本发明专利技术提供了一种毫米波系统快速信道估计方法,属于无线通信系统技术领域。本方法包括:根据通信波束数目Q,对通信波束所覆盖的空间范围进行区间划分,采用二进制表示区间编码;设计训练波束,使得训练波束k的主瓣只位于区间编码第k个bit为1的区域;发射机使用训练波束发射信号,接收机记录各训练波束的信号强度,判断是否处于训练波束的主瓣范围内,获得最优通信波束。本方法在Q取值大于16时采取分阶段的搜索方式,每个阶段将搜索范围进行区间划分,寻找最优区间。本发明专利技术利用多个主瓣叠加的波束进行波束搜索,搜索效率更高,并具有较低的搜索复杂度,适用于2D和3D的波束赋形,在星形拓扑结构的多用户同时搜索时具有明显优势。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信系统
,具体设及一种毫米波系统快速信道估计方 法。
技术介绍
目前高速业务的迅速增长,使得下一代通信技术的目标是能够提供化psW上的传 输速率,显然中低频段的通信系统难W满足需求,且此频段业务众多,频谱拥挤不堪,于是 业界将目光投向毫米波段。该频段的特点是波长较短,使得设备可W集成更多的天线,不但 可W大大提高频谱利用率,而且可W获得阵列增益,正好弥补毫米波段由于衰减大导致覆 盖距离不够的缺陷。但是,当未来毫米波通信系统集成的天线数目多达上百根时,便会带来 许多问题,其中最突出的问题是信道信息的快速获取。因为随着天线数量的上升,所需要的 信道信息量也急剧上升,导致其获取复杂度及反馈信息量随之加大,因此当发射机获得该 信道信息时,信道已经发生变化,即信道已经老化(channel aging)。故为了保证信道 信息的时效性,随着天线数量的上升,需要设计一种更加高效、快速地信道估计方案。 对于波束切换系统的模拟波束赋形结构来讲,信道信息的获取实际上是一个波束 捜索问题。该系统通常预先设计好若干个合适的波束,并将所需的天线阵列加权向量(即波 束码本)储存起来,在使用时从中选取最合适的波束进行通信。为了兼顾实现复杂度与覆盖 效果,目前的毫米波无线局域网标准多采用此结构。而在第五代移动通信网及未来的超高 速无线局域网中则可能采用混合数模结构波束赋形技术,其中也设及到快速波束捜索问 题。目前802.15.3c标准中采用扇区级和波束级的两级捜索方案,复杂度与天线数目的平方 成正比 ;802.1 lad标准中捜索复杂度则降低到与天线数目成 线性关系;参考文 件4中公开的二分捜索方案,复 杂度可降低到与天线数目成对数关系;参考文件5中提出利用旁瓣重叠的波束=分捜索的 方案,捜索复杂度进一步降低。但对于上百根天线来讲,捜索复杂度仍然太高。 对于收发双方均采用多天线的毫米波通信系统来讲。为获得较好的通信质量,需 要寻找最优收发波束对用W通信。对发射机而言,需要估计信号的离开角A0D(Angle Of Departure),并据此选取发射波束;对接收机而言,需要估计信号的到达角A0A(Angle of Arrival),并据此选取接收波束。对于毫米波下的点对点静态LOS信道,通常对于一个设备, 其发射信号的AOD与接收信号的AOA是一样的。因此一个设备的接受波束与发射波束是一致 的,在信道估计时也只需估计出AOD或AOA其中的一个即可。目前普遍采用的方法,是通过不 同发射波束发射信号,根据反馈估计AOD。发射机在得到该AOD数据后,选择在该AOD增益最 大的波束进行通信。 假设某设备使用天线阵列,产生Q个用于通信的波束(简称通信波束)来覆盖整个 空间范围(-90°,+90°)。即将整个空间范围划分为Q个AOD区间,其中第q个区间记为Aq(q = 1,2,…,Q)。当发射机发现估计出的AOD隶属于某个Aq,则选择该区间对应的波束作为最优 通信波束,对应的编号q记为q-opt,即最优区间为Aq-opt。目前的波束切换系统中,AOD估计通 常与最优波束捜索一并进行。下面介绍各现有方法的机制和特点。 (1)基于遍历的捜索方法需要发射机通过Q个不同通信波束发射信号,接收机检测 并比较接收信号,将信号强度最高的时隙编号(或对应的波束编号)反馈给发射机,发射机 据此判断AOD位于该波束的覆盖区间。可见其反馈次数为1次,反馈信息量为logsQbit,需要 的训练信号发射次数为Q。 (2)基于二分捜索的方法,需要产生主瓣宽度比通信波束更宽的用于 训练的波束(简称训练波束),逐步细化AOD的颗粒度,最终找到Aq-DPtD二分捜索过程分为 IogsQ个阶段,刚开始阶段产生的训练波束主瓣较宽,随着捜索过程的继续,训练波束主瓣 将越来越窄。一般来讲,下个阶段的波束宽度近似是上个阶段波束宽度的一半。在每个阶 段,均将波束捜索范围分为两个细分区间,并用两个波束分别覆盖运两个细分区间。发射机 依次通过运两个波束发射训练信号,接收机反馈信号强度较高的波束编号;发射机收到反 馈后,判断Aq处于该波束覆盖的细分区间内,并将该细分区间作为下一阶段的波束捜索范 围。通过运样的循环操作,将AOD的颗粒度逐步细化,直至找到足够精细的Aq-Wt,最终确定最 优的通信波束。每个阶段,需要发射2次训练信号,反馈信息量为化it。经过IogsQ次循环后, 反馈次数为log泌次,总反馈信息量为IogsQbit,所需的训练信号发射次数为2*log2Q。 (3)参考文件5中利用波束旁瓣的重叠区域进行=分捜索,其总体过程与二分捜索 相似,分为IogsQ个阶段。在每个阶段,产生两个波束覆盖捜索范围,但将捜索范围一分为 =,两个波束的主瓣各占一个区间,旁瓣的重叠区域占一个区间。在2个时隙内,通过运两个 波束发射信号,接收机检测信号强度,若其中一个波束的信号强度更高,则判定Aq-DPt处于该 波束主瓣覆盖的角度区间内;若两波束信号强度相当,则判定Aq-DPt处于两波束的旁瓣重叠 区间内。判定过程可W在接收机处进行,只反馈所属角度区间编号即可,信息量为l〇g23 bit,并将本阶段Aq所属区间作为下一阶段的捜索范围。经过IogsQ次循环后,反馈次数为 IogsQ次,总反馈信息量为l〇g23bit/次*log3Q次=IogsQ bit,所需要的训练信号发射次数 为2*log3Q。 =种方法的总反馈信息量是一样的,但各方法的复杂度不同,其原因在于对信息 的表示效率存在差异。为了确定Q个通信波束中最优的一个,无论采用哪种捜索方法,所需 要的信息量都为IogsQ bit。也就是说,用二进制表示该信息,所需要的位数为log泌位。遍历 捜索不分阶段,用Q位二进制数表示IogsQ bit信息;二分捜索的每个阶段,用2位二进制数 表示化it信息;=分捜索的每个阶段,用2位二进制数表示log23 bit信息。二分捜索与=分 捜索在每个阶段都发射2次训练信号,但=分捜索可W通过波束得到更多的方位信息。其原 因在于,波束叠加状态在二分捜索中并未得到应用,但在=分捜索中得W使用。然而=分捜 索只利用了旁瓣的叠加,而主瓣的叠加并未得W利用。 可见,如果通过每个波束得到的方位信息量越多,信息表示效率越高,那么所需要 的训练信号发射次数也就越少,整个捜索过程的复杂度越小。而理论上,2位二进制数可W 表示化it信息。因此,二分法的表示效率较低,=分法虽然利用了波束旁瓣的叠加状态,但 并未利用主瓣的叠加,说明效率仍然有提高的空间。
技术实现思路
本专利技术提出利波束主瓣重叠的快速信道估计方法,旨在进一步减小捜索复杂度, 利用多个主瓣叠加的波束,对信道AOD进行快速估计。 本专利技术提供的,实现步骤为: 第一步,根据通信波束数目Q,对通信波束所覆盖的空间范围进行区间划分,对各 区间进行编码。 将通信波束所覆盖的空间范围划分为Q个AOD区间,第q个区间记为Aq,将区间Aq的 编码表示为一个K位的二进制数;q = l,2,…,Q,K、Q均为正整当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种毫米波系统快速信道估计方法,其特征在于,实现步骤如下:第一步,根据通信波束数目Q,对通信波束所覆盖的空间范围进行区间划分,对各区间进行编码;将通信波束所覆盖的空间范围划分为Q个AOD区间,第q个区间记为Aq,将区间Aq的编码表示为一个K位的二进制数;q=1,2,…,Q,K、Q均为正整数,且Q=2K;AOD表示离开角;第二步,设计K个训练波束;设计训练波束k,使得训练波束k的主瓣只位于区间编码第k个bit为1的区域,k=1,2,…,K;设计训练波束q,使得训练波束q的主瓣只位于区间编码第q个bit为1的区域,q=1,2,…,Q;第三步,发射机使用训练波束发射信号,接收机记录各训练波束的信号强度,并与事先设定的阈值比较,来判断是否处于训练波束的主瓣范围内,若处于训练波束k的主瓣范围内,则判定最优区间Aq‑opt的编码的第k个bit为1,否则为0,最后接收机将Aq‑opt的编码反馈回发射机,所述的最优区间Aq‑opt为发射机确定的AOD所隶属的区间,发射机将采用Aq‑opt编码对应的波束作为最优通信波束进行通信。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员:邹卫霞,郭超,
申请(专利权)人:北京邮电大学,
类型:发明
国别省市:北京;11
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