毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种毫米波MIMO通信多子阵波束对准方法及装置，方法包括：（1）收发端分析各子阵对应的码书并据此进行空间划分，各个子阵从自己的码书中抽取码字形成相应的子码书，所抽取形成的子码书的并集能够覆盖原空间。（2）基于抽取的子码书，发送端使用多个波束发送信号，针对发送端的发送组合，接收端基于抽取的子码书同时使用多个波束接收信号。（3）利用训练阶段获取的信息，计算信道的主方向并进一步实现高效率、低复杂度的波束选择。本发明专利技术充分利用毫米波信道具有稀疏性这一特点，提出相应的多子阵协作训练框架及有效算法。分析与仿真实验均表明，本发明专利技术方法不仅极大地降低了训练开销及计算复杂度，而且与穷尽搜索算法相比，相应的性能损失很小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及毫米波MIMO中波束对准技术，考虑收发端多个子阵之间如何协作快速完成训练，并据此高效地实现波束对准，属于无线通信

技术介绍
由于毫米波通信系统具有较大的带宽，能够提供数G-bps的数据传输速率，因而具有非常广阔的应用前景。但是，与微波通信系统相比，毫米波通信系统设计与实现也存在很多问题。一方面，毫米波信号的频率高波长短，信号衰减非常严重，因而通信距离与覆盖范围十分有限；另一方面，由于信号波长短，所以可以在较小的区域内排列更多的天线，利用天线阵列提供的阵列增益可以增加通信距离及覆盖范围。众所周知，MIMO技术通过提供分集增益可以提高通信的可靠性，通过多路复用可以大幅度提高数据传输速率。在毫米波通信系统中，实现MIMO的一种有效的形式是通过收发端配置多个子阵，如图1所示。由于模拟波束形成技术在硬件上相对简单，无论在学术界还是工业界，均引起广泛重视并获得深入研究，在相控阵雷达、无线通信等诸多领域均获得广泛应用。由于毫米波通信系统依赖于大规模天线阵列提供的阵列增益，为了建立可靠的通信链路必须首先进行波束对准。由于毫米波信号传输的特点，在获取阵列增益前，信噪比往往很低，而收发端多子阵技术的引入，使这一问题变得更加困难，主要表现在两个方面：(1)由于收发端均配置多个子阵，多子阵波束对准需要的训练开销非常大。(2)由于训练过程中获得的数据非常多，如何处理获得的信息，完成最终的波束对准任务，需要很高的计算复杂度。应该指出，以上两个问题并不是相互独立的，这是因为：(1)如果能够压缩波束对准需要的训练信息，则可以有针对性地进行波束训练，从而可以有效地降低训练开销。(2)如果能够考虑到毫米波信道的特点，并有针对性地训练，则可以大大减少需要处理的信息。由于现行的研究多数集中在获取训练数据后的处理，没有考虑到如何减小训练开销，因而相应的算法均具有较高的复杂度。本专利技术充分挖掘并利用毫米波信道稀疏性特点，提出了多子阵协作的思想及相应的训练框架，基于此框架提出具体的多子阵协作波束训练与对准算法。分析与实验均表明，提出的算法不仅极大地降低了训练开销和波束对准的计算复杂度，而且与穷尽算法(最优但是实现极其困难)相比，性能损失很低。
技术实现思路
专利技术目的：为了提高毫米波多子阵波束对准的效率，降低多子阵波束对准的训练开销及实现复杂度。本专利技术充分利用多子阵空间划分特性、毫米波信道的稀疏特性、多天线阵列的定向性，提出了一种多子阵协作波束对准方法及装置。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准方法，包括如下步骤：(1)发送端和接收端分别根据其子阵数量和码书特点进行空间划分，并从各子阵所对应的原码书中抽取出训练阶段使用的子码书，要求抽取形成的子码书的并集覆盖原空间；(2)收发两端基于抽取的子码书，每轮训练中发送端各子阵从各自子码书中选择一个码字发送导频信号，接收端各子阵从各自子码书中选择一个码字接收导频信号，直至收发端各子阵均完成子码书的遍历；(3)利用训练阶段获取的信息计算信道的主方向，并据此进一步实现高效率、低复杂度的波束选择。所述步骤(1)中空间划分与子码书构造操作：收发两端的操作类似，收(发)端将原空间划分为子空间并记为表示收(发)端第i个子阵第j个覆盖区域，对于区域从第i个子阵对应的码书中选择1个码字进行覆盖，为覆盖收(发)端第i个子阵第j个区域抽取的码字记为对应于第i个子阵全部覆盖区域的码字的全体构成子码书其满足：(1)在收(发)端各子码书的并集覆盖原空间的前提下，最小化各子码书的大小；(2)各个子码书大小相等，以|·|表示集合中元素大小，则有及其中，LR与LT分别表示收(发)端子阵数。所述步骤(2)中收(发)端首先对各子阵的子码书进行接收(发送)编码，具体而言，对于子码书将其编码为其中如下所示和其中，收(发)端子码书大小分别为J和I。基于上述编码，发送端共需要I轮训练，针对每一轮训练接收端需要J个时隙。设当前训练轮次为m，则对于发送端的第i个子阵，使用第(i-1)I+m号码字发送导频信号，且发送端所有子阵同时发送；在第m轮中第k个时隙，接收端第j个子阵使用第(j-1)J+k号波束接收信号，且接收端所有子阵同时接收。显然，中每个元素对应于子码书中一个码字或波束，所以在对波束进行编码时需要满足：(1)收(发)端各子阵的波束应覆盖不同的区域；(2)发送端/接收端各子阵同时使用的波束主瓣之间的相互影响最小。所述步骤(3)中首先依据训练阶段感知的信道信息采用Top-N策略或先取平均再采用Top-N策略估计出N个信道强度较强的方向对，作为信道的主方向对；然后在压缩的搜索空间中采用穷尽搜索或贪婪搜索或其他算法进行波束选择。毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准发送端装置，包括：发送子码书抽取模块，用于根据发送端拥有子阵数量和码书特点进行空间划分，并从各子阵所对应的原码书中抽取出训练阶段使用的子码书，各子阵抽取形成的子码书的并集覆盖原空间；发送多子阵协作训练模块，用于基于发送子码书抽取模块抽取的子码书，通过多个子阵同时发送信号进行多子阵协作训练，每轮训练中发送端各子阵从各自子码书中选择一个码字同时发送导频信号，直至各子阵均完成子码书的遍历；以及，发送波束选择模块，用于基于感知的信道信息计算出信道的主方向，并基于压缩的搜索空间配合接收端进行波束选择。毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准接收端装置，包括：接收子码书抽取模块，用于根据接收端拥有子阵数量和码书特点进行空间划分，并从各子阵所对应的原码书中抽取出训练阶段使用的子码书，各子阵抽取形成的子码书的并集覆盖原空间；接收多子阵协作训练模块，用于基于接收子码书抽取模块抽取的子码书，通过多个子阵同时接收信号进行多子阵协作训练，针对发送端的每次发送，各子阵从各自子码书中选择一个码字同时接收导频信号，直至各子阵均完成子码书的遍历；以及，接收波束选择模块，用于基于感知的信道信息计算出信道的主方向，并基于压缩的搜索空间配合发送端进行波束选择。有益效果：本专利技术提供的多子阵协作波束对准方法及装置，充分利用毫米波信道具有稀疏性这一特点，采用多个子阵协作实现空间划分及训练。由于采用多个子阵协作进行信道感知，从而训练开销大大阵低(和收发送端子阵数乘积成反比)。由于训练次数降低，从而波束选择需要处理的信息大大减小，因而波束对准的复杂度也大大降低。由于充分利用了毫米波信道稀本文档来自技高网...

【技术保护点】
毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)发送端和接收端分别根据其子阵数量和码书特点进行空间划分，并从各子阵所对应的原码书中抽取出训练阶段使用的子码书，要求抽取形成的子码书的并集覆盖原空间；(2)收发两端基于抽取的子码书，通过多个子阵同时收发信号进行多子阵协作训练，每轮训练中发送端各子阵从各自子码书中选择一个码字同时发送导频信号，接收端各子阵从各自子码书中选择一个码字同时接收导频信号，直至收发端各子阵均完成子码书的遍历；(3)利用训练阶段获取的信息计算信道的主方向，并据此进一步实现波束选择。

【技术特征摘要】
1.毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)发送端和接收端分别根据其子阵数量和码书特点进行空间划分，并从各子阵所对
应的原码书中抽取出训练阶段使用的子码书，要求抽取形成的子码书的并集覆盖原空间；
(2)收发两端基于抽取的子码书，通过多个子阵同时收发信号进行多子阵协作训练，每
轮训练中发送端各子阵从各自子码书中选择一个码字同时发送导频信号，接收端各子阵从
各自子码书中选择一个码字同时接收导频信号，直至收发端各子阵均完成子码书的遍历；
(3)利用训练阶段获取的信息计算信道的主方向，并据此进一步实现波束选择。
2.根据权利要求1所述的毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准方法，其特征在于，所述
步骤(1)中空间划分和子码书抽取的操作为：接收端/发送端将原空间划分为子空间并记为
表示接收端/发送端第i个子阵第j个覆盖区域，对于区域从第i个
子阵对应的码书中选择1个码字进行覆盖，为覆盖接收端/发送端第i个子阵第j个区域抽取
的码字，记为对应于第i个子阵全部覆盖区域的码字的全体构成子码书其满足：(1)在接收端/发送端各子码书的并集覆盖原空间的前提下，最小化
各子码书的大小；(2)各个子码书大小相等，以|·|表示集合中元素大小，则有
及其中，LR与LT分别表示接收端和发送端子阵数。
3.根据权利要求1所述的毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准方法，其特征在于，所述
步骤(2)中接收端/发送端首先对各子阵的子码书进行接收/发送编码，具体而言，
对于子码书将其编码为其中如下所示
和其中，接收端/发送端子码书大小分别为J和I；
基于上述编码，发送端共需要I轮训练，针对每一轮训练接收端需要J个时隙；设当前训
练轮次为m，则对于发送端的第i个子阵，使用第(i-1)I+m号码字发送导频信号，且发送端所
有子阵同时发送；在第m轮中第k个时隙，接收端第j个子阵使用第(j-1)J+k号波束接收信
号，且接收端所有子阵同时接收；
显然，中每个元素对应于子码书中一个码字或波束，所以在对波束进<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永明，何世文，章建军，张铖，王海明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32