一种基于空间扫描的自适应毫米波波束搜索方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空间扫描的自适应毫米波波束搜索方法。本发明专利技术接收端Rx采取多次迭代扫描的方式，使用预置波束码本中的波束采集发射端Tx发送的导频信号；在每次迭代扫描周期中，利用广义似然比检验(GLRT)方法，在信道信息未知的情况下根据Rx采集的信号判断不同波束之间的强弱关系，从而筛选出以较高的可能性不是最佳波束的波束，并将其排除在波束搜索的范围之外；通过多次迭代的方式不断缩小波束搜索的范围并确定最佳波束。本发明专利技术不需要信道的瞬时信息、统计信息以及接收端的噪声方差，可在信道信息完全未知的情况下自动调整波束搜索的时间以达到满意的波束搜索准确性。搜索的时间以达到满意的波束搜索准确性。搜索的时间以达到满意的波束搜索准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间扫描的自适应毫米波波束搜索方法


[0001]本专利技术属于数字通信
，公布了一种在信道信息完全未知的情况下可以自适应调整波束搜索时间来保证波束搜索精度的毫米波波束搜索方法。

技术介绍

[0002]随着无线通信的发展，常用的亚6GHz频段的频谱已经过于拥挤，而毫米波通信能提供充足的频谱，从而实现更高的数据传输速率，是未来移动通信领域的重要技术。但毫米波信号同时也存在着较高路径损耗，所以通常利用大规模天线阵列波束成形实现定向发射，来获得高度定向波束成形的增益以补偿新的传播损耗。在该过程中，需波束对准，从而将数据传输的能量集中到信道的主要路径方向，即所选的波束能对准信道的主要路径。
[0003]基于空间扫描的波束搜索是波束对准的一种经典方法。此方法使用提前生成的波束码本对空间进行扫描，根据不同方向的扫描结果找出与信道的主要路径方向最吻合的波束并用于数据传输。这种方法不需要精确地估计信道的角度、增益系数等参数。同时，由于毫米波信道在角度域具有稀疏性，因此只要所选波束与信道的方向是对准的，就能达到接近最佳的频谱效率(信道参数信息已知时系统可以达到的频谱效率)。
[0004]常用的基于空间扫描的波束搜索方法一般都通过固定搜索(训练)时间来优化搜索，所以搜索时间在不同的信噪比场景是非自适应的。这样的方法在实际应用中有明显的局限性。这是因为不同位置的用户的信噪比不同，而不同的信噪比需要不同的训练时间来达到满意的搜索精度。例如，高信噪比场景相比低信噪比场景需要更少的训练时间来达到相同的搜索精度，反之亦然。在波束搜索阶段，信道的信噪比通常是未知的，因此，很难提前设定波束搜索的最佳训练时间。而已有解决方案在所有场景都使用固定训练时间的缺点很明显：如果训练时间被设置为确保低信噪比用户的搜索精度，那么对于高信噪比用户，它将导致不必要的大开销；如果选择训练时间只保证高信噪比用户，则低信噪比用户的波束搜索精度较差。
[0005]为了解决上述经典波束搜索方法的问题，需要设计一种可自适应调整训练时间的波束搜索算法，来灵活应用于不同通信场景的波束搜索，并且获得满意的性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对毫米波通信系统，公布了一种基于空间扫描的自适应毫米波波束搜索方法。该方法不需要预先获取信道的瞬时信息、信道的统计信息以及噪声方差等信息，可自适应地调整波束搜索在不同通信场景中消耗的时间，保证波束搜索的准确性，因此具有较强实用性。
[0007]本专利技术采取以下技术方案：接收端Rx采取多次迭代扫描的方式，使用预置波束码本中的波束采集发射端Tx发送的导频信号；在每次迭代扫描周期中，利用广义似然比检验(GLRT)方法，在信道信息未知的情况下根据Rx采集的信号判断不同波束之间的强弱关系，从而筛选出以较高的可能性不是最佳波束的波束，并将其排除在波束搜索的范围之外；通
过多次迭代的方式不断缩小波束搜索的范围并确定最佳波束。
[0008]一种基于空间扫描的自适应毫米波波束搜索方法，其按如下步骤：
[0009]步骤1、波束迭代搜索过程中导频信号的测量；
[0010]步骤2、利用GLRT对任意两个波束等效信道强弱关系的判定；
[0011]步骤3、自适应波束搜索。
[0012]优选的，步骤1具体如下：
[0013]步骤1.1，考虑发射端Tx采用波束发送波束搜索的导频信号，其中N
T
为Tx的天线数；接收端Rx通过预置波束码本为Tx的天线数；接收端Rx通过预置波束码本进行波束扫描，测量Tx发射的导频信号，其中为波束(码字)，N
R
为Rx的天线数。
[0014]步骤1.2，Rx采用迭代扫描的方式采集Tx发送的导频信号。在扫描周期t中，Rx从中选择波束进行波束扫描。定义为Tx与Rx之间的信道矩阵，则当Rx使用波束u
l
采集信号时，其等效信道为：
[0015][0016]其对应采集到的信号为：
[0017][0018]其中是噪声信号(假设服从均值为0、方差为σ2的复高斯分布，即)，s
l
(t)为测量时间(即一个扫描周期)内Tx发送的导频信号，且|s
l
(t)|2＝P
T
，P
T
是Tx的发射功率。采集的信号进一步处理后的信号为：
[0019][0020]步骤1.3，Rx计算每个波束u
l
的匹配滤波输出。Rx使用波束u
l
从波束搜索开始(t＝0)到扫描周期t采集到的处理后信号可联立为：f
l
＝[f
l
(1)，...，f
l
(m)，...，f
l
(n
l
(t))]T
，其中，n
l
(t)＝t
l
n0是Rx使用波束u
l
进行波束扫描的累积符号周期数，t
l
为扫描u
l
的次数，n0是Rx每次扫描单个波束所用的符号周期数。因此，波束u
l
对应的匹配滤波输出为：
[0021][0022]优选的，步骤2具体如下：
[0023]步骤2.1，在任意扫描周期t，波束u
l
与波束u
j
的等效信道强度可以根据两个波束分别采集到的信号f
l
和f
j
进行判断。将波束u
l
的等效信道h
l
表示为r
l
≥0，其中r
l
＝|h
l
|为波束的等效信道强度，θ
l
为信道参数的相位，则波束u
l
与波束u
j
的等效信道强度判决问题等效为判断H1：r
l
＞r
j
或者H0：r
l
≤r
j
。
[0024]不失一般性地，假设将等效信道强度比较地问题表述为以下假设检验问题：
[0025][0026]并使用GLRT作为上述假设检验的判决准则：
[0027][0028]其中P(f
l
|H0)、P(f
l
|H1)分别为f
l
在H0和H1下的似然函数，γ为假设检验的门限值。当S
l，j
大于门限值γ时判决为H1，反之判决为H0。
[0029]与公式(6)等效地，上述GLRT还可以用如下等效判决准则：
[0030][0031]其中S
′
l，j
＝log(S
l，j
)，γ
′
＝log(γ)。当S
′
l，j
大于门限值γ
′
时判决为H1，反之判决为H0。
[0032]步骤2.2，假设检验统计量S
′
l，j
可由f
l...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空间扫描的自适应毫米波波束搜索方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、波束迭代搜索过程中导频信号的测量；步骤2、利用GLRT对任意两个波束等效信道强弱关系的判定；步骤3、自适应波束搜索。2.根据权利要求1所述的一种基于空间扫描的自适应毫米波波束搜索方法，其特征在于步骤1所述波束迭代搜索过程中导频信号的测量包括以下步骤：步骤1.1，接收端Rx通过预置波束码本进行波束扫描，测量发射端Tx发射的导频信号；其中为Rx的第l个波束，N
R
为Rx的天线数；为Tx发送导频信号使用的波束，N
T
为Tx的天线数；步骤1.2，Rx采用迭代扫描的方式采集Tx发送的导频信号；在第t次迭代周期，Rx从中选择波束进行波束扫描，测量Tx发送的导频信号；当Rx使用波束u
l
采集信号时，其等效信道为：其中，为Tx与Rx之间的信道矩阵；对应采集到的信号为：其中是噪声信号，服从均值为0、方差为σ2的复高斯分布，即s
l
(t)为测量时间内Tx发送的导频信号，且|s
l
(t)|2＝P
T
，P
T
是Tx的发射功率；Rx将采集的信号进一步处理后的信号为：将Rx使用波束u
l
从波束搜索开始到扫描周期t采集到的处理后信号联立为：f
l
＝[f
l
(1)，...，f
l
(m)，...，f
l
(n
l
(t))]
T
，其中，n
l
(t)＝t
l
n0是迭代累积扫描u
l
所用的符号周期数，t
l
为扫描u
l
的次数，n0是Rx每次扫描单个波束所用的符号周期数；步骤1.3，Rx计算每个波束u
l
的匹配滤波输出的匹配滤波输出3.根据权利要求1所述的一种基于空间扫描的自适应毫米波波束搜索方法，其特征在于步骤2所述利用GLRT对任意两个波束等效信道强弱关系的判定包括以下步骤：步骤2.1，在任意扫描周期t，波束u
l
与波束u
j
的等效信道h
l
与h
j
的强弱关系判定问题等效于以下假设检验问题：其中r
l
＝|h
l
|为波束u
l
的等效信道强度且满足θ
l
为信道参数的相位；使用GLRT判定准则对h
l
与h
j
的强弱关系判定：

【专利技术属性】
技术研发人员：莫家吉，刘春山，赵楼，包建荣，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：