一种多径信道下的分级波束搜索方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种基于模拟波束赋形技术的多径信道下的分级波束搜索方法。本发明专利技术实施例在毫米波通信系统中，较原有二分波束搜索方法，能够以更高的成功率找到最优通信波束，相较于穷举搜索法，在获得几乎同样的成功率情况下，具有更低的搜索复杂度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信领域，尤其涉及多径信道下的分级波束搜索方法。
技术介绍
随着无线通信技术的广泛应用，能够实现Gbps传输速率的毫米波通信受到越来越广泛的关注。但是毫米波通信必须克服其本身传输特性而导致的高路径损耗问题，因此通信收发双方需配备多天线系统以采用波束赋形技术来实现链路预算。目前基于相关天线阵列的模拟波束赋形技术条件下，已有的各种改进型分级搜索策略算法仅适用于以一条能量为主的单径通信环境，不适用于多径环境。但现实通信环境大都是多径信道，若处在多径环境下这些波束搜索算法极有可能搜到的不是最优通信波束，因此，这些波束搜索算法都存在很大的局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为克服现有技术的缺陷，将基于模拟波束赋形技术，利用分级搜索思想设计出适合于多径环境下的波束搜索方法，该方法将记录逐级搜索过程中所能获取的信息，并利用该信息指导下一级波束搜索，以保证多径环境下能够搜索到最优通信波束。本专利技术提供的一种基于模拟波束赋形技术的多径信道下的分集波束搜索方法，其特征在于：分级搜索中每一级搜索过程的特殊改进及如何选用波束，以及在最细波束阶段即最后一级搜索过程中对搜索结果按照一定规则的处理。上述场景特征为：信道中具有多径通信分量的室内环境。该方法的具体描述如下：假设信道中多径数为L，接收端和发射端天线数Nt＝Nr＝M。令Q表示码本总级数，那么Q＝log2M，q表示第q级码本。与二分搜索法不同的是，该方法需要根据信道多径数来决定起始发射码本的级数q，即2q>L，究其原因分析如下。假设信道多径数为3的情况下，起始发射波束依然为第一级码本中的两个波束，由于多径随机分布在360°范围内，那么这3条径随机分布在这两个波束覆盖范围内的概率较
大，根据下文算法步骤(4)和(5)，在第二级搜索过程中发射波束有极大可能依然需要遍历第二级码本中的4个波束，所以从减小搜索复杂度方面来说，将第二级码本作为起始发射波束码本最佳。(1)设置收发双方各自天线数M，百分比截断阈值percentThreshold。这个阈值可以被认为是区分有效信息与干扰信息的标准。(2)根据多径数L计算搜索算法的起始级数，即满足2q>L的q值，比如L＝3时，则从q＝2级开始搜索。(3)如果q＝Q，进入步骤(6)，否则继续执行下面的步骤，(4)发射端取出第q级码本中需要的码字，发射训练信号，接收端全向接收信号。此时接收端计算出所有这些码字所对应的信噪比值，用γi来表示。，并从中找出γi当中第L大的值，以该值作为基准(分母)，计算出γi相对于该值的百分比。数组indexArray记录大于等于percentThreshold所对应的波束编号i。由于仿真时信道增益是随机产生的，有可能各个路径信道增益相差非常大，如果此时以最大值作为基准，那么能够准确区分出有效信息与干扰的阈值将会变得很小，同时搜素复杂度也会随着阈值的微弱变化而产生较大变化，因此从概率角度来说，我们不以γi当中最大值作为基准，以尽量减小最大值对搜索方案性能的影响。此处选取γi当中第L大的值作为基准。(5)将步骤(3)中数组indexArray中的编号，转换成下一级码本的码字编号(波束编号)，例如indexArray中编号i需更新为2i和2i-1，然后进入下一轮波束搜索，置q＝q+1，返回到步骤(3)。(6)经过上述步骤，此时波束搜索已经进行了Q-1级搜索，即将进入第Q级搜索，即波束将是最细的通信波束。该阶段需要将步骤(4)中转换出的波束编号做有选择性的删除。例如indexArray中编号2i和2i-1，发射端切换探测这两个波束，接收端需要根据信噪比值大小从中选出一个编号，以确定这两个编号对应的局部最优波束，其余编号做相同的操作，更新数组indexArray的值。接下来进入第(6)步进一步确定全局最优波束。(7)实际应用中，波束数目与天线数一般有K＝2M关系，因此以上最后一步搜索过程实际还有M个波束未使用。根据波束主瓣方向的相对关系，最优通信波束也可能出现在这M个未使用的波束中。假设indexArray中的第一个编号为j，实际上编号j为M个波束中的编号，转化成2M个波束中的编号即为2j，那么发射端还需再
次切换探测2j-1，2j，2j+1三个编号所对应的波束，并用数组indexLocalOptimal记录信噪比最大的编号。依次对indexArray中所有编号做类似处理，最后，比较indexLocalOptimal中所有编号对应的信噪比大小，即可获得全局最优通信波束。以上是搜索发射端最优通信波束编号的过程。若搜索接收端最优通信波束编号，发射端采用最优通信波束发射训练信号，由于此时发送端在一定程度上已经掌握了部分信道信息(角度)，因此，接收端虽是重复上述步骤，但步骤(3)中只需以最大值作为基准，阈值可设置为1，算法退化为二分法。与现有技术相比，本专利技术技术优势在于：在多径环境下，相较于二分搜索算法，该算法能够以更高的成功率搜索到最优通信波束，相较于穷举搜索法，该算法在获得几乎同样的成功率情况下，则具有更低的搜索复杂度。附图说明图1是多径环境中二分搜索法存在的问题；图2是毫米波多径信道模型；图3是分级码本的波束图；图4是多径信道下分级波束搜索方法的流程图；图5是percentThreshold值与搜索成功率的仿真结果图；图6是该算法与穷举搜索算法的复杂度比较图；图7是该算法与二分搜索算法的搜索成功率比较图。具体实施方式下面结合附图对技术方案进行详细阐述。本专利技术实例提供了一种基于模拟波束赋形技术的多径信道下的分集波束搜索方法。通过本专利技术实例可以克服如图1中所示二分法存在的局限性，避免漏选掉包含有多径信息的波束，在如图2所示的多径环境中能以极高的成功率和较低的复杂度找到最优通信波束，提高毫米波通信系统的性能。本专利技术实例主要是基于分级搜索策略的思想，因此亦需要特定的分级码本。该
方法将采用已提出的一种N相位码本来代替DFT码本，该码本产生的波束具有较优的旁瓣性能，这一点对于波束搜索算法至关重要。N相位码本产生的公式如下： w ( m , k ) = e j 2 π N f i x [ m 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多径信道下的分级波束搜索方法，其特征在于，所述方法包括：将研究的场景抽象为模拟波束赋形架构下的多径解析信道模型；基于分级搜索策略和与之配合使用的分层码本，再利用多径波束搜索算法进行最优波束搜索；其中，所述研究场景为毫米波多径信道的场景；所述算法包含：分级搜索中每一级搜索过程的改进及在最细波束阶段即最后一级搜索过程中对搜索结果按照一定规则的处理。

【技术特征摘要】
1.一种多径信道下的分级波束搜索方法，其特征在于，所述方法包括：将研究的场景抽象为模拟波束赋形架构下的多径解析信道模型；基于分级搜索策略和与之配合使用的分层码本，再利用多径波束搜索算法进行最优波束搜索；其中，所述研究场景为毫米波多径信道的场景；所述算法包含：分级搜索中每一级搜索过程的改进及在最细波束阶段即最后一级搜索过程中对搜索结果按照一定规则的处理。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用N相位码本产生与分级波束搜索相配合的各级分层码本；其中，各级分层码的每一级产生的波束数目是该级所选取的天...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹卫霞，李辉，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11