毫米波通信中的波束搜索方法技术

本发明专利技术设计了一种毫米波通信中的波束搜索方法，基于层次化的粗码本，以及需求波束分辨率要求更高场合采用精码本，来进行波束搜索。本发明专利技术提供了基于门限的粗码本波束搜索方法，在搜索时，设定门限与置信区间，在每次搜索中仅需计算一次接收SNR，且符合要求的接收SNR将刷新搜索门限，用于下一次搜索，并且基于粗搜索，实现基于折半查找的精码本波束搜索。本发明专利技术基于门限的粗码本波束搜索，与无门限的粗搜索相比，减少了一半的搜索复杂度，提高了码本搜索效率，与现有技术相比，具有更低的波束搜索时间复杂度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种。
技术介绍
近年来，随着无线通信技术的飞速发展，无线通信的带宽需求日益增加，导致低频 段的频谱资源愈发紧张。因此，业界开始将目光投向毫米波（Millimeterwave，MMW)频段。 毫米波频段拥有极其丰富的频谱资源，因而具有很高的潜在商业价值。作为毫米波通信的 典型应用，60GHz无线局域网（wirelesslocalareanetwork，WLAN)在60GHz波段实现高 达吉比特的通信速率。当前支持60GHzWLAN的标准IEEE802. 15. 3c和IEEE802. 1lad的 相继发布，预示了 60GHzWLAN的广泛应用前景。 然而60GHzWLAN也面临着严峻的技术挑战。根据经典弗里斯公式，高频信号的传 输损失要高于低频信号，60GHzWLAN的传输损耗要比目前广泛使用的2. 4GHzWLAN传输损 耗高约15dB/km。因此60GHzWLAN设备需要采用天线阵列，利用波束赋形技术获得阵列增 益来弥补传播衰减造成的功率损失。另一方面，由于MMW信号的波长很小，使得天线阵列的 小型化成为可能，利于通信系统的集成设计。 波束赋形技术主要分为两类：自适应波束赋形和波束切换。自适应波束赋形需要 耗费大量的计算和迭代时间，且结构复杂不易于工程实现。而波束切换由于结构简单，更适 用于60GHzWLAN，所以被广泛采用。波束切换需要解决的问题是如何提高波束搜索效率。 穷举搜索是一种简单易行的搜索方法，然而该方法需要遍历整个码本，搜索效率很低。为了 提高搜索效率，广为采用的是分阶段搜索算法。分阶段搜索方法将波束搜索分为扇区搜索 (sectorlevelsweep，SLS)和波束细化（beam-refinement，BR)两个子阶段，仅需遍历部 分码本，因而减少了波束搜索次数。IEEE802. 15. 3c和IEEE802. 1lad均采用了此种方法。 LiBin等人则提出了基于Rosenbrock算法的波束搜索方法，与IEEE802. 15. 3c和IEEE 802.llad相比，LiBin方法进一步降低了波束搜索的时间复杂度，减少了波束搜索时间。
技术实现思路
本专利技术为了进一步降低波束搜索的时间复杂度，提高波束搜索效率，设计了一 种具有层次结构的码本，它充分利用了不同层次码本中天线权重向量（antennaweight vector，AWV)的覆盖特性，将原本无序的码本组织为完全二叉树结构，并相应的提出了 基于折半查找的波束搜索方法。本专利技术基于结构化码本的搜索方法可称为类折半查找 (binary-searchlike，BSL)方法。 本专利技术提供的，基于下面所述的具有层次结构的码 本：对均勾线性天线阵列（uniformlylineararray，ULA)阵元数目为N的WLAN设备，设计 粗码本具有如下特征： (1)粗码本总共具有log2N+l层，其中第k层码本具有2k4个天线权重向量AWV:{w(k，1)，w(k，2)，w(k，3)，…，w(k，2k-1)}; (2)每层码本中的AWV全体覆盖整个2-D空间；WLAN设备的指向向量函数g(N，⑴为：：其 中，T表示转置操作，函数表示WLAN设备的指向向量函数，Q为信道指向角度，Q=cos(巾），巾表示直射路径与WLAN设备的夹角； 第k层码本的AWV为：-、 其中艮据WLAN设备的指向向量函数来确定； (3)第k层码本中AWV的半功率点波束宽度（HPBW)刚好覆盖第k+1层码本中的相 邻两个AWV的HPBW。 针对波束分辨率要求更高场合，设计的精码本，设需要波束指向方向的分辨率为 2/aN，其中a是码本细化系数，a彡1，则精码本的AWV表达式为： 本专利技术提供的，为基于门限的粗码本波束搜索方 法，具体如下： 设两个WLAN设备DEV1和DEV2采用设计的粗码本进行波束搜索，DEV1和DEV2的 ULA的阵元数分别为凡和Nd，DEV1和DEV2的天线权重向量分别为^和wd; 设DEVI采用某个天线权重向量向DEV2发送数据，DEV2进行基于门限的粗码本波 速搜索过程如下：初始化：设层数序号为k，AWV位置序号为i，门限为K，置信区间上界和下界分别 为n和y;初始设置k=l，i=l，K=〇，q=1.7，y=0.7; 第一次搜索：DEV2计算wd(2, 1)和wd(2, 2)的接收信噪比y21和y22，若 彡Tm，令门限K = 且更新AWV位置序号为2i，否则令门限k=y22且更新AWV 位置序号为2i-l。k自增1，继续下面循环搜索； 循环搜索：执行下面（A)~⑶过程log2Nd-l次； (A)DEV2计算wd(k+l，2i)的接收信噪比，设为yi，若ynk，则更新AWV位 置序号为2i，令k= 丫1;若y 1彡yk，则更新AWV位置序号为2i_l，令k= 1.8k;若 yiKyZqk，DEV2计算wd(k+l，2i_l)的接收信噪比，设为y2，若y2,则令k= h且更新AWV位置序号为2i，若yi<Y2，则令k=y2且更新AWV位置序号为2i-l; (B)k自增1，继续转（A)执行； 最后，搜索完毕后，接收信噪比最大的AWV以及对应的位置序号，就是最优的天线 权重向量<及对应的索引<。 基于门限的粗码本波束搜索方法采用门限以及置信区间的方法，在每次搜索中仅 需计算一次接收信噪比SNR，且符合要求的接收SNR将刷新搜索门限，用于下一次搜索。与 无门限的粗搜索相比，减少了一半的搜索复杂度，提高了码本搜索效率。在两个WLAN设备DEV1和DEV2采用设计的粗码本进行波束搜索，获得最优AWV对 后，在需求波束分辨率要求更高场合，采用设计的精码本，实现了基于折半查找的精码本波 束搜索方法。 本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术方法所使用的码本是层次化码本，它充分 利用了不同层次码本中天线权重向量（AWV)的覆盖特性，将原本无序的码本组织为完全二 叉树结构，使在波束搜索中应用折半搜索方法成为可能。基于门限的粗码本搜索方法实现 了折半查找，在每次搜索中仅需计算一次接收SNR，且符合要求的接收SNR将刷新搜索门 限，用于下一次搜索，与无门限的粗搜索相比，减少了一半的搜索复杂度，提高了码本搜索 效率。通过理论分析与仿真实验均表明，与IEEE802. 15. 3c、IEEE802.llad以及LiBin 的方法相比，本专利技术设计的波束搜索方法进一步降低了波束搜索的时间复杂度，提高了波 束搜索效率。【附图说明】 图1是本专利技术实施例基于波束赋形的60GHzWLAN系统模型示意图； 图2是本专利技术实施例ULA阵元数N= 4时第（log2N+l)层码本的波束方向图； 图3是本专利技术实施例ULA阵元数为8时，W(3, 2)与W(4, 3)和W(4, 4)的覆盖关系； 图4是本专利技术实施例粗码本AWV的层次化结构关系示意图； 图5是本专利技术实施例ULA天线数N= 4,精码本细化系数a= 2时的精码本AWVs 的天线方向图； 图6是本专利技术的毫米波通信中的基于门限的粗码本波束搜索方法的示意图； 图7是本专利技术实施例a= 4且N= 8时第4层粗码本与精码本的〇雇的曲线 示意图； 图8是仅存在直射径时，无门限粗搜索方法+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种毫米波通信中的波束搜索方法，基于一种具有层次结构的码本，对于阵元数目为N的均匀线性天线阵列(ULA)WLAN设备，所述的码本具有如下特征：(1)粗码本总共具有log2N+1层，其中第k层码本具有2k‑1个天线权重向量(AWV)：{w(k,1),w(k,2),w(k,3),…,w(k,2k‑1)}；(2)每层码本中的全体AWV覆盖整个2‑D空间；WLAN设备的指向向量函数g(N,Ω)为：g(N,Q)=1N[ejπ0Ω,ejπ1Ω,ejπ2Ω,...,ejπ(N-1)Ω]T;]]>其中，[·]T表示转置操作，Ω为信道指向角度，Ω＝cos(φ)，φ表示直射路径与WLAN设备的夹角；第k层码本的AWV为：w(k,i)=[gT(N2k-1,-1+2kNi),0N-N/2k-1T],i=1,2,...,2k-1;]]>其中根据WLAN设备的指向向量函数来确定；(3)第k层码本中AWV的半功率点波束宽度(HPBW)刚好覆盖第k+1层码本中的相邻两个AWV的HPBW；其特征在于，设两个WLAN设备DEV1和DEV2采用设计的粗码本进行波束搜索，DEV1和DEV2的ULA的阵元数分别为Ns和Nd，DEV1和DEV2的天线权重向量分别为ws和wd；设DEV1采用某个天线权重向量向DEV2发送数据，DEV2进行基于门限的粗码本波速搜索过程如下：初始化：设层数序号为k，AWV位置序号为i，门限为κ，置信区间上界和下界分别为η和μ；初始设置k＝1，i＝1，κ＝0，η＝1.7，μ＝0.7；第一次搜索：DEV2计算wd(2,1)和wd(2,2)的接收信噪比γ21和γ22，若γ21≥γ22，令门限κ＝γ21且更新AWV位置序号为2i，否则令门限κ＝γ22且更新AWV位置序号为2i‑1；k自增1，继续下面循环搜索；循环搜索：执行下面(A)～(B)过程log2Nd‑1次；(A)DEV2计算wd(k+1,2i)的接收信噪比γ1，若γ1≥ηκ，则更新AWV位置序号为2i，令κ＝γ1；若γ1≤μκ，则更新AWV位置序号为2i‑1，令κ＝1.8κ；若μκ＜γ1＜ηκ，DEV2计算wd(k+1,2i‑1)的接收信噪比γ2，若γ1≥γ2，则令κ＝γ1且更新AWV位置序号为2i，若γ1＜γ2，则令κ＝γ2且更新AWV位置序号为2i‑1；(B)k自增1，继续转(A)执行；最后，搜索完毕后，接收信噪比最大的AWV以及对应的位置序号，就是最优的天线权重向量及对应的索引...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖振宇，白琳，贺同，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11