設(shè)計(jì)。基于碼本的層次化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于折 半查找的次優(yōu)搜索方法。
[0042] 基于波束賦形的60GHzWLAN系統(tǒng)模型如圖1所示，包含了DEV1和DEV2兩個(gè)60GHz WLAN設(shè)備。DEVI和DEV2 均米用均勾線性天線陣列（uniformlylineararray，ULA)，ULA 陣元間隔為半波長(zhǎng)。DEVI和DEV2的ULA陣元數(shù)分別為凡和Nd。圖中wJPwd分別為DEVI 和0￡￥2的天線權(quán)重向量（&拉611仙￥618111：￥6(31：〇1'，六群），且||￥ ;3|| = ||￥(1||=1，||*|| 表示2范數(shù)。注意圖1是一個(gè)半雙工模型，DEVI和DEV2在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)共享ULA。
[0043] 相關(guān)研宄表明，MMW信號(hào)由于波長(zhǎng)較小，散射效應(yīng)并不明顯，所以只有反射路徑 (non-line-〇f-sight，NLOS)會(huì)造成多徑，因此，MMW信道具有指向性，如圖1所示。實(shí)際情 況下，空間中可能存在多條NL0S徑且NL0S的功率遠(yuǎn)小于L0S徑，L0S徑為直射路徑。為了 簡(jiǎn)化分析，假設(shè)只存在一條直射路徑（line-of-sight，L0S)。
[0044] 用H表示信道矩陣，在DEV1和DEV2之間只存在一條L0S徑的情況下，系統(tǒng)的信道 矩陣為：
[0045]
(1)
[0046] 其中，（?）H表示共軛轉(zhuǎn)置，人表示L0S徑的信道系數(shù)，Ds=cos〇s)，Dd = cos((})d)，扒和(}> ,分別表示LOS徑與DEVI和DEV2的夾角，DDd的取值范圍為（-1，1]。 為方便起見(jiàn)，將\和Dd稱為信道指向角度。h(Ns，Ds)和g(Nd，Dd)分別表示DEV1和DEV2 的指向向量函數(shù)。
[0047]
[0048]
[0049] 其中[*]T表示轉(zhuǎn)置操作。
[0050] 設(shè)DEV1向DEV2發(fā)送的功率歸一化信號(hào)為X，則DEV2接收的信號(hào)y為：
[0051]
(4)
[0052] 其中n表示功率歸一化的高斯白噪聲向量。DEV2的接收信噪比 (signal-noise-ratio,SNR)y為：
[0053:
(5)
[0054] 下面將介紹本發(fā)明針對(duì)wdPwd的碼本設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)說(shuō)明使y最大的最優(yōu)AWV 的波束搜索方法。
[0055] 碼本設(shè)計(jì)與波束搜索方法緊密相關(guān)。因?yàn)楸景l(fā)明的波束搜索方法一BSL搜索方法 分為粗搜索和精搜索兩個(gè)階段，碼本也相應(yīng)地分為粗碼本和精碼本。需要指出的是，粗碼本 對(duì)于任意設(shè)備是必須采用的，而精碼本則是可選的，只有在波束分辨率要求較高的場(chǎng)合才 需要使用。對(duì)于粗碼本而言，為了實(shí)現(xiàn)基于折半查找的波束搜索方法，提高波束搜索效率， 需要設(shè)計(jì)具有分層結(jié)構(gòu)、層次間具有嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系的碼本。由于DEV1和DEV2的碼本設(shè)計(jì) 完全相同，下面以任意ULA陣元數(shù)目為N的60GHzWLAN的設(shè)備為例介紹本發(fā)明BSL方法的 碼本設(shè)計(jì)。
[0056] 粗碼本是一個(gè)無(wú)序的AWV集合，為了能將折半搜索方法應(yīng)用于波束搜索過(guò)程，粗 碼本必須滿足以下三個(gè)特點(diǎn)：
[0057] ?碼本需要具有層次化結(jié)構(gòu)，將無(wú)序的碼本轉(zhuǎn)化為有序的碼本。
[0058] ?每層碼本中的AWV全體覆蓋整個(gè)2-D空間。
[0059] ?第k層碼本中AWV的半功率點(diǎn)波束寬度（halfpowerbeamwidth，HPBW)應(yīng)剛 好覆蓋第k+1層碼本中的相鄰兩個(gè)AWV的HPBW，即
[0060] HPBW{w(k，i)} =HPBW{w(k+l，2i)}UHPBW{w(k+l，2i-l)} (6)
[0061] 其中w(k，i)為第k層碼本中的第i個(gè)AWV，HPBW{w(k，i)}為w(k，i)所對(duì)應(yīng)的半 功率點(diǎn)波束寬度。
[0062] 依據(jù)上述的三個(gè)特點(diǎn)對(duì)粗碼本進(jìn)行編號(hào)得到表1。
[0063] 表1 :粗碼本層次編號(hào)
[0064]
[0065] 可以看出，粗碼本總共具有l(wèi)og2N+l層，第k層碼本具有2k_1個(gè)AWVs。
[0066] 當(dāng)\和Dd在（-1，1]內(nèi)按照步長(zhǎng)2/N等間隔取值時(shí)，由式（2)可得正交完備集：
[gi，g2,…，&]，其中& 1 + #)。將[Si，&，…，&]當(dāng)做第1〇&糾層碼本，則有：
[0067]
(7)
[0068] 這樣第log2N+l層碼本中的AWV全體剛好覆蓋了整個(gè)2-D空間，如圖2所示，為N 為4時(shí)第（log2N+l)層碼本的波束方向圖。
[0069] 依據(jù)粗碼本的三個(gè)特點(diǎn)，可以由第log2N+l層碼本推導(dǎo)出第log2N層碼本：
[0070]
C8)
[0071] 其中，0為零向量，下標(biāo)表示零向量中元素的個(gè)數(shù)，上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置操作，〇1/2表示 一個(gè)長(zhǎng)度為N/2的零向量，該向量是列向量。
[0072] 依次類(lèi)推可以得到第k層碼本為：
[0073]
]Si2k
[0074] 其中，1 + 根據(jù)WLAN設(shè)備的指向向量函數(shù)來(lái)確定。 2 N
[0075] 注意第一層粗碼本只包含一個(gè)全向的AWVw(l，1)。當(dāng)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)系如圖3所示，其中，實(shí)線條表示w(3, 2)，虛線條表示w(4, 3) 和w(4, 4)?？梢钥闯鰓(3, 2)的HPBW剛好等于w(4, 3)和w(4, 4)的HPBW之和。
[0076] 按照上述過(guò)程生成的粗碼本AWVs之間的關(guān)系如圖4所示，它們構(gòu)成了一個(gè)完全二 叉樹(shù)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使在粗碼本搜索中應(yīng)用折半搜索方法成為可能。
[0077] 從圖2中可以看出粗碼本中的AWVs雖然覆蓋整個(gè)2-D空間，但是波束不夠細(xì)化。 由于粗碼本最后一層有N個(gè)波束，因此波束指向方向的分辨率為2/N。在某些場(chǎng)景下，可能 需要提供更加細(xì)化的波束，例如，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多1，就需要設(shè)計(jì)精碼本并進(jìn)行精搜索。實(shí)際上，精碼本的AWV的指向角度D是在 (_1，1]中以步長(zhǎng)1/aN等間隔取值得到的。所以精碼本AWVc(i)表達(dá)式為：
[0078]
[0079] ULA陣元數(shù)N= 4,精碼本細(xì)化系數(shù)a= 2時(shí)，精碼本的波束如圖5所示。從圖5 可以看出，精碼本同樣覆蓋了整個(gè)的2-D空間，但是AWVs覆蓋更加密集，分辨率更高。
[0080] 此外，由式（7)和（10)可知，第log2N+l層粗碼本與精碼本有如下關(guān)系：
[0081]c(ai) =w(log2N+l，i)，i= 1，2,…，N(11)
[0082] 與本發(fā)明提供的粗碼本和精碼本的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，本發(fā)明提供的波束搜索方法的過(guò) 程劃分為粗搜索和精搜索兩個(gè)階段。
[0083] 基于粗碼本的層次化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各層次碼本間的覆蓋關(guān)系，粗搜索采用了基于折 半查找的波束搜索方法，該方法能顯著降低粗波束搜索次數(shù)。依照波束搜索過(guò)程中是否采 用門(mén)限輔助判別，本發(fā)明設(shè)計(jì)了兩種粗波束搜索方法：無(wú)門(mén)限粗波束搜索方法和基于門(mén)限 的粗波束搜索方法。
[0084] (1)首先說(shuō)明無(wú)門(mén)限粗波束搜索方法。
[0085] 無(wú)門(mén)限的粗碼本波束搜索（以下簡(jiǎn)稱無(wú)門(mén)限粗搜索）方法可以進(jìn)一步劃分為兩 個(gè)子階段。在第一階段，DEV1作為發(fā)送端向DEV2發(fā)送數(shù)據(jù)，DEV2搜索碼本，查找出最優(yōu)的 AWVw=及其索引7<。第二階段則是DEV2作為發(fā)送端向DEV1發(fā)送數(shù)據(jù)，DEV1搜索碼本， 查找出最優(yōu)的AWV\<及其索引？AWV的索引是指AWV在當(dāng)前層中的位置，對(duì)應(yīng)i的值。 [0086] 無(wú)門(mén)限粗搜索方法第一階段在方法1中給出。無(wú)門(mén)限粗搜索方法的第二階段與下 面的第一階段完全相同，唯一不同的是DEV2采用向DEVl發(fā)送數(shù)據(jù)，DEVl搜索碼本并最 終得到DEV1的最優(yōu)AWV><。粗搜索完成后，將獲得最優(yōu)AWV(ws#,wU及其索引和 °
[0087] 下面以DEV1采用ws(l，1)向DEV2發(fā)送訓(xùn)練數(shù)據(jù)，DEV2進(jìn)行搜索為例說(shuō)明。
[0088] ? ? u
[0089] 最優(yōu)AWV表示SNR最大的AWV，最優(yōu)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)就是SNR大小，越大越優(yōu)。
[0090] (2)下面說(shuō)明基于門(mén)限的粗波束搜索方法。
[0091] 基于門(mén)限的粗碼本波束搜索（以下簡(jiǎn)稱帶門(mén)限粗搜索）通過(guò)將搜索過(guò)程中得到的 接收SNR作為下一次搜索中的判定門(mén)限，減少了總搜索次數(shù)。與無(wú)門(mén)限粗搜索相比，本方法 在時(shí)間復(fù)雜度上減少了一半。為了減少單一、絕對(duì)的門(mén)限可能導(dǎo)致的錯(cuò)誤，本搜索方法采用 了置信區(qū)間方法適當(dāng)放寬門(mén)限，提高搜索準(zhǔn)確率。
[0092] 帶門(mén)限粗搜索也可以劃分為兩個(gè)子階段。在第一階段，DEV1作為發(fā)送端向DEV2發(fā) 送數(shù)據(jù)，DEV2搜索碼本，查找出最優(yōu)的AWVw=及其索引乂。第二階段則是DEV2作為發(fā)送 端向DEV1發(fā)送數(shù)據(jù)