一种基于UCB的毫米波通信系统自适应波束对准方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于UCB的毫米波通信系统自适应波束对准方法，包括如下步骤：S1、波束迭代扫描过程中的信号模型的构建；S2、设定UCB扫描策略消除噪声；S3、自适应波束对准。该方法通过UCB策略的迭代空间扫描，在不同信噪比场景下都能快速且准确地锁定最佳波束。在找到最佳波束之后，通过最大似然估计旋转波束来进一步提高波束成形增益。该方法完全未知信道信息以及噪声方差，也不需要预设一个非自适应的扫描时间，适用更广泛的毫米波通信场景，因此更具实用性。具实用性。具实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UCB的毫米波通信系统自适应波束对准方法


[0001]本专利技术涉及数字通信
，具体指一种基于UCB（Upper Confidence Bound）的毫米波通信系统自适应波束对准方法。
[0002]
技术介绍

[0003]毫米波通信系统拥有充裕的未被使用的频谱，逐步成为主流的移动通信领域的重要技术之一。但高频段的毫米波信号传输同时也遭受较高的路径损耗和较强的衰落。为了获得可靠的数据传输，通信收发机需要通过波束成形的增益来补偿较高的路径损耗。然而，较窄的定向波束使得通信链路的建立和维持相比采用全向（或半全向覆盖整个扇区）传输方式的低频通信系统更为困难。这是因为较窄的波束对于方向的误差更加敏感。因此，移动毫米波通信系统通常需要频繁的执行波束搜索保证波束对准的精度。
[0004]模拟波束对准中一种常用方法是通过基于空间扫描的波束搜索，此方法扫描波束码本中不同方向的波束采集信号，并根据信号选择出与信道主径方向对准最佳的波束。此类方法扫描波束的搜索时间往往是固定的，应用于通信场景容易存在非自适应性。因为通信覆盖的区域中用户的信噪比不一致，而固定搜索时间不能满足不同用户的波束对准质量，较长的搜索时间让高信噪比用户不能快速实现通信，较短的搜索时间让低信噪比用户很难成功建立通信链路。
[0005]为了解决上述波束对准方法的非自适应问题，需要设计一种搜索时间是根据不同用户的信噪比来快速自适应调整的波束对准算法，适用于更广泛的通信场景。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术的不足，提供了一种基于UCB的毫米波通信系统自适应波束对准方法，该方法不需要知道信道的瞬时和统计信息以及噪声方差，可以在不同信噪比能快速自适应地调整波束搜索时间，不仅降低了时间复杂度，并且保证波束对准的准确性。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种基于UCB的毫米波通信系统自适应波束对准方法，包括如下步骤：S1、波束迭代扫描过程中的信号模型的构建迭代扫描信号模型，每次迭代Rx扫描一个波束，表示迭代数，考虑窄带宽信号模型，则在第次迭代，Rx扫描波束，对应的采集信号可以表示为其中是复高斯噪声， 为一个扫描周期内Tx发送的导频信号，且，是Tx的发射功率；为应用发送和接受波束后的等效信道
其中为Tx与Rx之间的信道，和分别为基站和UE的天线数，采集信号的匹配滤波输出为波束的累积匹配滤波输出为，其中，是Rx扫描的累积扫描周期数，其联合匹配滤波输出更新为；S2、设定UCB扫描策略消除噪声每次迭代选择扫描UCB权值函数中最大的波束，即，即其中为一个可调参数，为噪声标准差的估计值；S3、自适应波束对准S3
‑
1、Rx进行迭代波束扫描初始化；S3
‑
2、基于UCB扫描策略迭代波束扫描；S3
‑
3、波束选择。
[0008]作为优选，所述步骤S1中信号模型的构建规则：考虑发射端Tx发送导频信号，接收端Rx进行空间扫描，如果Tx为基站，此时Rx为UE，对应的是UE端的波束搜索；反之，Tx为UE时，基站为Rx，对应的是基站端的波束搜索，假设对应UE端的波束搜索， Tx通过波束发送导频信号，Rx对波束码本进行空间扫描，波束对应，和分别为基站和UE的天线数。
[0009]作为优选，所述步骤S2中还包括其他未知噪声的消除，其方法为：得到的无偏估计以消除噪声干扰，在第次迭代，任意波束的采集信号的样本均值
其对应的无偏估计由于各波束的噪声是独立同分布的，所以为。
[0010]作为优选，所述步骤S3
‑
1中，扫描初始化的方法为：初始化阶段，扫描中所有波束两次，即累积扫描周期数，并通过公式（7）得到噪声方差的无偏估计的初值，迭代数，输入参数应用于、用于扫描的终止条件。
[0011]作为优选，所述步骤S3
‑
2中，迭代波束扫描的方法为：每次迭代，Rx通过公式（5）确定需要扫描的波束，波束扫描后得到采集信号；根据公式（4）更新联合匹配滤波和根据公式（7）更新使得不断逼近真实值，一旦波束的扫描累积符号周期数满足终止条件则立即停止扫描，否则重复此步骤进行扫描。
[0012]作为优选，所述步骤S3
‑
3中，波束选择的方法为：定义在停止扫描后，扫描次数最多的波束为，波束的相邻波束集为，的波束中心及其相邻波束中心为，基于最大似然估计，得到的波束中心为为其中，，为波束中心的方向矢量，通过公式（9），选择波束作为波束对准的结果。
[0013]本专利技术具有以下的特点和有益效果：采用上述技术方案，通过UCB策略的迭代空间扫描，在不同信噪比场景下都能快速且准确地锁定最佳波束。在找到最佳波束之后，通过最大似然估计旋转波束来进一步提高波束成形增益。该方法完全未知信道信息以及噪声方差，也不需要预设一个非自适应的扫描时间，适用更广泛的毫米波通信场景，因此更具实用性。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为本专利技术基于UCB的毫米波通信系统自适应波束对准方法实施例的流程图。
[0016]图2为本专利技术实施例在视距场景下，不同天线数的线性均匀阵列下取得的波束对准性能图。
[0017]图3为本专利技术实施例在非视距场景下，不同天线数的线性均匀阵列下取得的波束对准性能图。
[0018]图4为本专利技术实施例在视距场景下，不同天线数的平面均匀阵列下取得的波束对准性能图。
[0019]图5为本专利技术实施例在非视距场景下，不同天线数的平面均匀阵列下取得的波束对准性能图。
[0020]图6为本专利技术实施例在视距场景下，天线数的线性均匀阵列下取得的波束对准性能对比图。
[0021]图7为本专利技术实施例在视距场景下，天线数的平面均匀阵列下取得的波束对准性能对比图。
具体实施方式
[0022]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0023]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0024]在本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于UCB的毫米波通信系统自适应波束对准方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、波束迭代扫描过程中的信号模型的构建迭代扫描信号模型，每次迭代Rx扫描一个波束，表示迭代数，考虑窄带宽信号模型，则在第次迭代，Rx扫描波束，对应的采集信号可以表示为其中是复高斯噪声， 为一个扫描周期内Tx发送的导频信号，且，是Tx的发射功率；为应用发送和接受波束后的等效信道其中为Tx与Rx之间的信道，和分别为基站和UE的天线数，采集信号的匹配滤波输出为波束的累积匹配滤波输出为，其中，是Rx扫描的累积扫描周期数，其联合匹配滤波输出更新为；S2、设定UCB扫描策略消除噪声每次迭代选择扫描UCB权值函数中最大的波束，即，即其中为一个可调参数，为噪声标准差的估计值；S3、自适应波束对准S3
‑
1、Rx进行迭代波束扫描初始化；S3
‑
2、基于UCB扫描策略迭代波束扫描；S3
‑
3、波束选择。2.根据权利要求1所述的基于UCB的毫米波通信系统自适应波束对准方法，其特征在于，所述步骤S1中信号模型的构建规则：考虑发射端Tx发送导频信号，接收端Rx进行空间扫描，如果Tx为基站，此时Rx为UE，对应的是UE端的波束搜索；反之，Tx为UE时，基站为Rx，对应的是基站端的波束搜索，假设对应UE端的波束搜索，Tx通过波束发送导频
信号，Rx对波束码本进行空间扫描，波束对应，和分别为基站和UE的天线数。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫家吉，刘春山，赵楼，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：