一种毫米波通信码本设计方法技术

本发明专利技术公开了一种毫米波通信码本设计方法，该方法包括两个部分，即：理想码字设计、实际码字设计。本发明专利技术充分研究了毫米波通信系统的码字设计方法，对理想码字设计和实际码字设计均提出了改进方案。针对理想码字设计，提出了一种易于计算、具有闭合表达式的设计方案。对于实际码字设计，针对毫米波混合预编码架构和量化相移器，提出了一种快速的设计方案。本发明专利技术设计的理想码字性能优于现有方案。同时，在较少射频链路数目条件下，本发明专利技术设计的实际码字依然优于现有方案。

A Codebook Design Method for Millimeter Wave Communication

The invention discloses a millimeter wave communication codebook design method, which includes two parts: ideal codeword design and actual codeword design. The invention fully studies the codeword design method of millimeter wave communication system, and puts forward improved schemes for both ideal codeword design and actual codeword design. For ideal codeword design, a design scheme with closed expression and easy calculation is proposed. For practical codeword design, a fast design scheme is proposed for millimeter wave hybrid precoding architecture and quantized phase shifter. The ideal codeword performance designed by the invention is superior to the existing scheme. At the same time, the actual codeword designed by the invention is still superior to the existing scheme under the condition of less number of radio frequency links.

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波通信码本设计方法
本专利技术属于毫米波无线通信领域，涉及一种毫米波通信码本设计方法。
技术介绍
随着移动终端设备的流行，人们对于无线通信的需求量也越来越大。为满足人们日益增长的对数据流量的需求，毫米波通信(30GHz-300GHz)因其丰富的频谱资源和极高的传输速率得到了人们的广泛关注。由于比现有微波频段通信具有更高的载频，毫米波通信在空间传播时有更大的路径损耗。另一方面，更高的载频使得毫米波通信具有更小的天线尺寸。这使得在有限的区域内可以被封装更大规模天线阵列，并利用天线阵列的增益弥补信道路径损耗。现行的微波频段通信一般为每个天线分配专用的射频链路。然而，由于毫米波通信一般应用大规模天线阵列，为每根天线分配专用的射频链路将会产生高昂的射频链路成本。为节省射频链路的成本，一种使用少量射频链路的混合预编码结构在毫米波通信中被广泛采用。在混合预编码结构中，每个射频链路通过天线数目的移相器链接到所有的天线上。为了获得毫米波通信信道的信息，一种基于预先设定的码本的波束训练方式被广泛采用。为了进一步加快波束训练的速度，一种基于分等级码本的分层波束训练方式被提出。在分等级码本中，每个码字均代表覆盖一定空间范围的波束，且上层码字的波束覆盖范围是底层相应的数个码字的波束覆盖范围的叠加。为了获得更好的波束训练性能，分等级码本中的每个码字需要精心设计。理想码字的设计在数学上即是设计一个一维列向量，现有文献[1]和[2]均提出了一种码字的设计方法，[1]:A.Alkhateeb,O.E.Ayach,G.Leus,andR.W.Heath,“Channelestimationandhybridprecodingformillimeterwavecellularsystems,”IEEEJ.Sel.Top.SignalProcess.,vol.8,no.5,pp.831–846,Oct.2014.；[2]:Z.Xiao,T.He,P.Xia,andX.G.Xia,“Hierarchicalcodebookdesignforbeamformingtraininginmillimeter-wavecommunication,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.15,no.5,pp.3380–3392,May.2016.。然而，上述文献的方法设计出的波形与设计目标仍有较大的差距。实际码字的设计即是在混合预编码架构下实现理想码字。混合预编码结构虽然可以减少射频链路开销，在混合预编码架构下实现理想码字也变得更为困难。文献[1]提出的正交匹配追踪实际码字设计方案虽然可以实现理想码字，然而它需要大量的射频链路来实现上层的宽波束。这在毫米波大规模天线阵列通信系统中并不适用。另一方面，实际的相移器一般具有有限的量化位数，这使得在混合预编码架构下实现理想码字变得尤为困难。基于有限射频链路数目和有限量化位数的相移器，我们提出了实际码字设计方法。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种毫米波通信码本设计方法，该方法分为理想码字设计和实际码字设计两部分。理想码本设计主要是运用最小二乘算法得到具有一定覆盖范围的码本的闭合表达式。实际码字设计是在有限射频链路和量化相移器的实际混合预编码架构下对理想码字进行逼近。通过分步法设计毫米波通信系统码本，本专利技术大大简化了毫米波理想码本设计方法，并节省了射频链路资源。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种毫米波通信码本设计方法，该方法包括如下步骤：(1)设计毫米波通信的信号接收模型；(2)设计毫米波通信的信道传输模型；(3)基于所述信号接收模型和信道传输模型设计具有任意宽度的理想码字；(4)应用混合预编码结构逼近步骤(3)的理想码字以设计实际码字；(5)根据步骤(3)和步骤(4)设计发送端和接收端的通信码本。进一步的，步骤(1)中的信号接收模型设计如下：其中，fBB、FRF、H、WRF和wBB分别表示数字预编码向量、模拟预编码矩阵、信道矩阵、模拟合并矩阵和数字合并向量；y、P、x和η表示接收信号、发送功率、发送信号和加性高斯白噪声向量，(·)H表示做共轭转置。进一步的，步骤(2)中，设计毫米波通信中的信道传输模型：其中，L、λl、Nt和Nr分别表示路径数目、第l条路径的信道增益、信道接收角、信道发送角、发送天线数目和接收天线数目；α(N，Ω)表示信道引导向量，定义为：其中，N为天线数目，Ω∈[-1，1]为信道发送角或接收角。进一步的，步骤(3)中基于所述信号接收模型和信道传输模型设计任意宽度的码字，具体方法如下：(3.1)假设一个码字的覆盖范围为其中，Ω0表示波束的波束覆盖范围的起始位置，B表示波束覆盖的宽度，其波束增益应满足：其中，表示码字v沿着角度Ω的波束增益；[v]n表示码字v的第n个元素，上式要求码字在波束覆盖范围内的增益为一个恒定值Cv，在波束覆盖范围外的增益为0；(3.2)应用最小二乘算法到码字的设计中，首先将连续的空间角度Ω∈[-1，1]离散化，假设离散的位数为K，K≥Nt，量化的角度可以写成Ωk＝-1+(2k-1)/K,k＝1,2,…,K；设待设计的波束增益为g(Ω),相位为ejf(Ω)，其离散化的向量为g，其中，(3.3)步骤(3.2)中的函数f(Ω)通过如下方法确定：①首先，定义一个矩阵矩阵A的第k列表示步骤(3.2)中指向角度Ωk的引导向量α(Nt,Ωk),k＝1,2,…,K，根据步骤(3.1)中，波束增益的定义，可以得到AHv＝g，其最小二乘解为计算得到：是秩为Nt的单位矩阵，因此：②再将(3.2)中离散的空间角度连续化，即考虑K→∞，可以得到：其中，θ为积分变量，根据上式，可以设置f(Ω)＝-(Nt-1)πΩ/2；(3.4)确定f(Ω)之后，根据步骤(3.3)，可以得到考虑K→∞的情况，即可得到设计的未归一化的理想码字的第n个元素，由下式决定：其中，n＝1,2,…Nt；(3.5)对于波束覆盖范围为的码字，步骤(3.4)中的g(Ω)设定为：将g(Ω)代入步骤(3.4)并做积分可得，未功率归一化的码字的第n个元素可以写成：至此，得到了毫米波通信系统波束宽度为[Ω0,Ω0+B]码字的闭合表达式；(3.6)对(3.5)中的未功率归一化的码字进行归一化操作即可得到最终设计的码字v，其中表示向量的2范数。进一步的，步骤(4)中，应用混合预编码结构逼近步骤(3)的理想码字以设计实际码字，方法如下：(4.1)混合预编码结构包含数字预编码向量和模拟预编码矩阵；①数字预编码向量fBB数学上可以看成一个复向量，向量中每一元素的模值、幅度均可变；②模拟预编码FRF数学上可以看成一个复矩阵，矩阵中的元素模值为1，相位从量化相位集中选取，设量化位数为b，量化相位集如下：③混合预编码结构下实际码字设计问题即是最小化码字v与FRFfBB之间的误差，即其中待设计变量为FRF和fBB；FRF和fBB均需满足①，②中所述的条件，式表示使得‖v-FRFfBB‖2最小的满足步骤①，②中所述的条件的FRF和fBB的取值；(4.2)计算码字v中模值最大的一个元素，设为vmax＝maxn|[v]n|，将数字预编码向量的每一个元素设置为常值c，c＝vmax/(2NR本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种毫米波通信码本设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)设计毫米波通信的信号接收模型；(2)设计毫米波通信的信道传输模型；(3)基于所述信号接收模型和信道传输模型设计具有任意宽度的理想码字；(4)应用混合预编码结构逼近步骤(3)的理想码字以设计实际码字；(5)根据步骤(3)和步骤(4)设计发送端和接收端的通信码本。

【技术特征摘要】
1.一种毫米波通信码本设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)设计毫米波通信的信号接收模型；(2)设计毫米波通信的信道传输模型；(3)基于所述信号接收模型和信道传输模型设计具有任意宽度的理想码字；(4)应用混合预编码结构逼近步骤(3)的理想码字以设计实际码字；(5)根据步骤(3)和步骤(4)设计发送端和接收端的通信码本。2.根据权利要求1所述的一种毫米波通信码本设计方法，其特征在于，步骤(1)中的信号接收模型设计如下：其中，fBB、FRF、H、WRF和wBB分别表示数字预编码向量、模拟预编码矩阵、信道矩阵、模拟合并矩阵和数字合并向量；y、P、x和η表示接收信号、发送功率、发送信号和加性高斯白噪声向量，(·)H表示做共轭转置。3.根据权利要求1或2所述的一种毫米波通信码本设计方法，其特征在于，步骤(2)中，设计毫米波通信中的信道传输模型：其中，L、λl、Nt和Nr分别表示路径数目、第l条路径的信道增益、信道接收角、信道发送角、发送天线数目和接收天线数目；α(N，Ω)表示信道引导向量，定义为：其中，N为天线数目，Ω∈[-1，1]为信道发送角或接收角。4.根据权利要求1或2或3所述的一种毫米波通信码本设计方法，其特征在于，步骤(3)中基于所述信号接收模型和信道传输模型设计任意宽度的码字，具体方法如下：(3.1)假设一个码字的覆盖范围为其中，Ω0表示波束的波束覆盖范围的起始位置，B表示波束覆盖的宽度，其波束增益应满足：其中，表示码字v沿着角度Ω的波束增益；[v]n表示码字v的第n个元素，上式要求码字在波束覆盖范围内的增益为一个恒定值Cv，在波束覆盖范围外的增益为0；(3.2)应用最小二乘算法到码字的设计中，首先将连续的空间角度Ω∈[-1，1]离散化，假设离散的位数为K，K≥Nt，量化的角度可以写成Ωk＝-1+(2k-1)/K，k＝1，2，…，K；设待设计的波束增益为g(Ω)，相位为ejf(Ω)，其离散化的向量为g，其中，(3.3)步骤(3.2)中的函数f(Ω)通过如下方法确定：①首先，定义一个矩阵矩阵A的第k列表示步骤(3.2)中指向角度Ωk的引导向量α(Nt，Ωk)，k＝1，2，…，K，根据步骤(3.1)中，波束增益的定义，可以得到AHv＝g，其最小二乘解为计算得到：是秩为Nt的单位矩阵，因此：②再将(3.2)中离散的空间角度连续化，即考虑K→∞，可以得到：其中，θ为积分变量，根据上式，可以设置f(Ω)＝-(Nt-1)πΩ/2；(3.4)确定f(Ω)之后，根据步骤(3.3)，可以得到考虑K→∞的情况，即可得到设计的未归一化的理想码字的第n个元素，由下式决定：其中，n＝1，2，…Nt；(3.5)对于波束覆盖范围为的码字，步骤(3.4)中的g(Ω)设定为：将g(Ω)代入步骤(3.4)并做积分可得，未功率归一化的码字的第n个元素可以写成：至此，得到了毫米波通信系统波束宽度为[Ω0，Ω0+B]码字的闭合表达式；(3.6)对(3.5)中的未功率归一化的码字进行归一化操作即可得到最终设计的码字v，其中表示向量的2范数。5.根据权利要求4所述的一种毫米波通信码本设计方法，其特征在于，步骤(4)中，应用混合预编码结构逼近步骤(3)的理想码字以设计实际码字，方法如下：(4.1)混合预编码结构包含数字预编码向量和模拟预编码矩阵；①数字预编码向量fBB数学上可以看成一个复向量，向量中每一元素的模值、幅度均可变；②模拟预编码FRF数学上可以看成一个复矩阵，矩阵中的元素模值为1，相位从量化相位集中选取，设量化位数为b，量化相位集如下：③混合预编码结构下实际码字设计问题即是最小化码字v与FRFfBB之间的误差，即其中待设计变量为FRF和fBB；FRF和fBB均需满足①，②中所述的条件，式表示使得||v-FRFfBB||2最小的满足步骤①，②中所述的条件的FRF和fBB的取值；(4.2)计算码字v中模值最大的一个元素，设为vmax＝maxn|[v]n|，将数字预编码向量的每一个元素设置为常值c，c＝vmax/(2NRF)，其中，NRF是射频链路的数目，即：fBB＝[c，c，c，…，c](4.3)由于(4.2)中fBB的每一个元素均被设置成恒定的常数，将实际码字设计问题转变为Nt个子问题，每一个子问题均是一个离散优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚晨皓，陈康建，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32