一种自适应毫米波波束搜索方法技术

本发明专利技术公开了一种自适应毫米波波束搜索方法。本发明专利技术步骤：1、波束搜索的场景、预置的分层波束和窄波束搜索码本；2、使用分层波束搜索码本和窄波束搜索码本执行自适应波束搜索的总体流程；3、使用分层波束搜索码本进行波束搜索时，采用广义似然比检验判断是否切换波束搜索码本和是否停止当前层级的分层搜索并进入下一层级；4、分层搜索开始新一层搜索时，选择待搜索的角度区间；5、当满足从分层波束搜索码本切换至窄波束搜索码本的条件时，使用窄波束搜索码本进行波束搜索；6、当所有的波束搜索停止时，选择最终的波束赋形方向。本发明专利技术能够实现从分层波束码本到窄波束码本之间的切换，从而降低波束搜索时间开销的同时保证波束对准的精度。的精度。的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应毫米波波束搜索方法


[0001]本专利技术属于毫米波通信
，提出了一种自适应毫米波波束搜索方法，是一种能够自适应决定持续执行多精度分层波束搜索码本进行波束搜索或切换到窄波束搜索码本进行波束搜索，从而适应不同信噪比条件、降低波束搜索时间开销的方法。

技术介绍

[0002]毫米波通信被认为是实现高速数据传输的关键技术之一。在毫米波通信系统中，通常采用多天线配合波束赋形技术来提高信号的定向增益，从而弥补传输过程中的路径损耗。在毫米波通信中，发射端和接收端的波束方向应该尽可能和通信信道的主径方向保持对齐，实现波束对准，这样才能获得最大增益。
[0003]基于空间扫描的波束搜索方法是实现波束对准的重要手段之一。根据波束搜索码本的不同，基于空间扫描的波束搜索方法可以分为两大类，一种是穷举搜索(Exhaustive Search)，该算法主要是利用窄波束对每个波束对进行遍历搜索，找到和信道主径方向最匹配的收发波束。穷举搜索因为需要对所有的波束对进行遍历，所以波束扫描的时间较长，消耗资源较多。另一种则是分层搜索(Hierarchical Search)，利用不同宽度的分层多精度波束搜索码本进行逐层波束搜索，先利用较宽波束搜索码本确定信道主达路径的局部角度区间，然后在已确定的局部角度区间减小波束宽度继续执行搜索；通过不断缩小局部角度区间和使用的波束宽度，找到和通信信道匹配的最佳窄波束。分层搜索方法在高信噪比条件下表现出色，但在低信噪比条件下通常需要比穷举搜索方法更长的波束搜索时间才能达到相近的波束对准精度。r/>[0004]综上，现有的两类经典毫米波波束搜索方法仅在其适用的信噪比条件下能够获得较好的波束对准性能，不能适应复杂多变的移动毫米波通信场景。为了解决这一问题，需要设计一种新型的波束搜索方法，不仅能够根据不同通信场景自适应的选择合适的波束搜索码本，还能调节波束搜索时间，以最小的资源消耗，达到满意的波束搜索效果。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对复杂的毫米波通信系统，公布了一种自适应的毫米波波束搜索方法。本专利技术公布的方法采用广义似然比检验实时判断未知信道信噪比，能够实现从分层搜索波束码本到窄波束码本之间的切换，因此在高、低信噪比下均可以自适应的选择适合的波束搜索码本，从而能在降低波束搜索时间开销的同时，保证波束对准的精度。
[0006]本专利技术提供了一种自适应的毫米波波束搜索方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、波束搜索的场景、预置的多精度分层波束搜索码本和窄波束搜索码本；
[0008]步骤2、使用分层波束搜索码本和窄波束搜索码本执行自适应波束搜索的总流程；
[0009]步骤3、使用分层波束搜索码本进行波束搜索时，采用广义似然比检验判断是否切换波束搜索码本和是否停止当前层级的分层搜索并进入下一层级；
[0010]步骤4、分层搜索开始新的一层搜索时，选择待搜索的角度区间；
[0011]步骤5、当满足从分层波束搜索码本切换至窄波束搜索码本的条件时，使用窄波束搜索码本进行波束搜索；
[0012]步骤6、当所有的波束搜索停止时，选择最终的波束赋形方向。
[0013]其中较优地，步骤1所述的波束搜索场景包括一个发射机和一个接收机，其中由发射机持续不断的向其覆盖的整个角度空间发射导频信号，接收机使用预置的波束搜索码本进行波束扫描，从而寻找最佳的波束赋形方向。
[0014]其中较优地，步骤1所述波束搜索码本分为两种，一种是分层波束搜索码本W，一种是窄波束搜索码本
[0015]其中较优地，步骤1所述的分层波束搜索码本呈树状结构，如图1所示，即一个上层较宽的波束的覆盖区间在下一层中由多个较窄波束联合覆盖。本专利技术中使用的分层波束搜索码本一共有K层，其中第k层一共有2
k
个码字，第k层的码字集合表示为W
k
，且表示第k层中的第i个码字，N
R
＝2
K
表示接收机配备的天线数。码字w
(k,i)
覆盖的角度范围用CV
w(k,i)
表示，其中CV
w(k,i)
∈[
‑
1,+1]是对覆盖角度取余弦之后的结果。在分层波束搜索码本中，任意一层的所有码字覆盖范围的并集应该完全覆盖整个天线阵列角度域；且任意一层的码字的覆盖范围，可以由相应的下一层的两个码字的覆盖范围的并集完全表示。
[0016]其中较优地，步骤1所述的窄波束搜索码本是单层的，由窄波束联合覆盖整个角度空间。本专利技术使用分层波束搜索码本的最后一层中的所有码字W
K
作为窄波束搜索码本，表示为
[0017]其中较优地，步骤2所述的波束搜索从分层波束搜索码本开始，执行波束扫描。
[0018]其中较优地，步骤2所述的波束搜索总体流程如图2所示。具体地，在使用分层波束搜索码本执行波束扫描时，接收端每次完成一个循环的导频信号采集后，判断是否满足切换到使用窄波束搜索码本进行波束搜索的条件。若满足切换至窄波束搜索码本的条件，则停止使用分层波束搜索码本进行波束搜索，转而使用窄波束搜索码本进行波束搜索，直至波束搜索停止。若不满足切换至窄波束搜索码本的条件且当前分层搜索层级不是最后一级，则再判断是否进入分层搜索的下一层级；若满足进入下一层级分层搜索的条件，则使用下一层波束搜索码本执行波束搜索。若不满足切换至窄波束搜索码本的条件且当前分层搜索层级是最后一级，则判断波束搜索的停止条件是否满足。若以上条件均不满足，则继续执行当前层级的分层搜索。
[0019]其中较优地，步骤2所述的波束搜索流程在波束搜索停止条件满足时，选择最终的波束赋形方向。
[0020]其中较优地，步骤2所述的分层搜索接收端完成一个循环的导频信号采集是指接收端依次使用当前层级所有的待选波束采集一次接收机发射的导频信号。
[0021]其中较优地，步骤2中所述的从分层波束搜索码本向窄波束搜索码本的切换是通过检测未知信道信噪比的高低来决定的。原因是分层波束搜索码本适用于高信噪比的场景，而窄波束搜索码本适用于低信噪比的场景。本专利技术提出的这种波束搜索码本切换机制能够完美弥补使用单一波束搜索码本带来的缺陷，在不同的信噪比条件下，都能使用最合适的波束搜索码本进行波束搜索，提高波束搜索的准确度并降低资源的消耗。
[0022]其中较优地，步骤3所述使用分层波束搜索码本进行波束搜索时，发射端使用覆盖其感兴趣角度区间的波束发射信号，N
T
表示发送端配备的天线数。接收端采用循环扫描的方式采集发射端发射的导频信号，在每次循环扫描中，接收端分别使用码字w
(k,i)
和w
(k,i+1)
进行波束赋形，并接收发送端发送的导频信号。设接收端每次循环扫描中单个波束采集信号的时间为n0≥1个符号周期，则经过m次循环扫描后，在接收端使用第k层第j,j∈{i,i+1}个码字w
(k,j)
对应的波束接收到的信号可以表示为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应毫米波波束搜索方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、波束搜索的场景、预置的多精度分层波束搜索码本和窄波束搜索码本；步骤2、使用分层波束搜索码本和窄波束搜索码本执行自适应波束搜索的总流程；步骤3、使用分层波束搜索码本进行波束搜索时，采用广义似然比检验判断是否切换波束搜索码本和是否停止当前层级的分层搜索并进入下一层级；步骤4、分层搜索开始新的一层搜索时，选择待搜索的角度区间；步骤5、当满足从分层波束搜索码本切换至窄波束搜索码本的条件时，使用窄波束搜索码本进行波束搜索；步骤6、当所有的波束搜索停止时，选择最终的波束赋形方向。2.如权利要求1所述的一种自适应毫米波波束搜索方法，其特征在于：步骤1所述的波束搜索场景包括一个发射机和一个接收机，其中由发射机持续不断的向其覆盖的整个角度空间发射导频信号，接收机使用预置的波束搜索码本进行波束扫描，从而寻找最佳的波束赋形方向；步骤1所述波束搜索码本分为两种，一种是分层波束搜索码本W，一种是窄波束搜索码本步骤1所述的分层波束搜索码本呈树状结构，即一个上层较宽的波束的覆盖区间在下一层中由多个较窄波束联合覆盖；使用的分层波束搜索码本一共有K层，其中第k层一共有2
k
个码字，第k层的码字集合表示为W
k
，且表示第k层中的第i个码字，N
R
＝2
K
表示接收机配备的天线数；码字w
(k,i)
覆盖的角度范围用表示，其中是对覆盖角度取余弦之后的结果；在分层波束搜索码本中，任意一层的所有码字覆盖范围的并集应该完全覆盖整个天线阵列角度域；且任意一层的码字的覆盖范围，可以由相应的下一层的两个码字的覆盖范围的并集完全表示；步骤1所述的窄波束搜索码本是单层的，由窄波束联合覆盖整个角度空间；使用分层波束搜索码本的最后一层中的所有码字W
K
作为窄波束搜索码本，表示为3.如权利要求2所述的一种自适应毫米波波束搜索方法，其特征在于：步骤2所述的波束搜索从分层波束搜索码本开始执行波束扫描；且所述的波束搜索总流程具体实现如下：在使用分层波束搜索码本执行波束扫描时，接收机每次完成一个循环的导频信号采集后，判断是否满足切换到使用窄波束搜索码本进行波束搜索的条件；若满足切换至窄波束搜索码本的条件，则停止使用分层波束搜索码本进行波束搜索，转而使用窄波束搜索码本进行波束搜索，直至波束搜索停止；若不满足切换至窄波束搜索码本的条件且当前分层搜索层级不是最后一级，则再判断是否进入分层搜索的下一层级；若满足进入下一层级分层搜索的条件，则使用下一层波束搜索码本执行波束搜索；若不满足切换至窄波束搜索码本的条件且当前分层搜索层级是最后一级，则判断波束搜索的停止条件是否满足；若以上条件均不满足，则继续执行当前层级的分层搜索；所述的波束搜索流程在波束搜索停止条件满足时，选择最终的波束赋形方向；所述的分层搜索接收机完成一个循环的导频信号采集是指接收机依次使用当前层级
所有的待选波束采集一次接收机发射的导频信号；所述的从分层波束搜索码本向窄波束搜索码本的切换是通过检测未知信道信噪比的高低来决定的。4.如权利要求3所述的一种自适应毫米波波束搜索方法，其特征在于：步骤3所述使用分层波束搜索码本进行波束搜索时，发射机使用覆盖其感兴趣角度区间的波束发射信号，N
T
表示发射机配备的天线数；接收机采用循环扫描的方式采集发射机发射的导频信号，在每次循环扫描中，接收机分别使用码字w
(k,i)
和w
(k,i+1)
进行波束赋形，并接收发射机发送的导频信号；设接收机每次循环扫描中单个波束采集信号的时间为n0≥1个符号周期，则经过m次循环扫描后，在接收机使用第k层第j,j∈{i,i+1}个码字w
(k,j)
对应的波束接收到的信号表示为：y
(k,j)
＝h
(k,j)
s
(k,j)
+z
(k,j) (1) (1)其中表示发射机和接收机之间的等效信道，表示发射机和接收机之间的信道矩阵，表示发送的导频信号且P
T
表示发射功率，表示圆对称高斯噪声；经过匹配滤波后的信号表示为：其中，P
T
表示天线的发射功率，表示圆对称高斯噪声，得到信道的信噪比为步骤3中为了检测当前信道信噪比的高低，会提前设定一个信道信噪比目标值β，并且设定当信道信噪比大于目标值就认为是高信道信噪比，否则就是低信道信噪比；上述设定能够写成下面的假设：但是，式中的η
(k,j)
不能直接通过接收信号计算得到，因此不能直接检验上述假设；使用广义似然比检验来进行假设检验，可以得到检验统计量：其中γ∈(0,∞)表示假设检验的门限值，和分别表示在和条件下的似然函数；经过计算推导，公式(4)改写成：
公式(5)中，假设噪声方差σ2是唯一的已知信道信息，而r
(k,j)
、m、n0可以通过测量得到，因此能够直接在接收机计算检验统计量G(r
(k,j)
)；因此，波束搜索码本的切换准则如下：在接收机每一次循环扫描之后，都会进行一次信道信噪比检测；若检验统计量G(r
(k,j)
)的检测结果满足公式(6)的条件，则切换波束搜索码本，使用窄波束搜索码本进行波束搜索；若检测结果不满足公式(6)的条件，则继续使用分层波束搜索码本进行波束搜索；步骤3在执行分层搜索时，使用广义似...

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