一种多臂等间隔快速波束扫描方法技术

本发明专利技术公开了一种多臂等间隔快速波束扫描方法，该方法首先进行发送端/接收端的多臂等间隔波束生成及码本生成，其次在每轮波束扫描中，对于每一种发送

【技术实现步骤摘要】
一种多臂等间隔快速波束扫描方法


[0001]本专利技术涉及波束扫描
，特别涉及一种多臂等间隔快速波束扫描方法。

技术介绍

[0002]对于高工作频率的毫米波通信，接入点(AP)和其服务的用户之间的直接信道容易受到严重阻塞和传播损耗的影响。为了获得巨大的无源波束成形增益，在实施有效的信道估计和数据传输之前，接收端必须与发送端的发射波束训练协调进行无源/反射波束训练，以便建立高信噪比(SNR)链接。智能反射面(Intelligent Reflecting Surfaces,IRS)或智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surfaces,RIS)已经成为提高未来无线网络的频谱和能源效率的一种有前途的低成本技术。特别是，通过大量低成本的无源反射元件智能控制信号反射，IRS/RIS能够动态地对无线电传播环境进行编程，以实现信号增强和/或干扰抑制。与传统的有源中继相比，IRS/RIS由于其无源反射而产生的硬件成本和能源消耗要低得多。IRS/RIS可以被适当地部署，以提供虚拟视线(LoS)的AP
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IRS/RIS
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用户链接，从而显著提高其通信性能。然而，这在实践中是具有挑战性的，因为大量的IRS/RIS反射元件会产生铅笔状的尖锐波束，因此需要在训练编码本中有大量的波束方向来覆盖感兴趣的空间。
[0003]在现有的技术中，穷举搜索方式通过穷尽所有可能的波束方向来选择最佳波束，需要扫描整个波束空间，这将导致很长的延迟。分层搜索方式在每个阶段根据相应的码本进行空间扫描，扫描过程类似于穷举搜索方式，然后根据接收到的信号功率找到最佳波束，并在下一阶段细分出更高分辨率的子码本，直到满足所需的空间分辨率。分层波束搜索的主要缺点是，在早期阶段使用宽波束会导致波束成形增益降低，因此空间扫描可能无法在低信噪比下识别正确的宽波束，最终无法检测到最佳波束方向。由于级联信道严重的路径损耗，这种情况在IRS/RIS辅助的毫米波系统中变得更糟。此外，由于分层搜索需要对每级的扫描结果进行比较判决后才能确定下一级的扫描子码本，这将导致额外的延迟。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对穷举波束扫描技术的训练开销大、时间延迟高的问题，通过一种等间隔的多臂波束组成方式，提出能普适于直射路径和IRS/RIS反射路径的快速波束扫描技术。通过该方法保障了波束扫描的准确率，并显著降低了扫描开销，表现出优异的性能。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的具体技术方案是：一种多臂等间隔快速波束扫描方法，该方法如下步骤，
[0006]步骤一：发送端/接收端的多臂等间隔波束生成及码本生成，具体步骤如下：
[0007]将波束空间离散化为N个方向，并进行1+log2M轮波束扫描，第一轮将这N个方向均匀地划分到L个多臂波束中，每个多臂波束包含M＝N/L个子波束方向；第二轮开始，将多臂波束两两分组，多臂波束包含的子波束不断均分为两个子集，选取同组中一个多臂波束的
奇数位置的子集和另一个多臂波束的偶数位置的子集组合为新的多臂波束；
[0008]多臂等间隔波束码本的每一列代表一个多臂波束，每列均匀分为M个片段；每个片段代表该多臂波束内的一个子波束的码字。
[0009]步骤二：训练阶段，在每轮波束扫描中，对于每一种发送
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接收多臂波束方向对，发送端/接收端基于生成的等间隔多臂波束码本在一个训练符号持续时间内发送/接收训练符号。
[0010]步骤三：信号判决，只根据接收信号的功率进行判决；对第一轮扫描的接收信号功率，选择功率值最大的多臂波束方向对作为最佳发送/接收方向的候选集合；在后续轮数的扫描中，设定阈值并进行硬判决，若多臂波束的功率值大于阈值则认为包含有用信号，并与上一轮得到的候选集合取交集形成新的候选集合；若多臂波束的功率值小于阈值则认为不包含有用信号，从候选集合中排除这些方向，对所有1+log2M轮扫描的接收信号功率值进行判决和集合操作后，得到发送端/接收端的最佳对准方向。
[0011]进一步地，在多臂等间隔波束生成中，每个多臂波束包含的子波束方向间隔相等，均为L。
[0012]进一步地，所述训练阶段中，在每轮波束扫描中记该轮发送端的多臂波束数为B1，该轮接收端的多臂波束数为B2，则有B1·
B2种发送
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接收多臂波束方向对。
[0013]进一步地，1+log2M轮后一共得到个接收信号，其中L1，L2分别为发送端/接收端在第一轮扫描的多臂波束个数。其中若发送端/接收端为单天线，则发送端/接收端不生成多臂等间隔波束，多臂波束方向对数目对应为B2/B1，接收信号数
[0014]进一步地，信号判决后续轮数的扫描中，只对与第一轮扫描得到的候选集合包含有相同方向的多臂波束进行判决。
[0015]进一步地，所述信号判决中，阈值T的设定为接收信号包含有用信号和不包含有用信号的理论功率值的平均；公式如下：
[0016][0017]其中，P(1，b
*
)为第一轮扫描中最大的接收信号功率值。
[0018]本专利技术的有益效果如下：本专利技术提出的搜索方式具有高准确度和低复杂度。
[0019](1)多臂等间隔波束扫描方式都能有效的保障成功识别率，相对于穷举搜索方式不会造成性能损失，设定的子波束数对成功识别率存在影响，可以根据实际场景需要设置扫描参数。
[0020](2)多臂等间隔波束扫描方式的扫描复杂度呈波束空间方向数的对数级别，相比于传统的穷举搜索扫描方式能显著降低扫描的复杂度和训练开销，有效降低波束扫描带来的延时。
附图说明
[0021]图1是多臂等间隔波束组成示意图；
[0022]图2是多臂等间隔波束的子集组合方式；
[0023]图3是多臂等间隔波束的码本生成的波束模式；
[0024]图4是分层搜索扫描波束；
[0025]图5是实例仿真场景图；
[0026]图6是成功识别率随信噪比变化的仿真结果；
[0027]图7是扫描时间随波束空间方向数变化的仿真结果。
具体实施方式
[0028]以下结合附图对本专利技术具体实施方式作进一步详细说明。
[0029]如图1所示，本专利技术提供的一种多臂等间隔快速波束扫描方法，若发送端/接收端具有天线阵列，则对发送端/接收端进行多臂等间隔波束生成及码本生成。若发送端/接收端为单天线，则发送端/接收端难以对天线实现转向，无需进行发送端/接收端的多臂等间隔波束生成及码本生成和波束扫描。本实施例中发送端天线数为1，接收端天线数为N
r
。具体实施步骤为：
[0030]多臂等间隔波束生成及码本生成：对接收端，将波束空间离散化为N个方向，表示为1，2，...，N。第一轮r＝1，将这N个方向均匀地划分到L个多臂波束中，每个多臂波束包含M＝N/L个子波束方向，同时将每个多臂波束的子波束尽可能分开(间隔L)，因此第一轮的第b个多臂波束的子波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多臂等间隔快速波束扫描方法，其特征在于，该方法如下步骤，步骤一：发送端/接收端的多臂等间隔波束生成及码本生成，具体步骤如下：将波束空间离散化为N个方向，并进行1+log2M轮波束扫描，第一轮将这N个方向均匀地划分到L个多臂波束中，每个多臂波束包含M＝N/L个子波束方向；第二轮开始，将多臂波束两两分组，多臂波束包含的子波束不断均分为两个子集，选取同组中一个多臂波束的奇数位置的子集和另一个多臂波束的偶数位置的子集组合为新的多臂波束；多臂等间隔波束码本的每一列代表一个多臂波束，每列均匀分为M个片段；每个片段代表该多臂波束内的一个子波束的码字；步骤二：训练阶段，在每轮波束扫描中，对于每一种发送
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接收多臂波束方向对，发送端/接收端基于生成的等间隔多臂波束码本在一个训练符号持续时间内发送/接收训练符号；步骤三：信号判决，只根据接收信号的功率进行判决；对第一轮扫描的接收信号功率，选择功率值最大的多臂波束方向对作为最佳发送/接收方向的候选集合；在后续轮数的扫描中，设定阈值并进行硬判决，若多臂波束的功率值大于阈值则认为包含有用信号，并与上一轮得到的候选集合取交集形成新的候选集合；若多臂波束的功率值小于阈值则认为不包含有用信号，从候选集合中排除这些方向，对所有1+log2M轮扫描的接收信号功率值进行判...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄崇文，徐媛，杨照辉，陈晓明，钟财军，王玮，余官定，张朝阳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：