毫米波通信中的波束搜索方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種毫米波通信中的波束搜索方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信的帶寬需求日益增加，導(dǎo)致低頻 段的頻譜資源愈發(fā)緊張。因此，業(yè)界開始將目光投向毫米波（Millimeterwave，MMW)頻段。 毫米波頻段擁有極其豐富的頻譜資源，因而具有很高的潛在商業(yè)價(jià)值。作為毫米波通信的 典型應(yīng)用，60GHz無線局域網(wǎng)（wirelesslocalareanetwork，WLAN)在60GHz波段實(shí)現(xiàn)高 達(dá)吉比特的通信速率。當(dāng)前支持60GHzWLAN的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802. 15. 3c和IEEE802. 1lad的 相繼發(fā)布，預(yù)示了 60GHzWLAN的廣泛應(yīng)用前景。
[0003] 然而60GHzWLAN也面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)經(jīng)典弗里斯公式，高頻信號(hào)的傳 輸損失要高于低頻信號(hào)，60GHzWLAN的傳輸損耗要比目前廣泛使用的2. 4GHzWLAN傳輸損 耗高約15dB/km。因此60GHzWLAN設(shè)備需要采用天線陣列，利用波束賦形技術(shù)獲得陣列增 益來彌補(bǔ)傳播衰減造成的功率損失。另一方面，由于MMW信號(hào)的波長(zhǎng)很小，使得天線陣列的 小型化成為可能，利于通信系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)。
[0004] 波束賦形技術(shù)主要分為兩類：自適應(yīng)波束賦形和波束切換。自適應(yīng)波束賦形需要 耗費(fèi)大量的計(jì)算和迭代時(shí)間，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易于工程實(shí)現(xiàn)。而波束切換由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更適 用于60GHzWLAN，所以被廣泛采用。波束切換需要解決的問題是如何提高波束搜索效率。 窮舉搜索是一種簡(jiǎn)單易行的搜索方法，然而該方法需要遍歷整個(gè)碼本，搜索效率很低。為了 提高搜索效率，廣為采用的是分階段搜索算法。分階段搜索方法將波束搜索分為扇區(qū)搜索 (sectorlevelsweep，SLS)和波束細(xì)化（beam-refinement，BR)兩個(gè)子階段，僅需遍歷部 分碼本，因而減少了波束搜索次數(shù)。IEEE802. 15. 3c和IEEE802. 1lad均采用了此種方法。 LiBin等人則提出了基于Rosenbrock算法的波束搜索方法，與IEEE802. 15. 3c和IEEE 802.llad相比，LiBin方法進(jìn)一步降低了波束搜索的時(shí)間復(fù)雜度，減少了波束搜索時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了進(jìn)一步降低波束搜索的時(shí)間復(fù)雜度，提高波束搜索效率，設(shè)計(jì)了一 種具有層次結(jié)構(gòu)的碼本，它充分利用了不同層次碼本中天線權(quán)重向量（antennaweight vector，AWV)的覆蓋特性，將原本無序的碼本組織為完全二叉樹結(jié)構(gòu)，并相應(yīng)的提出了 基于折半查找的波束搜索方法。本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)化碼本的搜索方法可稱為類折半查找 (binary-searchlike，BSL)方法。
[0006] 本發(fā)明提供的毫米波通信中的波束搜索方法，基于下面所述的具有層次結(jié)構(gòu)的碼 本：對(duì)均勾線性天線陣列（uniformlylineararray，ULA)陣元數(shù)目為N的WLAN設(shè)備，設(shè)計(jì) 粗碼本具有如下特征：
[0007] (1)粗碼本總共具有l(wèi)og2N+l層，其中第k層碼本具有2k4個(gè)天線權(quán)重向量AWV:
[0008]{w(k，1)，w(k，2)，w(k，3)，…，w(k，2k-1)};
[0009] (2)每層碼本中的AWV全體覆蓋整個(gè)2-D空間；
[0010]WLAN設(shè)備的指向向量函數(shù)g(N，⑴為：
：其 中，[*]T表示轉(zhuǎn)置操作，函數(shù)表示W(wǎng)LAN設(shè)備的指向向量函數(shù)，Q為信道指向角度，Q=cos(巾），巾表示直射路徑與WLAN設(shè)備的夾角；
[0011] 第k層碼本的AWV為：
-、
[0012] 其中
艮據(jù)WLAN設(shè)備的指向向量函數(shù)來確定；
[0013] (3)第k層碼本中AWV的半功率點(diǎn)波束寬度（HPBW)剛好覆蓋第k+1層碼本中的相 鄰兩個(gè)AWV的HPBW。
[0014] 針對(duì)波束分辨率要求更高場(chǎng)合，設(shè)計(jì)的精碼本，設(shè)需要波束指向方向的分辨率為 2/aN，其中a是碼本細(xì)化系數(shù)，a彡1，則精碼本的AWV表達(dá)式為：
[0015]
[0016] 本發(fā)明提供的毫米波通信中的波束搜索方法，為基于門限的粗碼本波束搜索方 法，具體如下：
[0017] 設(shè)兩個(gè)WLAN設(shè)備DEV1和DEV2采用設(shè)計(jì)的粗碼本進(jìn)行波束搜索，DEV1和DEV2的 ULA的陣元數(shù)分別為凡和Nd，DEV1和DEV2的天線權(quán)重向量分別為^和wd;
[0018] 設(shè)DEVI采用某個(gè)天線權(quán)重向量向DEV2發(fā)送數(shù)據(jù)，DEV2進(jìn)行基于門限的粗碼本波 速搜索過程如下：
[0019]初始化：設(shè)層數(shù)序號(hào)為k，AWV位置序號(hào)為i，門限為K，置信區(qū)間上界和下界分別 為n和y;初始設(shè)置k=l，i=l，K=〇，q=1.7，y=0.7;
[0020] 第一次搜索：DEV2計(jì)算wd(2, 1)和wd(2, 2)的接收信噪比y21和y22，若 彡Tm，令門限K = 且更新AWV位置序號(hào)為2i，否則令門限k=y22且更新AWV 位置序號(hào)為2i-l。k自增1，繼續(xù)下面循環(huán)搜索；
[0021] 循環(huán)搜索：執(zhí)行下面（A)~⑶過程log2Nd-l次；
[0022] (A)DEV2計(jì)算wd(k+l，2i)的接收信噪比，設(shè)為yi，若ynk，則更新AWV位 置序號(hào)為2i，令k= 丫1;若y 1彡yk，則更新AWV位置序號(hào)為2i_l，令k= 1.8k;若 yiKyZqk，DEV2計(jì)算wd(k+l，2i_l)的接收信噪比，設(shè)為y2，若y2,則令k= h且更新AWV位置序號(hào)為2i，若yi<Y2，則令k=y2且更新AWV位置序號(hào)為2i-l;
[0023] (B)k自增1，繼續(xù)轉(zhuǎn)（A)執(zhí)行；
[0024] 最后，搜索完畢后，接收信噪比最大的AWV以及對(duì)應(yīng)的位置序號(hào)，就是最優(yōu)的天線 權(quán)重向量<及對(duì)應(yīng)的索引<。
[0025] 基于門限的粗碼本波束搜索方法采用門限以及置信區(qū)間的方法，在每次搜索中僅 需計(jì)算一次接收信噪比SNR，且符合要求的接收SNR將刷新搜索門限，用于下一次搜索。與 無門限的粗搜索相比，減少了一半的搜索復(fù)雜度，提高了碼本搜索效率。
[0026]在兩個(gè)WLAN設(shè)備DEV1和DEV2采用設(shè)計(jì)的粗碼本進(jìn)行波束搜索，獲得最優(yōu)AWV對(duì) 后，在需求波束分辨率要求更高場(chǎng)合，采用設(shè)計(jì)的精碼本，實(shí)現(xiàn)了基于折半查找的精碼本波 束搜索方法。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：本發(fā)明方法所使用的碼本是層次化碼本，它充分 利用了不同層次碼本中天線權(quán)重向量（AWV)的覆蓋特性，將原本無序的碼本組織為完全二 叉樹結(jié)構(gòu)，使在波束搜索中應(yīng)用折半搜索方法成為可能?；陂T限的粗碼本搜索方法實(shí)現(xiàn) 了折半查找，在每次搜索中僅需計(jì)算一次接收SNR，且符合要求的接收SNR將刷新搜索門 限，用于下一次搜索，與無門限的粗搜索相比，減少了一半的搜索復(fù)雜度，提高了碼本搜索 效率。通過理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)均表明，與IEEE802. 15. 3c、IEEE802.llad以及LiBin 的方法相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的波束搜索方法進(jìn)一步降低了波束搜索的時(shí)間復(fù)雜度，提高了波 束搜索效率。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例基于波束賦形的60GHzWLAN系統(tǒng)模型示意圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例ULA陣元數(shù)N= 4時(shí)第（log2N+l)層碼本的波束方向圖；
[0030] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例ULA陣元數(shù)為8時(shí)，W(3, 2)與W(4, 3)和W(4, 4)的覆蓋關(guān)系；
[0031] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例粗碼本AWV的層次化結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖；
[0032] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例ULA天線數(shù)N= 4,精碼本細(xì)化系數(shù)a= 2時(shí)的精碼本AWVs 的天線方向圖；
[0033] 圖6是本發(fā)明的毫米波通信中的基于門限的粗碼本波束搜索方法的示意圖；
[0034] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例a= 4且N= 8時(shí)第4層粗碼本與精碼本的〇雇的曲線 示意圖；
[0035] 圖8是僅存在直射徑時(shí)，無門限粗搜索方法+精搜索方法的搜索結(jié)果和窮舉方法 的搜索結(jié)果對(duì)比圖；
[0036] 圖9是存在直射徑和非直射徑時(shí)，無門限粗搜索方法+精搜索方法的搜索結(jié)果和 窮舉方法的搜索結(jié)果對(duì)比圖；
[0037] 圖10是僅存在直射徑時(shí)，基于門限粗搜索方法+精搜索方法的搜索結(jié)果和窮舉方 法的搜索結(jié)果對(duì)比圖；
[0038] 圖11是存在直射徑和非直射徑時(shí)，基于門限粗搜索方法+精搜索方法的搜索結(jié)果 和窮舉方法的搜索結(jié)果對(duì)比圖；
[0039] 圖12是本發(fā)明波束搜索方法與現(xiàn)有方法的時(shí)間復(fù)雜度對(duì)比示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0041] 本發(fā)明通過利用碼本中天線權(quán)重向量逐層細(xì)化的特性以及天線權(quán)重向量間的波 束覆蓋關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了層次化碼本結(jié)構(gòu)