CN105610478A - 毫米波mimo通信多子阵协作波束对准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波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。

Description

毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准方法及装置

技术领域

本发明涉及毫米波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，属于无线通信技术领域。

背景技术

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。

本发明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。

发明内容

发明目的：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。本发明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：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：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，L_R与L_T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：本发明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疏性的特点，尽管训练开销及可供处理的信息空间减小，但是最终损失的性能仍非常小。

附图说明

图1为收发端均配置多个子阵形成的毫米波MIMO通信系统示意图。

图2为本发明的多子阵协作波束对准方法的流程图。

图3为本发明中发送端(对应于左图)及接收端(对应于右图)各子阵划分或覆盖空间各个方向示意图。

图4为本发明中发送端(对应于左图)及接收端(对应于右图)对应码书中各码字波束方向图。

图5为本发明中发送端两个子阵对应的子码书的波束方向图，子阵1对应于原码书中1-6号码字，子阵2对应于原码书中7-12号码字。

图6为本发明中接收端两个子阵对应的子码书的波束方向图，子阵1对应于原码书中1-4号码字，子阵2对应于原码书中5-8号码字。

图7为2×2阵列，即收发端均有2个子阵，不同方案的数据速率比较结果图，其中收发端码书大小分别为12和8。

图8为2×2阵列不同方案的数据速率比较结果图，其中收发端码书大小均为原来方案的2倍，即24和16。

图9为4×4阵列，即收发端均有4个子阵，不同方案的数据速率比较结果图，其中收发端码书大小分别为24和16，但训练阶段每个子阵对应的子码书大小与图7相同，分别为6和4。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利。

如图2所示，本发明实施例公开的一种毫米波MIMO通信系统的多子阵协作波束对准方法主要包括如下步骤：

步骤1：多子阵协作空间划分

首先，发送端分析各子阵使用的码书，确定其覆盖的空间范围。其次，综合考虑子阵数量、码书特点等，将空间划分为若干个子空间。最后，从各子阵的码书中选出部分(可能全部)码字，构成相应子码书，要求各子码书的并集覆盖原空间。

具体来说，假设发送端与接收端子阵数分别为L_T和L_R，各子阵对应的码书分别记为和按照一定准则，从发送端各子阵对应的码书中各抽取一子集，形成子码书，记作要求各子码书的并集覆盖原空间，即对于接收端，执行的操作类似，形成的子码书记为各子码书的并集也覆盖原空间。具体空间划分和抽取操作可为：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

应该指出的是，空间划分与抽取子码书的方法并不唯一，视要求或目标而定(比如分集、复用、定位等等)。在提出的多子阵协作空间划分的一般框架下，进一步提出如下子码书抽取/构造原则，其优点是便于下一步快速感知信道。要求覆盖整个空间的码书集合(或)满足两点：第一点，在满足覆盖原空间的前提下，最小化码书集合(或)，即抽取时不重叠，且使用最少的码字覆盖同一区域；第二点，使各个子码书的大小相同，以便于多子阵协作训练。

步骤2：多子阵协作快速训练

按照一定准则或顺序，发送端各个子阵从各自子码书中选择一个码字(波束)，多个子阵使用选择的码字(波束)同时发送导频信号。类似地，按照一定准则或顺序，接收端各个子阵从各自的子码书中选择一个码字(波束)，多个子阵使用选择的码字同时接收导频信号。上述过程持续到收发端各子阵均完成子码书的遍历。

设收(发)端子码书大小分别为J和I，将子码书分别编码为及训练主要步骤如下：

(1)第一轮训练，共J个时隙：对于第i个子阵，使用第(i-1)I+1号波束发送导频信号，且L_T个子阵同时发送。在第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L_R个子阵同时接收。

(2)第二轮训练，共J个时隙：对于第i个子阵，使用第(i-1)I+2号波束发送导频信号，且L_T个子阵同时发送。在第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L_R个子阵同时接收。

(3)第m轮训练，共J个时隙：对于第i个子阵，使用第(i-1)I+m号波束发送导频信号，且L_T个子阵同时发送。在第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L_R个子阵同时接收。直到I轮训练结束。

显然，中每个元素对应于子码书中一个特定的波束，由上述训练算法知，为了实现高效、快速训练，编码时需注意两点：第一，收(发)端各子阵的波束覆盖同一区域的次数最少；第二，收(发)端同时使用的波束主瓣之间的相互影响最小。一般而言，第二点等价要求同时使用的各波束的主瓣相距均最远，此要求能否满足也与子码书的构造有关。

步骤3：依据训练阶段获取的信息，即感知的信道信息，可以采用Top-N策略(从一组值中选出前N个最大值及其对应的序号)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，基于较强的信道方向对，即压缩的空间，作进一步的多子阵波束对准。

本发明实施例公开的实现上述方法的毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准收发系统，其中发送端装置包括：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。

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。

下面以毫米波收发端均配置2或4个子阵为例，结合附图具体阐述如何进行多子阵协作空间划分与波束训练，并基于感知的信道信息实现多子阵波束对准，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明实施例中，首先以收发端的子阵数均为2为例进行描述。假设发送端每个子阵的天线数为8，覆盖范围为[0,2π/3]，两个子阵对应的码书大小相等均为12，相应的码书记为接收端每个子阵的天线数为4，覆盖范围为[0,π]，两个子阵对应的码书大小相等均为8，相应的码书记为对于收发端，其码字形式为对覆盖角度区域进行等分对应的阵列响应向量。

表1信道模型表达式参数意义及取值

考虑到毫米波信道的稀疏性，假设信道的路径数为5，使用的信道模型可以表示为：

$H=\sqrt{\frac{N_T{N}_R}{\mathrm{\β}}}\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_l{a}_r\left(sin\right({\mathrm{\φ}}_l\left)\right)a_t^H\left(sin\right({\mathrm{\θ}}_l\left)\right)$ (公式1)上式中各个参数的意义及取值如表1所示：

下面以收发端2×2子阵为例，详细介绍本发明公开的毫米波MIMO多子阵协作波束对准训练方法，发送端与接收端各子阵划分或覆盖空间示意图如图3所示，主要包括如下步骤：

步骤1：多子阵协作空间划分，主要操作如下：

(1)由于发送端每个子阵的码书大小为12，覆盖的全空间为2π/3，并且存在两个子阵，依据本发明提出的子空间划分方法，一种简单的划分方法是：子阵1覆盖子空间[0,π/3]，子阵2覆盖子空间[π/3,2π/3]。类似地，接收端子阵1覆盖子空间[0,π/2]，子阵2覆盖子空间[π/2,π]。发送端2个子阵使用的码书相同，其波束方向图如图4左子图所示；接收端2个子阵使用的码书也相同，其波束方向图如图4右子图所示。

(2)在发送端，按照本发明提出的子码书构造方法，对于子阵1与子阵2覆盖的子空间范围[0,π/3]与[π/3,2π/3]，分别使用码书中前6个码字及后6个码字构成子码书和并分别作为子阵1与子阵2的子码书。发送端2个子阵对应的子码书波束方向图如图5所示。接收端类似，按照本发明提出的子码书构造方法，对于子阵1与子阵2覆盖的子空间范围[0,π/2]与[π/2,π]，分别使用码书中前4个及后4个码字构成的子码书及并分别作为子阵1与子阵2的子码书。接收端2个子阵对应的子码书波束方向图如图6所示。

步骤2：多子阵协作波束训练，主要操作如下：

(1)按照本发明提出的训练方法，需对收发子码书中波束进行编码。为使同时发送信号的各子阵(波束)之间的干扰尽可能地小，将发送端子阵1的子码书中各个波束依次编码为将子阵2的子码书中各个波束依次编码为类似地，为使同时接收信号的各子阵(波束)之间的干扰最小，即波束主瓣尽可能地远，接收端分别将子阵1与子阵2对应的子码书及中各个波束依次编码为及

(2)发送端子阵1与子阵2分别使用中编号为1与中编号为7对应的码字/波束发送信号。针对发送端的此种组合，接收端操作如下：在第1个时隙，接收端子阵1与2分别使用和中1号与5号对应的波束同时接收信号；在第2个时隙，接收端子阵1与2分别使用和中2号与6号对应的波束同时接收信号，在第3个时隙，接收端子阵1与2分别使用和中3号与7号对应的波束同时接收信号，在第4个时隙，接收端子阵1与2分别使用和中4号与8号对应的波束同时接收信号；

(3)类似(1)中的操作，发送端子阵1与子阵2分别使用和中编号为2与8对应的码字/波束发送信号，而发送端子阵1与子阵2采用与(2)中类似的操作，即针对发送端的此种组合在4个时隙依次使用{1,5},{2,6},{3,7}和{4,8}4种组合进行接收。发送端与接收端依次类推，直到遍历完相应的码书。

步骤3：多子阵协作波束选择，主要操作如下：

(1)基于训练阶段获取的测量值，快速地感知信道信息，即找出较强的主方向对。具体来说，可以采用Top-N方法或先取平均再采用Top-N方法确定P×P个信号较强的主方向对(N＝P×P)，将需要考虑或搜索的空间压缩。

(2)基于此P×P个主方向对，即压缩的空间，对收发端多个子阵作进一步的波束对准。具体来说，若收发端子阵数较少，并且主方向对也较少，针对压缩的空间，即使穷尽搜索也变得可行；若收发端子阵数较多或主方向对较多，可以采用贪婪搜索方法。

实验结果如图7-9所示。从图7可以看出，相比于最优方案(穷尽搜索)，本发明提供的方案性能损失非常小。不仅如此，本发明提出的方案极大地降低了训练开销；而且，由于仅仅基于压缩的空间进行考虑/搜索，搜索的计算量也大大降低了。

为验证本发明方案对于收发端不同大小的码书均适用，考虑将收发端的码书大小均变为原来的2倍，保持其他仿真条件不变，实验结果如图8所示。从图8可以看出，本发明提供的方案对各种码书大小均适用，即对码书大小不敏感。

为进一步验证本发明方案的优越性，考虑收发端的子阵数均为4。收发端每个子阵的天线数和总的覆盖范围不变，而码书大小分别增加为原来1倍，即24与16，实验结果如图9所示。从图中可以看出，本发明提出的方法，其性能损失很小。值得注意的是，本方案的训练开销与收发端子阵数乘积呈反比，当子阵较多且训练码书较大时，节约的训练开销是非常可观的。

Claims (7)

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，L_R与L_T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，所以在对波束进行编码时需要满足：(1)接收端/发送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。

4.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(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主方向对，然后在压缩的搜索空间中进行波束选择，所采用的算法包括穷尽搜索或贪婪搜索。

5.毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准发送端装置，其特征在于包括：

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。

6.毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准接收端装置，其特征在于包括：

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。

7.毫米波MIMO通信多子阵协作波束对准收发系统，其特征在于，包括如权利要求7所述的发送端装置和如权利要求8所述的接收端装置。