毫米波多用户大规模MIMO基-4并行波束训练方法技术

本发明专利技术公开一种毫米波多用户大规模MIMO基‑4并行波束训练方法，该方法包括基‑4模拟多精度码本生成算法及基‑4多用户并行搜索算法。所述基‑4模拟多精度码本生成算法联合运用虚拟子阵列技术和多子波束拼接技术拓宽码字波束宽度，相位补偿技术用于改善波束样式；所述基‑4多用户并行搜索算法根据层次化搜索结果动态激活子阵列实现多用户并行波束训练。本发明专利技术具有波束训练时间开销少、角度估计准确率高的优点，适用于基站采用部分连接混合预编码结构、基站侧每个子阵列为均匀线性阵列的毫米波多用户大规模MIMO无线通信系统。

Millimeter Wave Multiuser Large Scale MIMO Base-4 Parallel Beam Training Method

The invention discloses a millimeter wave multi-user large-scale MIMO Radix 4 parallel beam training method, which comprises a radix 4 analog multi-precision codebook generation algorithm and a radix 4 multi-user parallel search algorithm. The base 4 analog multi-precision codebook generation algorithm combines virtual sub-array technology and multi-sub-beam splicing technology to widen the codeword beam width, and phase compensation technology to improve the beam pattern. The base 4 multi-user parallel search algorithm dynamically activates sub-arrays according to hierarchical search results to realize multi-user parallel beam training. The invention has the advantages of less beam training time overhead and high accuracy of angle estimation, and is suitable for millimeter wave multi-user large-scale MIMO wireless communication system in which the base station adopts a partially connected hybrid precoding structure and each sub-array on the base station side is a uniform linear array.

【技术实现步骤摘要】
毫米波多用户大规模MIMO基-4并行波束训练方法
本专利技术属于无线通信技术，具体涉及一种毫米波多用户大规模MIMO基-4并行波束训练方法。
技术介绍
20G-100G毫米波(mmWave)波段丰富的频谱资源使得毫米波无线通信技术成为提升下一代无线通信网络容量的有力解决方案。然而，相对于现有运营在微波波段移动通信系统而已，毫米波无线传输遭遇非常严重的传输损耗。为有效解决传输损耗带来覆盖问题，通过在通信收发射机两侧架设大规模天线阵列获取大的波束成形(beamforming)增益显得不可避免。但是，天线数目的剧增也给毫米波通信系统的设计和实现带来了前所未有的挑战：首先，受毫米波波段硬件电路设计和工艺现有水平的限制，采用在微波通信系统中为每根天线配置一条专用的射频链(radio-frequencychain，RFchain)的做法无论是在成本还是体积上都不切实际；其次，传统的全数字基带信号处理方式在大规模天线阵列背景下在算法复杂度和混合信号处理功耗上都存在瓶颈；最后，信道估计的开销随着天线数量的增加而变得过大，因而采用传统移动通信系统中获取每个天线上准确信道信息的方式并不可行。混合预编码(hybridprecoding)技术的提出有效的解决了硬件电路和信号处理复杂度及功耗的问题。为突破信道估计开销过大的瓶颈，大规模天线阵列毫米波信道估计技术的研究得到了学术界和工业界的广泛关注。这些研究总体上可以归纳为如下两条技术路线：一是基于压缩感知的信道重构问题；二是基于多精度码本的层次化波束训练(beamtraining)问题。前者可以较为准确的估计多径，但计算复杂度较高；后者主要用于高效估计单条统治径的角度。具体的说，后者可以将点对点通信场景下的信道估计的开销降到天线数目的对数阶。然而，对于多用户场景，由于目前现有的层次化波束训练是逐个为每个用户进行波束训练，信道估计的时间开销随着用户数线性增加。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种毫米波多用户大规模MIMO基-4并行波束训练方法，能有效提高多用户波束训练效率。技术方案：本专利技术所述的一种毫米波多用户大规模MIMO基-4并行波束训练方法，包括以下步骤：(1)根据均匀线性子阵列的天线数Nt确定模拟多精度码本的层数从而确定模拟码本维度S×4S×Nt，并将之初始化为(2)从第s＝S层开始到第s＝1层逐层生成基-4模拟多精度码本F；(3)根据Nt、子阵列集合R及用户集合K初始化层次化搜索的级数S、已激活的子阵列集合已激活子阵列的用户服务子集导频符号向量d、基带预编码矩阵FBB及指针向量i；(4)从第s＝1层开始到第s＝S层逐层进行并行层次化搜索；(5)输出已激活的子阵列集合及相应已激活子阵列的用户服务子集和指针向量i，该向量的前|K|个元素代表用户集合K中相应用户的离开角对应在F中最高层上的码字序号。所述步骤(2)包括以下步骤：(21)为当前第s层计算配置参数：当前层内的码字数目Is＝4s，每个码字对应的波束宽度Bs＝2/Is，若则激活的虚拟子阵列数虚拟子阵列总数每个虚拟子阵列内的天线数若且s＝＝S则激活的虚拟子阵列数虚拟子阵列总数每个虚拟子阵列内的天线数若且s≠S则激活的虚拟子阵列数虚拟子阵列总数每个虚拟子阵列内的天线数(22)为当前第s层构造第一个码字Fs,1：其中第个虚拟子阵列的中心导向角为第个虚拟子阵列的相位补偿因子为均匀线性阵列的阵列响应矢量记为a(.)；(23)由步骤(22)构造出的第s层第一个码字Fs,1生成该层的任意第i个码字(24)若s＝＝1，则执行步骤(3)；否则，s＝s-1并返回(21)。所述步骤(3)包括以下步骤：(31)根据Nt确定层次化搜索的级数(32)根据R将激活的子阵列集合初始化为并将该激活的子阵列对应的用户服务子集初始化为而其它未激活的子阵列对应的用户服务子集设为空集(33)导频符号向量初始化为d＝[1]|K|×1；(34)基带预编码矩阵初始化为FBB＝[0]|R|×|K|；(35)指针向量设为i＝[1]|R|×1。所述步骤(4)包括以下步骤：(41)基站将基带预编码矩阵设置成其中(42)基站在连续的4个时隙内产生并行多波束：对于其中的第iT个时隙，基站的模拟波束成形矩阵设置为任意第k∈K个用户在所述连续的4个时隙内独立接收信号，并找到其接收信号功率最大时的时隙序号(43)所有被服务的用户独立的通过各自的反馈通道将各自的反馈给基站；(44)基站根据反馈的构造指示向量[I]|K|×1，其中第k个元素代表(45)基站首先备份当前级激活子阵列集合然后利用构造出的指示向量[I]|K|×1和当前级激活子阵列集合当前激活子阵列的用户服务子集其中当前激活子阵列的指针向量i四类信息获取下一级层次化搜索所需要的激活子阵列集合激活子阵列的用户服务子集激活子阵列的指针向量i′三类状态信息；(46)基站完成状态更新：i＝i′；若s＝S，则执行步骤(5)输出指针向量i；否则，s＝s+1并返回(41)。所述步骤(45)包括以下步骤：(451)为第个激活子阵列暂存其用户服务子集并为其计算下一级层次化搜索将用到的首个码字的序号(452)建立一张二维检索表并将之初始化为其中C＞|K|，将该检索表中满足条件的元素置为由该检索表构建向量(453)对向量中所有满足条件的子阵列依次进行如下操作：和(454)将从集合中删除，(455)若则返回(451)；否则，转至(46)。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、本专利技术所述的波束训练方法将基站侧每个子阵列天线数为Nt、单天线用户用户数为K的毫米波多用户大规模MIMO通信系统的波束训练开销减少到了2、基-4模拟多精度码本和基-4多用户并行搜索方法的采用，减少了用户组之间干扰的影响，提高了成功角度估计的概率；3、大大的提高了毫米波多用户大规模MIMO通信系统的有效和速率。附图说明图1为本专利技术实施方式系统框图；图2为本专利技术基-4模拟多精度码本生成算法实施方式示意图；图3为本专利技术基-4多用户并行搜索算法实施方式示意图；图4为本专利技术的实施方式效果图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合实施例对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例作为本专利技术的优选实施例。本专利技术是在毫米波(mmWave)多用户频分双工(FDD)大规模天线(MassiveMIMO)通信系统中，考虑波束训练(Beamtraining)时间开销和用户间干扰等因素，实现提高有效传输和速率的一种方法。如图1所示，本实例中的基站BS端配置有R＝4个均匀线性子阵列，每个子阵列包含Nt＝16根半波长间距天线；该BS服务K＝4个单天线用户。如图2所示，用户U1、U2、U3和U4分别分布在多精度码本第二层的第1、5、6、14个码字(F2,1、F2,5、F2,6、F2,14)所对应的子扇区内。本专利技术所述的一种毫米波多用户大规模MIMO基-4并行波束训练方法，包括如下步骤：1、根据子阵列的天线数Nt＝16确定模拟多精度码本的层数根据天线数Nt＝16和码本层数S＝2确定模拟码本维度2×42×16，并将之初始化为一个三维矩阵F＝[0]2×16×16。2、从第s＝S＝2层开始到第s＝1层逐层生成码本：生成码本第s＝2层：(21)为当前第s＝2层计算配本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种毫米波多用户大规模MIMO基‑4并行波束训练方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据均匀线性子阵列的天线数Nt确定模拟多精度码本的层数

【技术特征摘要】
1.一种毫米波多用户大规模MIMO基-4并行波束训练方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据均匀线性子阵列的天线数Nt确定模拟多精度码本的层数从而确定模拟码本维度S×4S×Nt，并将之初始化为(2)从第s＝S层开始到第s＝1层逐层生成基-4模拟多精度码本(3)根据Nt、子阵列集合及用户集合初始化层次化搜索的级数S、已激活的子阵列集合已激活子阵列的用户服务子集导频符号向量d、基带预编码矩阵FBB及指针向量i；(4)从第s＝1层开始到第s＝S层逐层进行并行层次化搜索；(5)输出已激活的子阵列集合及相应已激活子阵列的用户服务子集和指针向量i，该向量的前个元素代表用户集合中相应用户的离开角对应在中最高层上的码字序号。2.根据权利要求1所述的一种毫米波多用户大规模MIMO基-4并行波束训练方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：(21)为当前第s层计算配置参数：当前层内的码字数目Is＝4s，每个码字对应的波束宽度Bs＝2/Is，若则激活的虚拟子阵列数虚拟子阵列总数每个虚拟子阵列内的天线数若且s＝＝S则激活的虚拟子阵列数虚拟子阵列总数每个虚拟子阵列内的天线数若且s≠S则激活的虚拟子阵列数虚拟子阵列总数每个虚拟子阵列内的天线数(22)为当前第s层构造第一个码字其中第个虚拟子阵列的中心导向角为第个虚拟子阵列的相位补偿因子为均匀线性阵列的阵列响应矢量记为a(.)；(23)由步骤(22)构造出的第s层第一个码字生成该层的任意第i个码字(24)若s＝＝1，则执行步骤(3)；否则，s＝s-1并返回(21)。3.根据权利要求1所述的一种毫米波多用户大规模MIMO基-4并行波束训练方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：(31)根据Nt确定层次化搜索的级数(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张华，张仁民，许威，尤肖虎，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32