一種多徑信道下的分級波束搜索方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了一種基于模擬波束賦形技術(shù)的多徑信道下的分級波束搜索方法。本發(fā)明實施例在毫米波通信系統(tǒng)中，較原有二分波束搜索方法，能夠以更高的成功率找到最優(yōu)通信波束，相較于窮舉搜索法，在獲得幾乎同樣的成功率情況下，具有更低的搜索復雜度。
【專利說明】
一種多徑信道下的分級波束搜索方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明涉及通信領域，尤其涉及多徑信道下的分級波束搜索方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的廣泛應用，能夠?qū)崿F(xiàn)Gbps傳輸速率的毫米波通信受到越來越 廣泛的關注。但是毫米波通信必須克服其本身傳輸特性而導致的高路徑損耗問題，因此通 信收發(fā)雙方需配備多天線系統(tǒng)以采用波束賦形技術(shù)來實現(xiàn)鏈路預算。
[0003] 目前基于相關天線陣列的模擬波束賦形技術(shù)條件下，已有的各種改進型分級搜索 策略算法僅適用于以一條能量為主的單徑通信環(huán)境，不適用于多徑環(huán)境。但現(xiàn)實通信環(huán)境 大都是多徑信道，若處在多徑環(huán)境下這些波束搜索算法極有可能搜到的不是最優(yōu)通信波 束，因此，這些波束搜索算法都存在很大的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，將基于模擬波束賦形技術(shù)，利用分級 搜索思想設計出適合于多徑環(huán)境下的波束搜索方法，該方法將記錄逐級搜索過程中所能獲 取的信息，并利用該信息指導下一級波束搜索，以保證多徑環(huán)境下能夠搜索到最優(yōu)通信波 束。
[0005] 本發(fā)明提供的一種基于模擬波束賦形技術(shù)的多徑信道下的分集波束搜索方法，其 特征在于:分級搜索中每一級搜索過程的特殊改進及如何選用波束，以及在最細波束階段 即最后一級搜索過程中對搜索結(jié)果按照一定規(guī)則的處理。
[0006] 上述場景特征為:信道中具有多徑通信分量的室內(nèi)環(huán)境。
[0007] 該方法的具體描述如下：
[0008] 假設信道中多徑數(shù)為L，接收端和發(fā)射端天線數(shù)Nt = Nr=M。令Q表示碼本總級數(shù)，那 么Q = log2M，q表示第q級碼本。與二分搜索法不同的是，該方法需要根據(jù)信道多徑數(shù)來決定 起始發(fā)射碼本的級數(shù)q，即2 q>L，究其原因分析如下。假設信道多徑數(shù)為3的情況下，起始發(fā) 射波束依然為第一級碼本中的兩個波束，由于多徑隨機分布在360°范圍內(nèi)，那么這3條徑隨 機分布在這兩個波束覆蓋范圍內(nèi)的概率較大，根據(jù)下文算法步驟(4)和(5)，在第二級搜索 過程中發(fā)射波束有極大可能依然需要遍歷第二級碼本中的4個波束，所以從減小搜索復雜 度方面來說，將第二級碼本作為起始發(fā)射波束碼本最佳。
[0009] (1)設置收發(fā)雙方各自天線數(shù)M，百分比截斷閾值percentThreshold。這個閾值可 以被認為是區(qū)分有效信息與干擾信息的標準。
[0010] (2)根據(jù)多徑數(shù)L計算搜索算法的起始級數(shù)，即滿足2q>L的q值，比如L = 3時，則從q =2級開始搜索。
[0011] (3)如果q = Q，進入步驟(6)，否則繼續(xù)執(zhí)行下面的步驟，
[0012] (4)發(fā)射端取出第q級碼本中需要的碼字，發(fā)射訓練信號，接收端全向接收信號。此 時接收端計算出所有這些碼字所對應的信噪比值，用γ i來表示。，并從中找出γ i當中第L大 的值，以該值作為基準（分母），計算出γ i相對于該值的百分比。數(shù)組indexArray記錄大于 等于percentThreshold所對應的波束編號i。由于仿真時信道增益是隨機產(chǎn)生的，有可能各 個路徑信道增益相差非常大，如果此時以最大值作為基準，那么能夠準確區(qū)分出有效信息 與干擾的閾值將會變得很小，同時搜素復雜度也會隨著閾值的微弱變化而產(chǎn)生較大變化， 因此從概率角度來說，我們不以γ:當中最大值作為基準，以盡量減小最大值對搜索方案性 能的影響。此處選取 γι當中第L大的值作為基準。
[0013] (5)將步驟(3)中數(shù)組indexArray中的編號，轉(zhuǎn)換成下一級碼本的碼字編號(波束 編號），例如indexArray中編號i需更新為2i和2i_l，然后進入下一輪波束搜索，置q = q+l， 返回到步驟(3)。
[0014] (6)經(jīng)過上述步驟，此時波束搜索已經(jīng)進行了Q-1級搜索，即將進入第Q級搜索，即 波束將是最細的通信波束。該階段需要將步驟(4)中轉(zhuǎn)換出的波束編號做有選擇性的刪除。 例如indexArray中編號2i和2i-l，發(fā)射端切換探測這兩個波束，接收端需要根據(jù)信噪比值 大小從中選出一個編號，以確定這兩個編號對應的局部最優(yōu)波束，其余編號做相同的操作， 更新數(shù)組indexArray的值。接下來進入第(6)步進一步確定全局最優(yōu)波束。
[0015] (7)實際應用中，波束數(shù)目與天線數(shù)一般有K = 2M關系，因此以上最后一步搜索過 程實際還有Μ個波束未使用。根據(jù)波束主瓣方向的相對關系，最優(yōu)通信波束也可能出現(xiàn)在這 Μ個未使用的波束中。假設indexArray中的第一個編號為j，實際上編號j為Μ個波束中的編 號，轉(zhuǎn)化成2Μ個波束中的編號即為2j，那么發(fā)射端還需再次切換探測2j-l，2j，2j+l三個編 號所對應的波束，并用數(shù)組indexLocalOptimal記錄信噪比最大的編號。依次對indexArray 中所有編號做類似處理，最后，比較indexLocalOptimal中所有編號對應的信噪比大小，即 可獲得全局最優(yōu)通?目波束。
[0016] 以上是搜索發(fā)射端最優(yōu)通信波束編號的過程。若搜索接收端最優(yōu)通信波束編號， 發(fā)射端采用最優(yōu)通信波束發(fā)射訓練信號，由于此時發(fā)送端在一定程度上已經(jīng)掌握了部分信 道信息（角度），因此，接收端雖是重復上述步驟，但步驟(3)中只需以最大值作為基準，閾值 可設置為1，算法退化為二分法。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)優(yōu)勢在于：
[0018] 在多徑環(huán)境下，相較于二分搜索算法，該算法能夠以更高的成功率搜索到最優(yōu)通 信波束，相較于窮舉搜索法，該算法在獲得幾乎同樣的成功率情況下，則具有更低的搜索復 雜度。
【附圖說明】
[0019] 圖1是多徑環(huán)境中二分搜索法存在的問題；
[0020] 圖2是毫米波多徑信道模型；
[0021 ]圖3是分級碼本的波束圖；
[0022]圖4是多徑信道下分級波束搜索方法的流程圖；
[0023]圖5是percentThreshold值與搜索成功率的仿真結(jié)果圖；
[0024] 圖6是該算法與窮舉搜索算法的復雜度比較圖；
[0025] 圖7是該算法與二分搜索算法的搜索成功率比較圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案進行詳細闡述。
[0027] 本發(fā)明實例提供了一種基于模擬波束賦形技術(shù)的多徑信道下的分集波束搜索方 法。
[0028] 通過本發(fā)明實例可以克服如圖1中所示二分法存在的局限性，避免漏選掉包含有 多徑信息的波束，在如圖2所示的多徑環(huán)境中能以極高的成功率和較低的復雜度找到最優(yōu) 通信波束，提高毫米波通信系統(tǒng)的性能。
[0029] 本發(fā)明實例主要是基于分級搜索策略的思想，因此亦需要特定的分級碼本。該方 法將采用已提出的一種N相位碼本來代替DFT碼本，該碼本產(chǎn)生的波束具有較優(yōu)的旁瓣性 能，這一點對于波束搜索算法至關重要。N相位碼本產(chǎn)生的公式如下：
[0031] m位天線陣元編號，Μ為天線陣元數(shù)目，k為波束編號，K為波束總數(shù)目，一般K = 2M。
[0032] 具體波束圖如下圖3所示，圖中（a)為兩天線陣元產(chǎn)生的四個波束，其中兩條實線 對應的波束表示該方法第一級碼本中的兩個波束w(2,2)與w(2,4)，虛線波束在該方法中將 不用。每一級如此選擇波束是為了使得下一級兩個波束覆蓋范圍疊加正好與這一級波束的 覆蓋范圍相同，如圖中（b)所示。其中黑色粗線為第一級碼本中的波束，兩條細線為由四天 線陣元產(chǎn)生的第二級波束，從圖中可以明顯看出它們的覆蓋范圍具有層間包含關系。
[0033] 毫米波通信系統(tǒng)收發(fā)雙方根據(jù)天線陣元數(shù)目產(chǎn)生并設置各自所需的分級碼本，接 下來上述算法描述中的流程即可找到多徑通信環(huán)境中的全局最優(yōu)通信波束對。通過如圖4 中仿真結(jié)果來看，一般將該算法步驟(1)中的percentThreshold值設為1能夠獲得較高的成 功率(96%以上）。圖5表明，較窮舉搜索算法而言，該算法具有極低的復雜度。如圖6所示，二 分搜索算法找到全局最優(yōu)通信波束的概率只有60 %左右。其中，percentThreshold值設為1 的物理意義是分級搜索策略中的每一級搜索過程中選取的波束個數(shù)等于信道中的多徑分 量數(shù)L，percentThreshold值大于1的物理意義是選取的波束個數(shù)小于信道中的多徑分量數(shù) L。該算法復雜度可按下式來表示，
[0034] C = 2s+2 X L X (log2M-s)+3 X L+2 X log2M+3
[0035] = 0 (2L log2M)
[0036] 上式中s為算法中由L確定的初始q值，一般為2或3。
[0037] 另外，由于單通信路徑很容易受到環(huán)境中各種因素的干擾而導致通信中斷，尤其 是物體移動對信號的遮擋。為了解決這個問題，可以再次啟動波束搜索來搜尋可用路徑，這 勢必會消耗掉一段時間；或者使用中繼節(jié)點，經(jīng)過多跳網(wǎng)絡繞過遮擋物，但是這也將會增加 網(wǎng)絡的復雜度。該算法雖是為了解決現(xiàn)有波束搜索算法無法在多徑環(huán)境下使用提出的，但 非常容易用來搜索用作正常通信中斷時使用的備選通信波束。在該算法設計中，我們可以 減小閾值percentThreshold大小至一個合適的值，來增加每一級波束搜索過程中的探測波 束數(shù)目，那么算法最后得到的數(shù)組indexLocalOptimal中信噪比前L大的編號所對應的波束 都可作為備選波束。
[0038]以上所述僅為本發(fā)明的一個【具體實施方式】，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。本 領域的技術(shù)人員應當理解，在不脫離發(fā)明原理的前提下，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或 者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
【主權(quán)項】
1. 一種多徑信道下的分級波束搜索方法，其特征在于，所述方法包括： 將研究的場景抽象為模擬波束賦形架構(gòu)下的多徑解析信道模型； 基于分級搜索策略和與之配合使用的分層碼本，再利用多徑波束搜索算法進行最優(yōu)波 束搜索； 其中，所述研究場景為毫米波多徑信道的場景； 所述算法包含:分級搜索中每一級搜索過程的改進及在最細波束階段即最后一級搜索 過程中對搜索結(jié)果按照一定規(guī)則的處理。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用N相位碼本產(chǎn)生與分級波束搜索相配合 的各級分層碼本； 其中，各級分層碼的每一級產(chǎn)生的波束數(shù)目是該級所選取的天線數(shù)目的2倍，然后每間 隔一個波束選用一個波束，即每一級均從總波束中選取一半波束用于波束搜索。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于相應的分層碼本，進行分級波束搜索，每 一級搜索選取的波束數(shù)目均大于等于多徑數(shù)。4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述最后一級搜索過程中對搜索結(jié)果按照一 定規(guī)則的進行處理，對多對局部最優(yōu)波束按照接收信噪比大小進行有選擇性地刪除，以縮 小最終能夠確定出全局最優(yōu)波束的范圍；然后對選擇出來的波束及其相鄰兩個波束再次進 行切換探測，從中選擇信噪比最大的那個波束作為最優(yōu)通信波束。
【文檔編號】H04B7/06GK106027133SQ201610341245
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】鄒衛(wèi)霞, 李輝
【申請人】北京郵電大學