CN105763237B - 无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法 - Google Patents

无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法，属于无线通信技术领域，本发明对波束训练次数较少，复杂度较低，同时能够减小子阵列之间的干扰；通过对码本中的码字进行波束训练，根据一定的质量评价指标确定收发子阵列的模拟波束矢量，在确定子阵列对及其对应的模拟波束矢量时，不仅考虑到提高自身传输质量，而且考虑到减少对其他子阵列的干扰。利用该方法确定的分离型子阵列模拟波束矢量，可以降低系统复杂度，减少子阵列之间的干扰，提高系统的整体性能。

Description

无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法。
背景技术
通信技术的不断发展使得无线通信设备接入量和用户对数据速率的要求也在不断的提高，现有低频段通信技术已经无法满足人们的需要。毫米波(Millimeter wave)频段成为了提供Gbps比特传输速率的新一代超高速无线局域网的主要候选频段之一，是新一代通信技术中最具有发展前景的频段。毫米波和MIMO系统结合可以实现高速率和高质量的传输，使得毫米波通信掀起了全球移动通信领域新一轮的技术竞争，成为了全球人研究的热点，
较短的毫米波波长带来了严重的路径损失的同时可以实现天线阵列的集成，进而可以补偿路径损失和改善传输质量。数字波束成型技术要求一根天线连接一条射频(RadioFrequency，RF)链路，其可以实现最优的性能，但是最优的性能是以昂贵的成本为代价实现的。在模拟波束成型技术中廉价相移器的使用可以大大降低成本，减少系统的开销，但是系统实现的性能会受到相移器自身限制条件的影响，使得系统的传输速率降低及传输质量变差。
在现有的模拟波束成型技术中，大部分都是采用共享型阵列结构，本文采用分离型子阵列结构，即一条射频链路与一个天线子阵列连接，并针对此结构提出了一种基于码本的模拟波束矢量训练方法。
发明内容
本发明的目的是提供无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法，实现分离型子阵列模拟波束成型快速确定子阵列的模拟波束矢量，该方法对波束训练次数较少，复杂度较低，抗干扰能力较强。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法，包括如下步骤：
阶段1：确定第一对天线子阵列及相应的模拟波束矢量，具体步骤如下：
步骤1：发射端共有个发射端天线子阵列，接收端也对应共有个接收端天线子阵列，所述发射端天线子阵列和所述接收端天线子阵列为一一对应的关系；
所有发射端天线子阵列顺序依次发射相同的信号，并且当任意一个发射端天线子阵发射信号时，其他发射端天线子阵列不工作，所有接收端天线子阵列同时全向接收信号；
所有发射端天线子阵列均采用码本中的码字作为其模拟波束矢量发射信号；
步骤2：当所有发射端天线子阵列发射完毕后，接收端根据如下公式选择出N1(N1≥1)个优质量信号，即N1个接收功率最大的信号：
所述N1个优质量信号的属性信息包括：N1个优质量信号对应的接收端天线子阵列的序号、发射端天线子阵列的序号和发射端天线子阵列使用的码字标号；
所述对应的接收端天线子阵列的序号顺序为
所述对应的发射端天线子阵列的序号顺序为
所述对应的发射端天线子阵列使用的码字标号顺序为接收端将所述N1个优质量信号的属性信息反馈给发射端；
步骤3：
第子阵列为序号为的发射端天线子阵列中的任意一个发射端天线子阵列，第子阵列为序号为的接收端天线子阵列中的任意一个接收端天线子阵列，第子阵列与第子阵列为对应关系，第个码字为第子阵列所对应的码本中的码字，发射端按照p的取值顺序依次控制第个子阵列按照第个码字发射相同的信号，对应的接收端按照p的取值顺序依次控制第个接收端天线子阵列接收所发送的信号；此时，接收端和发射端的其他天线子阵列均不工作；在接收信号时，接收端天线子阵列使用码本中码字作为模拟波束矢量接收信号；
步骤4：等到序号为的接收端天线子阵列和序号为的发射端天线子阵列全部完成收发工作后，通过对比出接收信号的功率最大值，即接收信号的质量可以得到第一对天线子阵列(T1,R1)，所述接收信号的质量表示第r个接收子阵列的第k个波束接收到第i个发射子阵列的第j个波束的信号质量，所述第一对天线子阵列(T1,R1)表示发射端天线子阵列T1和接收端天线子阵列R1；
阶段2：确定第二对天线子阵列及模拟波束矢量，具体步骤如下：
步骤5：确定第一对天线子阵列(T1,R1)后，剩余的个发射端天线子阵列依次发射相同的信号，并且在发送信号时均采用码本中的码字作为其模拟波束矢量发送信号；
此时发射端天线子阵列T1和接收端天线子阵列R1均采用已确定的模拟波束矢量进行发射和接收；
步骤6：所述剩余的个发射端天线子阵列发射完毕后，接收端以对接收端天线子阵列R1干扰最小为标准确定出N2(N2≥1)个干扰较小的信号；
所述N2个干扰较小的信号的属性信息包括：N2个干扰较小的信号所对应的发射端子阵列的序号、接收端天线子阵列的序号和使用的码字序号；
所述N2个干扰较小的信号对应的发射端子阵列的序号分别为
所述N2个干扰较小的信号对应使用的码字序号分别为
所述N2个干扰较小的信号对应的接收端天线子阵列的序号分别为
接收端将所述N2个干扰较小的信号的属性信息反馈给发射端；
步骤7：
第子阵列为序号为的发射端天线子阵列中的任意一个发射端天线子阵列，第子阵列为序号为的接收端天线子阵列中的任意一个接收端天线子阵列，第子阵列与第子阵列为对应关系,其中q＝1，2，3...，N2，第个码字为第子阵列所对应的码本中的码字，发射端按照q的取值顺序依次控制第个子阵列按照第个码字发射相同的信号，对应的接收端按照q的取值顺序依次控制第个接收端天线子阵列接收所发送的信号；此时，接收端和发射端的其他天线子阵列均不工作；在接收信号时，接收端天线子阵列使用码本中码字作为模拟波束矢量接收信号；同时在阶段1确定的第一对天线子阵列(T1,R1)使用已确定的模拟波束矢量正常工作；
步骤8：等到N2个序号对应的子阵列发射完毕，接收端根据接收信号的质量对比出得到第二对天线子阵列(T2,R2)；
阶段3：确定其余子阵列的模拟波束矢量，根据发射端和接收端子阵列数，可以分为以下三种情况：
情况1：当发射端和接收端子阵列数相等，即与阶段2的原理相同，在已经确定的波束对正常工作的基础上依次得到第对子阵列及相应的模拟波束矢量；
情况2：当发射端子阵列数大于接收端子阵列数，即与阶段2的原理相同，在已经确定的波束对正常工作的基础上先依次得到第对子阵列及相应的模拟波束矢量；再依次确定剩余个发射子阵列的模拟波束矢量，剩余的第个发射子阵列依次用码本中的码字发射相同的信号，已经确定模拟波束矢量的子阵列正常工作，接收端以对个接收子阵列干扰和最小为评价指标选择出最优信号对应的码字序号，并把信息反馈给发射端，发射端根据反馈信息确定第m个剩余发射子阵列的模拟波束矢量；
情况3：当发射端子阵列数小于接收端子阵列数，即与阶段2的原理相同，在已经确定的波束对正常工作的基础上先依次得到第对子阵列及相应的模拟波束矢量；再依次确定剩余的个接收子阵列的模拟波束矢量，发射端发射相同的信号，接收端剩余的第个子阵列依次用码本中的码字接收，已经确定模拟波束矢量的子阵列正常工作，通过接收信号的质量El,k来确定第l个剩余接收子阵列的模拟波束矢量，其中El,k表示第l个剩余接收子阵列的第k个波束接收到的信号质量。
每一个所述发射端天线子阵列均连接一条射频链路，每一个所述发射端天线子阵列均连接一条射频链路。
本发明所述的无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法，可以确定发射端和接收端子阵列的模拟波束矢量，进而得到模拟波束成型部分；本发明的分离型子阵列模拟波束矢量训练方法中第二、三个阶段先选择出一部分较优的子阵列及相应的码字的目的是在实现自身高质量传输的同时，可以减小对其他子阵列的干扰，因而可以改善整个系统的性能和提高系统的传输质量；本发明提出的分离型子阵列模拟波束矢量训练方法，利用基于码本波束训练方法确定收发子阵列相应的模拟波束矢量。与已有的基于码本的波束训练方法相比，本发明提出的训练方法具有训练次数少、复杂度低等优点，通过匹配收发子阵列对可以提高子阵列对之间的波束对准精度，同时能够减小对其余子阵列的干扰，进而确保系统高质量的传输。
附图说明
图1为本发明收发机实现框图；
图2为本发明分离型子阵列模拟波束矢量训练总体流程图；
图3为本发明实施例中所对应的收发机实现框图；
图4为本发明实施例中分离型子阵列模拟波束矢量训练总体流程图。
具体实施方式
如图1所示的分离型子阵列收发机实现框图，一条射频链路与一个天线子阵列连接，每一个子阵列上的模拟波束矢量可以通过波束训练的方法确定。
如图3所示，本实施例中，发射端和接收端均有4个子阵列，每一个子阵列的天线数为8，采用几何信道模型，信道的路径数为8，波束训练时收发端采用相同的DFT类型码本，本发明对其他码本均有效，码本中码字数均为16，支持不同射频链路数、每一个子阵列上天线数的装置可以修改本实施例中的例子得到。
如图2和图4所示，无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法，包括如下步骤：
阶段1：确定第一对天线子阵列及相应的模拟波束矢量，具体步骤如下：
步骤1：发射端共有个发射端天线子阵列，接收端也对应共有个接收端天线子阵列，所述发射端天线子阵列和所述接收端天线子阵列为一一对应的关系，本实施例中每一个发射端天线子阵列中的天线数为8个，每一个接收端天线子阵列中的天线数为8个；
所有发射端天线子阵列顺序依次发射相同的信号，并且当任意一个发射端天线子阵发射信号时，其他发射端天线子阵列不工作，所有接收端天线子阵列同时全向接收信号；
所有发射端天线子阵列均采用码本中的码字作为其模拟波束矢量发射信号；
步骤2：当所有发射端天线子阵列发射完毕后，接收端选择出N1(N1≥1)个优质量信号，即N1个接收功率最大的信号：
本实施例中，接收端从接收到的信号中确定出6个优质量信号，即6个接收功率最大的信号；
所述N1个优质量信号的属性信息包括：N1个优质量信号对应的接收端天线子阵列的序号、发射端天线子阵列的序号和发射端天线子阵列使用的码字标号；
所述对应的接收端天线子阵列的序号顺序为本实施例中所述对应的接收端天线子阵列的序号顺序为 的取值分别为3,4,1,1,2,2；
所述对应的发射端天线子阵列的序号顺序为本实施例中所述对应的发射端天线子阵列的序号顺序为 的取值分别为1,1,4,4,4,4；
所述对应的发射端天线子阵列使用的码字标号顺序为本发明实施例中的取值分别为5,6,5,6,6,5；
接收端将所述N1个优质量信号的属性信息反馈给发射端；
步骤3：
第子阵列为序号为的发射端天线子阵列中的任意一个发射端天线子阵列，第子阵列为序号为的接收端天线子阵列中的任意一个接收端天线子阵列，第子阵列与第子阵列为对应关系，第个码字为第子阵列所对应的码本中的码字，发射端按照p的取值顺序依次控制第个子阵列按照第个码字发射相同的信号，对应的接收端按照p的取值顺序依次控制第个接收端天线子阵列接收所发送的信号；此时，接收端和发射端的其他天线子阵列均不工作；在接收信号时，接收端天线子阵列使用码本中码字作为模拟波束矢量接收信号；
本实施例中N1的取值为6；
步骤4：等到序号为的接收端天线子阵列和序号为的发射端天线子阵列全部完成收发工作后，通过对比出接收信号的功率最大值，即接收信号的质量可以得到第一对天线子阵列(T1,R1)，所述接收信号的质量表示第r个接收子阵列的第k个波束接收到第i个发射子阵列的第j个波束的信号质量，所述第一对天线子阵列(T1,R1)表示发射端天线子阵列T1和接收端天线子阵列R1；本实施例中(T1,R1)＝(1,3)，对应的模拟波束矢量分别为码本第5个码字和第2个码字；
阶段2：确定第二对天线子阵列及模拟波束矢量，具体步骤如下：
步骤5：确定第一对天线子阵列(T1,R1)后，剩余的个发射端天线子阵列依次发射相同的信号，并且在发送信号时均采用码本中的码字作为其模拟波束矢量发送信号；
此时发射端天线子阵列T1和接收端天线子阵列R1均采用已确定的模拟波束矢量进行发射和接收；
步骤6：所述剩余的个发射端天线子阵列发射完毕后，接收端以对接收端天线子阵列R1干扰最小为标准确定出N2个干扰较小的信号；本实施例中确定出4个干扰较小的信号；
所述N2个干扰较小的信号的属性信息包括：N2个干扰较小的信号所对应的发射端子阵列的序号、接收端天线子阵列的序号和使用的码字序号；
所述N2个干扰较小的信号对应的发射端子阵列的序号分别为
所述N2个干扰较小的信号对应使用的码字序号分别为
所述N2个干扰较小的信号对应的接收端天线子阵列的序号分别为
接收端将所述N2个干扰较小的信号的属性信息反馈给发射端；
本实施例中，所述对应的发射端子阵列的序号分别为取值分别为2,2,3,3，所述对应使用的码字序号分别为取值分别为9,11,2,10；
步骤7：
第子阵列为序号为的发射端天线子阵列中的任意一个发射端天线子阵列，第子阵列为序号为的接收端天线子阵列中的任意一个接收端天线子阵列，第子阵列与第子阵列为对应关系,其中q＝1，2，3...，N2，第个码字为第子阵列所对应的码本中的码字，发射端按照q的取值顺序依次控制第个子阵列按照第个码字发射相同的信号，对应的接收端按照q的取值顺序依次控制第个接收端天线子阵列接收所发送的信号；此时，接收端和发射端的其他天线子阵列均不工作；在接收信号时，接收端天线子阵列使用码本中码字作为模拟波束矢量接收信号；同时在阶段1确定的第一对天线子阵列(T1,R1)使用已确定的模拟波束矢量正常工作；
本实施例中N2的取值为4；
步骤8：等到N2个序号对应的子阵列发射完毕，接收端根据接收信号的质量对比出得到第二对天线子阵列(T2,R2)；
阶段3：确定其余子阵列的模拟波束矢量，根据发射端和接收端子阵列数，可以分为以下三种情况：
情况1：当发射端和接收端子阵列数相等，即与阶段2的原理相同，在已经确定的波束对正常工作的基础上依次得到第对子阵列及相应的模拟波束矢量；
情况2：当发射端子阵列数大于接收端子阵列数，即与阶段2的原理相同，在已经确定的波束对正常工作的基础上先依次得到第对子阵列及相应的模拟波束矢量；再依次确定剩余个发射子阵列的模拟波束矢量，剩余的第个发射子阵列依次用码本中的码字发射相同的信号，已经确定模拟波束矢量的子阵列正常工作，接收端以对个接收子阵列干扰和最小为评价指标选择出最优信号对应的码字序号，并把信息反馈给发射端，发射端根据反馈信息确定第m个剩余发射子阵列的模拟波束矢量；
情况3：当发射端子阵列数小于接收端子阵列数，即与阶段2的原理相同，在已经确定的波束对正常工作的基础上先依次得到第对子阵列及相应的模拟波束矢量；再依次确定剩余的个接收子阵列的模拟波束矢量，发射端发射相同的信号，接收端剩余的第个子阵列依次用码本中的码字接收，已经确定模拟波束矢量的子阵列正常工作，通过接收信号的质量El,k来确定第l个剩余接收子阵列的模拟波束矢量，其中El,k表示第l个剩余接收子阵列的第k个波束接收到的信号质量。
每一个所述发射端天线子阵列均连接一条射频链路，每一个所述发射端天线子阵列均连接一条射频链路。

Claims (2)

1.无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法，其特征在于：包括如下步骤：
阶段1：确定第一对天线子阵列及相应的模拟波束矢量，具体步骤如下：
步骤1：发射端共有个发射端天线子阵列，接收端也对应共有个接收端天线子阵列，所述发射端天线子阵列和所述接收端天线子阵列为一一对应的关系；
所有发射端天线子阵列顺序依次发射相同的信号，并且当任意一个发射端天线子阵发射信号时，其他发射端天线子阵列不工作，所有接收端天线子阵列同时全向接收信号；
所有发射端天线子阵列均采用码本中的码字作为其模拟波束矢量发射信号；
步骤2：当所有发射端天线子阵列发射完毕后，接收端根据如下公式选择出N1个优质量信号，其中N1≥1，即N1个接收功率最大的信号：
所述N1个优质量信号的属性信息包括：N1个优质量信号对应的接收端天线子阵列的序号、发射端天线子阵列的序号和发射端天线子阵列使用的码字标号；
所述对应的接收端天线子阵列的序号顺序为
所述对应的发射端天线子阵列的序号顺序为
所述对应的发射端天线子阵列使用的码字标号顺序为接收端将所述N1个优质量信号的属性信息反馈给发射端；
步骤3：第子阵列为序号为的发射端天线子阵列中的任意一个发射端天线子阵列，第子阵列为序号为的接收端天线子阵列中的任意一个接收端天线子阵列，第子阵列与第子阵列为对应关系，第个码字为第子阵列所对应的码本中的码字，发射端按照p的取值顺序依次控制第个子阵列按照第个码字发射相同的信号，对应的接收端按照p的取值顺序依次控制第个接收端天线子阵列接收所发送的信号；此时，接收端和发射端的其他天线子阵列均不工作；在接收信号时，接收端天线子阵列使用码本中码字作为模拟波束矢量接收信号；其中p＝1，2，…，N1；
步骤4：等到序号为的接收端天线子阵列和序号为的发射端天线子阵列全部完成收发工作后，通过对比出接收信号的功率最大值，即接收信号的质量可以得到第一对天线子阵列(T1,R1)，所述接收信号的质量表示第r个接收子阵列的第k个波束接收到第i个发射子阵列的第j个波束的信号质量，所述第一对天线子阵列(T1,R1)表示发射端天线子阵列T1和接收端天线子阵列R1；
阶段2：确定第二对天线子阵列及模拟波束矢量，具体步骤如下：
步骤5：确定第一对天线子阵列(T1,R1)后，剩余的个发射端天线子阵列依次发射相同的信号，并且在发送信号时均采用码本中的码字作为其模拟波束矢量发送信号；
此时发射端天线子阵列T1和接收端天线子阵列R1均采用已确定的模拟波束矢量进行发射和接收；
步骤6：所述剩余的个发射端天线子阵列发射完毕后，接收端以对接收端天线子阵列R1干扰最小为标准确定出N2个干扰较小的信号，其中N2≥1；
所述N2个干扰较小的信号的属性信息包括：N2个干扰较小的信号所对应的发射端子阵列的序号、接收端天线子阵列的序号和使用的码字序号；
所述N2个干扰较小的信号对应的发射端子阵列的序号分别为
所述N2个干扰较小的信号对应使用的码字序号分别为
所述N2个干扰较小的信号对应的接收端天线子阵列的序号分别为
接收端将所述N2个干扰较小的信号的属性信息反馈给发射端；
步骤7：
第子阵列为序号为的发射端天线子阵列中的任意一个发射端天线子阵列，第子阵列为序号为的接收端天线子阵列中的任意一个接收端天线子阵列，第子阵列与第子阵列为对应关系,其中q＝1，2，3...，N2，第个码字为第子阵列所对应的码本中的码字，发射端按照q的取值顺序依次控制第个子阵列按照第个码字发射相同的信号，对应的接收端按照q的取值顺序依次控制第个接收端天线子阵列接收所发送的信号；此时，接收端和发射端的其他天线子阵列均不工作；在接收信号时，接收端天线子阵列使用码本中码字作为模拟波束矢量接收信号；同时在阶段1确定的第一对天线子阵列(T1,R1)使用已确定的模拟波束矢量正常工作；
步骤8：等到N2个序号对应的子阵列发射完毕，接收端根据接收信号的质量对比出得到第二对天线子阵列(T2,R2)；
阶段3：确定其余子阵列的模拟波束矢量，根据发射端和接收端子阵列数，可以分为以下三种情况：
情况1：当发射端和接收端子阵列数相等，即与阶段2的原理相同，在已经确定的波束对正常工作的基础上依次得到第对子阵列及相应的模拟波束矢量；
情况2：当发射端子阵列数大于接收端子阵列数，即与阶段2的原理相同，在已经确定的波束对正常工作的基础上先依次得到第对子阵列及相应的模拟波束矢量；再依次确定剩余个发射子阵列的模拟波束矢量，剩余的第m个发射子阵列依次用码本中的码字发射相同的信号，其中已经确定模拟波束矢量的子阵列正常工作，接收端以对个接收子阵列干扰和最小为评价指标选择出最优信号对应的码字序号，并把信息反馈给发射端，发射端根据反馈信息确定第m个剩余发射子阵列的模拟波束矢量；
情况3：当发射端子阵列数小于接收端子阵列数，即与阶段2的原理相同，在已经确定的波束对正常工作的基础上先依次得到第对子阵列及相应的模拟波束矢量；再依次确定剩余的个接收子阵列的模拟波束矢量，发射端发射相同的信号，接收端剩余的第l个子阵列依次用码本中的码字接收，其中已经确定模拟波束矢量的子阵列正常工作，通过接收信号的质量El,k来确定第l个剩余接收子阵列的模拟波束矢量，其中El,k表示第l个剩余接收子阵列的第k个波束接收到的信号质量。
2.如权利要求1所述的无线通信系统中分离型子阵列模拟波束矢量训练方法，其特征在于：每一个所述发射端天线子阵列均连接一条射频链路，每一个所述发射端天线子阵列均连接一条射频链路。
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