毫米波mimo通信多子陣協(xié)作波束對準方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及毫米波MMO中波束對準技術(shù)，考慮收發(fā)端多個子陣之間如何協(xié)作快速 完成訓(xùn)練，并據(jù)此高效地實現(xiàn)波束對準，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于毫米波通信系統(tǒng)具有較大的帶寬，能夠提供數(shù)G-bps的數(shù)據(jù)傳輸速率，因而具 有非常廣闊的應(yīng)用前景。但是，與微波通信系統(tǒng)相比，毫米波通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)也存在很 多問題。一方面，毫米波信號的頻率高波長短，信號衰減非常嚴重，因而通信距離與覆蓋范 圍十分有限；另一方面，由于信號波長短，所以可以在較小的區(qū)域內(nèi)排列更多的天線，利用 天線陣列提供的陣列增益可以增加通信距離及覆蓋范圍。
[0003] 眾所周知，MIMO技術(shù)通過提供分集增益可以提高通信的可靠性，通過多路復(fù)用可 以大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸速率。在毫米波通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)MBTO的一種有效的形式是通過收 發(fā)端配置多個子陣，如圖1所示。由于模擬波束形成技術(shù)在硬件上相對簡單，無論在學(xué)術(shù)界 還是工業(yè)界，均引起廣泛重視并獲得深入研究，在相控陣雷達、無線通信等諸多領(lǐng)域均獲得 廣泛應(yīng)用。
[0004]由于毫米波通信系統(tǒng)依賴于大規(guī)模天線陣列提供的陣列增益，為了建立可靠的通 信鏈路必須首先進行波束對準。由于毫米波信號傳輸?shù)奶攸c，在獲取陣列增益前，信噪比往 往很低，而收發(fā)端多子陣技術(shù)的引入，使這一問題變得更加困難，主要表現(xiàn)在兩個方面：（1) 由于收發(fā)端均配置多個子陣，多子陣波束對準需要的訓(xùn)練開銷非常大。（2)由于訓(xùn)練過程中 獲得的數(shù)據(jù)非常多，如何處理獲得的信息，完成最終的波束對準任務(wù)，需要很高的計算復(fù)雜 度。
[0005] 應(yīng)該指出，以上兩個問題并不是相互獨立的，這是因為：（1)如果能夠壓縮波束對 準需要的訓(xùn)練信息，則可以有針對性地進行波束訓(xùn)練，從而可以有效地降低訓(xùn)練開銷。（2) 如果能夠考慮到毫米波信道的特點，并有針對性地訓(xùn)練，則可以大大減少需要處理的信息。 由于現(xiàn)行的研究多數(shù)集中在獲取訓(xùn)練數(shù)據(jù)后的處理，沒有考慮到如何減小訓(xùn)練開銷，因而 相應(yīng)的算法均具有較高的復(fù)雜度。
[0006] 本發(fā)明充分挖掘并利用毫米波信道稀疏性特點，提出了多子陣協(xié)作的思想及相應(yīng) 的訓(xùn)練框架，基于此框架提出具體的多子陣協(xié)作波束訓(xùn)練與對準算法。分析與實驗均表明， 提出的算法不僅極大地降低了訓(xùn)練開銷和波束對準的計算復(fù)雜度，而且與窮盡算法(最優(yōu) 但是實現(xiàn)極其困難)相比，性能損失很低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 發(fā)明目的：為了提高毫米波多子陣波束對準的效率，降低多子陣波束對準的訓(xùn)練 開銷及實現(xiàn)復(fù)雜度。本發(fā)明充分利用多子陣空間劃分特性、毫米波信道的稀疏特性、多天線 陣列的定向性，提出了一種多子陣協(xié)作波束對準方法及裝置。
[0008] 技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:毫米波MMO通信多子 陣協(xié)作波束對準方法，包括如下步驟：
[0009] (1)發(fā)送端和接收端分別根據(jù)其子陣數(shù)量和碼書特點進行空間劃分，并從各子陣 所對應(yīng)的原碼書中抽取出訓(xùn)練階段使用的子碼書，要求抽取形成的子碼書的并集覆蓋原空 間；
[0010] (2)收發(fā)兩端基于抽取的子碼書，每輪訓(xùn)練中發(fā)送端各子陣從各自子碼書中選擇 一個碼字發(fā)送導(dǎo)頻信號，接收端各子陣從各自子碼書中選擇一個碼字接收導(dǎo)頻信號，直至 收發(fā)端各子陣均完成子碼書的遍歷；
[0011] (3)利用訓(xùn)練階段獲取的信息計算信道的主方向，并據(jù)此進一步實現(xiàn)高效率、低復(fù) 雜度的波束選擇。
[0012] 所述步驟(1)中空間劃分與子碼書構(gòu)造操作:收發(fā)兩端的操作類似，收(發(fā))端將原 空間劃分為子空間并記為
，表示收(發(fā))端第i個子陣第j個覆蓋區(qū)域，對于區(qū)
1從第i個子陣對應(yīng)的碼書中選擇1個碼字進行覆蓋，為覆蓋收(發(fā))端第i個 子陣第j個區(qū)域抽取的碼字記為 <(<)，對應(yīng)于第i個子陣全部覆蓋區(qū)域的碼字的全體 構(gòu)成子碼書( M,.)，其滿足：⑴在收(發(fā))端各子碼書的并集UM.,. ( UiMi.)覆蓋原 空間的前提下，最小化各子碼書叫_;(叫_,)的大??；（2)各個子碼書大小相等，以I · I表示 集合中元素大小，則有
[0014] 其中，Lr與Lt分另瞭不收(發(fā))端子陣數(shù)。
[0015] 所述步驟(2)中收(發(fā))端首先對各子陣的子碼書Mi,. 進行接收(發(fā)送)編 碼，具體而言，對于子碼書(衫1)，將其編碼為'，（&)，其中仏，（^)如下所示
[0017]其中，收(發(fā))端子碼書大小分別為J和I。
[0018]基于上述編碼，發(fā)送端共需要I輪訓(xùn)練，針對每一輪訓(xùn)練接收端需要J個時隙。設(shè)當 前訓(xùn)練輪次為m，則對于發(fā)送端的第i個子陣，使用第(i-l)I+m號碼字發(fā)送導(dǎo)頻信號，且發(fā)送 端所有子陣同時發(fā)送;在第m輪中第k個時隙，接收端第j個子陣使用第(j_l)J+k號波束接收 信號，且接收端所有子陣同時接收。
[0019 ]顯然，'/( & )中每個元素對應(yīng)于子碼書Mii )中一個碼字或波束，所以在 對波束進行編碼時需要滿足：（1)收(發(fā))端各子陣的波束應(yīng)覆蓋不同的區(qū)域；（2)發(fā)送端/接 收端各子陣同時使用的波束主瓣之間的相互影響最小。
[0020]所述步驟(3)中首先依據(jù)訓(xùn)練階段感知的信道信息采用Top-N策略或先取平均再 采用Top-N策略估計出N個信道強度較強的方向?qū)?，作為信道的主方向?qū)?然后在壓縮的搜 索空間中采用窮盡搜索或貪婪搜索或其他算法進行波束選擇。
[0021 ]毫米波MBTO通信多子陣協(xié)作波束對準發(fā)送端裝置，包括：
[0022]發(fā)送子碼書抽取模塊，用于根據(jù)發(fā)送端擁有子陣數(shù)量和碼書特點進行空間劃分， 并從各子陣所對應(yīng)的原碼書中抽取出訓(xùn)練階段使用的子碼書，各子陣抽取形成的子碼書的 并集覆蓋原空間；
[0023] 發(fā)送多子陣協(xié)作訓(xùn)練模塊，用于基于發(fā)送子碼書抽取模塊抽取的子碼書，通過多 個子陣同時發(fā)送信號進行多子陣協(xié)作訓(xùn)練，每輪訓(xùn)練中發(fā)送端各子陣從各自子碼書中選擇 一個碼字同時發(fā)送導(dǎo)頻信號，直至各子陣均完成子碼書的遍歷；
[0024] 以及，發(fā)送波束選擇模塊，用于基于感知的信道信息計算出信道的主方向，并基于 壓縮的搜索空間配合接收端進行波束選擇。
[0025] 毫米波MBTO通信多子陣協(xié)作波束對準接收端裝置，包括：
[0026] 接收子碼書抽取模塊，用于根據(jù)接收端擁有子陣數(shù)量和碼書特點進行空間劃分， 并從各子陣所對應(yīng)的原碼書中抽取出訓(xùn)練階段使用的子碼書，各子陣抽取形成的子碼書的 并集覆蓋原空間；
[0027] 接收多子陣協(xié)作訓(xùn)練模塊，用于基于接收子碼書抽取模塊抽取的子碼書，通過多 個子陣同時接收信號進行多子陣協(xié)作訓(xùn)練，針對發(fā)送端的每次發(fā)送，各子陣從各自子碼書 中選擇一個碼字同時接收導(dǎo)頻信號，直至各子陣均完成子碼書的遍歷；
[0028] 以及，接收波束選擇模塊，用于基于感知的信道信息計算出信道的主方向，并基于 壓縮的搜索空間配合發(fā)送端進行波束選擇。
[0029] 有益效果:本發(fā)明提供的多子陣協(xié)作波束對準方法及裝置，充分利用毫米波信道 具有稀疏性這一特點，采用多個子陣協(xié)作實現(xiàn)空間劃分及訓(xùn)練。由于采用多個子陣協(xié)作進 行信道感知，從而訓(xùn)練開銷大大陣低(和收發(fā)送端子陣數(shù)乘積成反比）。由于訓(xùn)練次數(shù)降低， 從而波束選擇需要處理的信息大大減小，因而波束對準的復(fù)雜度也大大降低。由于充分利 用了毫米波信道稀疏性的特點，盡管訓(xùn)練開銷及可供處理的信息空間減小，但是最終損失 的性能仍非常小。
【附圖說明】
[0030] 圖1為收發(fā)端均配置多個子陣形成的毫米波MBTO通信系統(tǒng)示意圖。
[0031 ]圖2為本發(fā)明的多子陣協(xié)作波束對準方法的流程圖。
[0032] 圖3為本發(fā)明中發(fā)送端(對應(yīng)于左圖）及接收端(對應(yīng)于右圖）各子陣劃分或覆蓋空 間各個方向示意圖。
[0033] 圖4為本發(fā)明中發(fā)送端(對應(yīng)于左圖）及接收端(對應(yīng)于右圖）對應(yīng)碼書中各碼字波 束方向圖。
[0034] 圖5為本發(fā)明中發(fā)送端兩個子陣對應(yīng)的子碼書的波束方向圖，子陣1對應(yīng)于原碼書 中1-6號碼字，子陣2對應(yīng)于原碼書中7-12號碼字。
[0035] 圖6為本發(fā)明中接收端兩個子陣對應(yīng)的子碼書的波束方向圖，子陣1對應(yīng)于原碼書 中1-4號碼字，子陣2對應(yīng)于原碼書中5-8號碼字。
[0036] 圖7為2X2陣列，即收發(fā)端均有2個子陣，不同方案的數(shù)據(jù)速率比較結(jié)