC)實現(xiàn)。
[0008] 波束搜索時的搜索策略是至關(guān)重要的，高效的波束搜索策略能夠有效降低搜 索時間，假設(shè)發(fā)射端有N個發(fā)射波束矢量，Μ個接收波束矢量，則最多需要NXM次搜索， 802. 15. 3c中采用了兩級的碼本結(jié)構(gòu)：一個扇形碼本和一個波束碼本，波束碼本的每個列 向量表不一個波束，每個波束圖案都表不一個精確的方向，每個扇區(qū)都是幾個波束的集 合，在空間中表示較寬的方向，所有的扇區(qū)加起來覆蓋整個空間。搜索過程也分為兩階 段：第一階段在根據(jù)信噪比找到最優(yōu)的扇區(qū)，第二階段在最優(yōu)的扇區(qū)中找到最優(yōu)的波束。 其詳細方法可參考：Wang J，Lan Z，Pyo C W，et al. Beam codebook based beamforming protocol for multi-Gbps millimeter-wave WPAN systems[J]. Selected Areas in Communications, IEEE Journal on,2009, 27 (8):1390-1399.。
[0009] 分階段的波束搜索策略可以大幅減低搜索次數(shù)，但是當(dāng)天線陣列很大時，需要的 搜索次數(shù)仍然是巨大的。因此，研究一種快速有效的波束搜索算法是一項有創(chuàng)新性和重要 實際意義且具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明提供了一種在多天線0FDM通信系統(tǒng)中的一種利用壓縮感知的雙端頻域波 束來搜索最優(yōu)波束矢量的方法。該方法利用發(fā)射角、到達角的稀疏性將波束搜索的問題轉(zhuǎn) 化為壓縮感知的問題，通過發(fā)射端和接收端使用不同的發(fā)射和接收矢量，由接收端單獨確 定最優(yōu)的發(fā)射/接收波束矢量。
[0011] 本發(fā)明的目的是通過如下步驟來實現(xiàn)的：
[0012] S1、令設(shè)備1的收發(fā)天線數(shù)為Nt，所述設(shè)備1的碼本中的波束數(shù)目為Ct，所述設(shè)備 1使用全向天線向設(shè)備2發(fā)射，發(fā)射波束矢量為

【權(quán)利要求】
1.利用壓縮感知的雙端時域波束搜索方法，其特征在于，包括如下步驟： 51、 令設(shè)備1的收發(fā)天線數(shù)為Nt，所述設(shè)備1的碼本中的波束數(shù)目為Ct，所述設(shè)備1使 用全向天線向設(shè)備2發(fā)射，發(fā)射波束矢量為
，所述發(fā)射波束長度為Nt，所述設(shè)備1 使用OFDM技術(shù)在頻域發(fā)射的序列為[1，1，...，1]，所述發(fā)射的序列長度為N 令設(shè)備2的收發(fā)天線數(shù)為Nr，所述設(shè)備2的碼本中的波束數(shù)目為Cr，所述設(shè)備2 的天線接收到的第m個子載波信號向量為
所述設(shè)備2 的接收端使用己個接收矢量來接收信號，任意一個接收矢量
都是長度為Nr的向 量，所述接收矢量中的每個元素的值從集合[l，i，-l，_i]中隨機選擇，組成一個測量 矩陣
所述測量矩陣每一行都對應(yīng)一次接收，子載波信號為
，測量信號向量為
，其中，
是長度為Nr的噪聲向量，扎為第m個 頻點的階數(shù)為Nr XNt信道矩陣，所述信道矩陣中第X行第y列的元素表示從發(fā)射端第y根 天線到接收端第X根天線間的頻域信道沖擊響應(yīng)，其中，m = 1，2,. . .，N，y = 1，2,. . .，Nt， x = 1，2,. . .，Nr，d = 1，2,. . . Py i為虛數(shù)單位，
是噪聲向量，瓦.；中的每個元素對應(yīng)一 個測量值，（)τ是矩陣的轉(zhuǎn)置運算，P,為大于1的整數(shù)，N、Nt、Nr、Ct和Cr均為大于1的整 數(shù)； 52、 根據(jù)S1所述構(gòu)建字典矩陣為D，D的每一列對應(yīng)[-90°，90° ]中的一個角度，S1 所述信號可以在D下展開，并且是稀疏的，展開系數(shù)為復(fù)數(shù)，4,,.是#_在D下的展開系 數(shù)； 53、 、使用Ν個任務(wù)的正交匹配追蹤算法（Orthogonal Matching Pursuit，OMP)聯(lián)合所 有S1所述子載波信號見共同恢復(fù)出所有的，具體為： 531、
所述瓦可以在t下展開， 也,，是又在V,下的展開系數(shù)； 532、 從S31所述t中找到一列?使彳
i最大，構(gòu)造矩陣
·算出所有_
在V。下的展開系數(shù)
表示當(dāng)前恢復(fù)程度的 剩余量
，其中，（Γ1是矩陣的求逆運算，（) H是矩 陣的共軛轉(zhuǎn)置運算，I · I表示取復(fù)數(shù)的幅度，11 · 112表示向量的二范數(shù)運算； 533、 從t中找到使得
最大，其中是矩陣4中的第m列，將^加到S32 所述V。中得到更新后的
算出在更新后的V。下的展開系數(shù)； S34、循環(huán)S34到S33,直到&的F范數(shù)小于
的F范數(shù)的a倍時停止，結(jié) 合S2所述字典矩陣D中的列向量與對應(yīng)位置的系數(shù)線性組合恢復(fù)?
，其中，a為門限 值，0〈a〈l，且a為實數(shù)； 54、 恢復(fù)出所有頻點的，
記作
認碼本中找到一個適合的波束矢量?使得頻譜 效率最大，
，其中
是噪聲的功率，ξ是長 度為Nr的復(fù)向量； 55、 使用N個任務(wù)的OMP聯(lián)合所有S1所述測量信號I,?共同恢復(fù)出所有的
具體 如下： 551、
，所述
可以在可以在Vt下展開，
是Αν在Vt下的展開系數(shù)，其中，Vt = 〇tD; 552、 從S51所述Vt中找到一列^使?Ι
最大，構(gòu)造矩陣<40，算出所有 又,4在Vt下的展開系數(shù)
，表示當(dāng)前恢復(fù)程 度的剩余量
?其中，（Γ1是矩陣的求逆運算，（) H 是矩陣的共軛轉(zhuǎn)置運算，I · I表示取復(fù)數(shù)的幅度，11 · 112表示向量的二范數(shù)運算； 553、 從t中找到&使彳1
最大，其4
是矩陣4中的第m列，將加到S32 所述V。中得到更新后的
，算[￡
在更新后的V。下的展開系數(shù)； 554、 循環(huán)S51到S53,直到&的F范數(shù)小于
的F范數(shù)的a倍時停止，結(jié) 合S2所述字典矩陣D中的列向量與對應(yīng)位置的系數(shù)線性組合恢復(fù)出
記為
，從碼 本中找到一個最適合的波束矢量4使得頻譜效率最大：
，其 中
是噪聲的功率，？:是長度為Nr的復(fù)向量其中，a為門限值，0〈a〈l，且 a為實數(shù)，
是噪聲的功率，4是長度為Nr的復(fù)向量； 56、 設(shè)備2的接收端使用Pt個接收矢量來接收信號，與S1. 3的步驟 一樣，結(jié)合所有頻點的信號運用多任務(wù)正交匹配追蹤算法，測量信號為
，其中
+是測量矩陣， 每一行接收矢量對應(yīng)一次測量，任意一個接收矢量
都是長度為Nt的 向量，每個元素的值從集合[1，i，-l，-i]中隨機選擇，5?.,是九.，在Vt下的展開系數(shù)，重復(fù)測 量Pt次，根據(jù)
恢復(fù)it
，記為
》當(dāng)所有頻點的
都恢復(fù)出 來后，從碼本中找到一個最適合的％使得頻譜效率最大，
其中
pt為大于1的整數(shù)是長度為Nt的復(fù)向量； 57、 設(shè)備1以％作為發(fā)射波束矢量向設(shè)備2發(fā)射，設(shè)備2通過重復(fù)S1-S6的步驟找到最 優(yōu)的接收矢量 58、 經(jīng)過反復(fù)迭代，對于設(shè)備1和設(shè)備2來說，當(dāng)相鄰兩次找到的波束矢量，即5和#相 同時迭代終止，并將最終找到的Λ和￡:作為設(shè)備1和設(shè)備2最優(yōu)的波束矢量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述利用壓縮感知的雙端時域波束搜索方法，其特征在于：對于任 意角度q，S2所述字典矩陣D中的對應(yīng)列為
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述利用壓縮感知的雙端時域波束搜索方法，其特征在于：S54所述 a = 0. 05。
【文檔編號】H04L27/26GK104219188SQ201410427566
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】成先濤, 王夢瑤 申請人:電子科技大學(xué)