CN105790811A - 一种高分辨率模拟波束快速训练方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率模拟波束快速训练方法及装置，首先，设定波束训练的相关参数，然后初始化第一次迭代，接着进行多次迭代，每次迭代都从码本中选择部分码字训练，与上次迭代结果进行比较，根据评价指标确定每个天线子阵列的模拟波束矢量，一层层迭代计算，满足迭代终止条件时完成一个天线子阵列的波束训练。与现有波束训练方法相比，本发明复杂度低，通过对码本合理的分区搜索，仅选择码本中的部分码字训练，大大减少了波束训练次数，节省了训练成本。此方法使用容量较大的码本，以较高的分辨率量化了一个圆周内的所有波束方向角度，具有一定的容错能力，保证发射波束和接收波束之间有效的对准，从而提高系统的整体性能。

Description

一种高分辨率模拟波束快速训练方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及到毫米波(Millimeterwave)多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput，MIMO)通信系统的一种高分辨率模拟波束快速训练方法。该方法对波束训练次数少，复杂度低，同时能够获得较优的系统性能。

背景技术

目前，大多数无线应用仍拥堵在微波频段，稀缺的频谱资源已经无法满足日益增长的无线用户和无线应用要求。毫米波(Millimeterwave)频段因其大量未授权的带宽被选为下一代无线局域网和移动通信系统的关键频谱，成为相关行业的研究热点。毫米波和MIMO系统结合可以利用空间复用和空间分集技术进一步提高传输速率和传输质量。

毫米波信号的主要缺陷表现在路径损耗大，导致传播距离近，往往采用大规模阵列天线和数模混合波束成形技术相结合的方式弥补部分衰减。高频数字信号处理器件的功耗和成本都比较高，在射频域用量化的相移器阵列实现波束成形是毫米波无线通信中的一项关键技术。在大规模MIMO中，如何有效地反馈信道状态信息是一个难题，用码本波束训练的方法确定波束控制矢量不需要明确的信道状态信息，更加利于实现。波束的分辨率与码本的容量成正比，波束训练次数也与码本容量成正比，因此获得更精确的波束方向需要以更多训练次数为代价。

在现有的大多数波束训练方法中，训练次数通常随码本的容量成线性增长，使用二分法搜索或级联码本可以使训练次数随码本的容量对数增长，但是由于对码本的严格分区，风险比较大。本文提出的一种高分辨率模拟波束快速训练方法，每次都选择其中的部分码字进行迭代训练，训练次数与码本容量成对数关系，迭代训练使用的码字没有重复，但是由不同的码字选择引起的下一次迭代训练码字覆盖的波束角度范围有交叠部分，因此该方法具有一定的容错能力。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出了一种高分辨率模拟波束快速训练方法及装置，该方法复杂度低，波束训练次数少，分辨率高，并且具有一定的容错能力。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明首先提供了一种模拟波束快速训练方法，对每个天线阵列或子阵列进行波束训练时，首先从码本中选择起始参考码字进行训练，记录相应的评价指标为最优指标；然后进行迭代运算选出最优指标对应的码字直至满足终止条件，每轮迭代中以参考码字为中心，从码本中以一定的步长从两侧选出若干码字进行训练，更新最优指标，及对应的码字为参考码字，所述步长随着迭代次数增加而减小。

作为优选，所述迭代终止条件包括达到设定的最大迭代次数和连续指定次数迭代选出的码字相同；所述最大迭代次数根据码本容量和每轮迭代选出的码字数量确定。

作为优选，码本容量K，最大迭代次数J以及第j次迭代训练用的码字数B_j之间满足

作为优选，第j次迭代训练中的步长 表示向上取整，K为码本容量，B_u为选取的码字数。

作为优选，第j次迭代训练中，以参考码字为中心，S_j为步长，按照如下规则从码本中选取Z_j个码字进行训练：

其中c_m为选取的码字，W＝[w₁w₂…w_K]为码本，表示向下取整，即从码本中选择个序号小于g_j-1的码字和个序号大于g_j-1的码字供本次迭代训练使用。

基于上述的模拟波束快速训练方法，本发明提供了一种应用于MIMO通信系统的高分辨率模拟波束快速训练方法，通信系统的发射端和接收端可采用天线阵列或多个天线子阵的结构，发射端和接收端分别采用上述模拟波束快速训练方法进行波束训练，训练过程中每次从码本中选择部分码字进行训练，并与上次训练结果进行比较，进而根据评价指标确定每个天线阵列或子阵列的模拟波束矢量，直到满足迭代终止条件。

具体地，MIMO通信系统的发射端和接收端均采用分离型数模混合波束成形结构，主要包括基带信号处理、射频链路以及模拟波束控制阵列等模块。以收发端分别配置多个天线子阵列为例：发射端有N_t根发射天线，平均分配给N个发射子阵列，即N_t＝PN，其中P表示每个发射子阵列的天线数；接收端有N_r根接收天线，平均分配给M个接收子阵列，即N_r＝QM，其中Q表示每个接收子阵列的天线数。

首先，对发射端的N个天线子阵列进行波束训练，具体包括如下步骤：

步骤1：参数配置：收发设备拥有大小为K的码本W，W＝[w₁w₂…w_K]，其中，列向量为第k个码字；迭代次数的最大值设为J，j表示训练计数器，第j(j＝1,2,…,J)次训练用的码字数为B_j，满足选定一个评价指标ζ＝ζ(w)；迭代终止条件之一设置为连续τ次迭代选出的码字相同，τ≥3；i表示子阵列计数器，令i＝1；

步骤2：给第i个子阵列选择起始参考码字序号g₀，g₀∈{1,2,…,K}，并对起始参考码字进行波束训练，根据反馈信息记录当前最优指标令迭代次数j＝1；

步骤3：第j(j＝1,2,…)次波束训练，具体包括如下步骤：

步骤3.1：以参考码字为中心，S_j为步长从码本中选取Z_j个码字生成一个临时子码本

其中 表示向上取整，表示向下取整，Z₁＝B₁-1，Z_j＝B_j(j＝2,3,…,T)。即从码本中选择个序号小于g_j-1的码字和个序号大于g_j-1的码字供本次迭代训练使用。

步骤3.2：对选出的Z_j个码字分别进行波束训练，计算相应的评价指标其中ξ_l＝ζ(c_l),l＝1,2,…,Z_j；

步骤3.3：比较Z_j+1个评价指标数值，用其中的最大值更新当前最优指标ζ^*，即用g_j记录与当前最优指标对应的码字在码本中的序号，并作为下次波束训练的参考码字序号；

步骤4：判断是否满足迭代终止条件：S_j＝1或者g_j＝g_j-1…＝g_j-τ+1(假设g_v＝0(v≤0))，如果满足，则记录第i个天线子阵列的实际迭代次数T＝j以及最佳波束控制矢量转至步骤5；否则，更新迭代次数j＝j+1，返回至步骤3继续迭代；

步骤5：判断是否满足“i＝N”，如果满足，则发射端的波束训练结束；否则，i＝i+1，返回至步骤2。

以上步骤可以完成对发射端天线子阵列的快速波束训练。然后，对接收端的M个天线子阵列进行波束训练，具体过程与步骤1～5类似，只需将其中的发射端参数改成相应的接收端参数。

本发明还提供了实现上述MIMO通信系统的高分辨率模拟波束快速训练方法的装置，包括发射端训练装置和接收端训练装置，其中发射端训练装置和接收端训练装置分别包括：参数配置模块，用于根据收发端设备情况确定码本、迭代次数、评价指标以及迭代终止条件；训练控制模块，用于控制发射端或接收端阵列或子阵列的波束迭代训练流程，选出最优指标对应的码字直至满足终止条件；以及，单阵列训练模块，包括：初始码字训练单元，用于从码本中选择起始参考码字进行训练，记录相应的评价指标为最优指标；迭代临时子码本选择单元，用于以参考码字为中心，从码本中以一定的步长从两侧选出若干码字组成临时子码本，所述步长随着迭代次数增加而减小；以及最优指标选择单元，用于对临时子码本的码字进行训练，计算相应的评价指标并与当前最优指标进行比较，更新最优指标，设定其对应的码字为参考码字。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：第一，本发明对模拟波束的快速训练方法复杂度低，训练次数少，发射端的训练次数共为远小于码本容量K，假设每次迭代训练用的码字数相同，则对波束的训练总次数与码本容量成对数关系，一般对码本的遍历算法复杂度与码本容量呈线性关系；第二，本发明可使用容量较大的码本，以较高的分辨率量化一个圆周内的所有波束方向角度，实现的模拟波束分辨率高，通过增加码本容量可以提高算法的精度；第三，本发明算法有一定的容错能力，调整选用码字之间的步长，使不同迭代层次使用的码字不重复，但是各层码字覆盖的模拟波束角度范围有交叠，可以承受由于噪声干扰等因素导致的某次判断失误。

附图说明

图1为本发明模拟波束快速训练方法的总体流程图；

图2为本发明方法应用于多子阵列天线实施例的流程图；

图3为本发明实施例中应用的收发机实现框图；

图4为本发明实施例中发射端第一个天线子阵列的波束训练过程图；

图5为本发明实施例中射频等效信道容量随平均信噪比变化的仿真图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐明本发明，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要求所限定的范围。

如图1所示，本发明公开的一种模拟波束快速训练方法，在通信系统的发射端或接收端对每个天线阵列或子阵列进行波束训练时，首先从码本中选择起始参考码字进行训练，记录相应的评价指标为最优指标；然后进行迭代运算选出最优指标对应的码字直至满足终止条件，每轮迭代中以参考码字为中心，从码本中以一定的步长从两侧选出若干码字进行训练，更新最优指标，及对应的码字为参考码字，该步长随着迭代次数增加而减小，可使不同迭代层次使用的码字不重复，且各层码字覆盖的模拟波束角度范围有交叠，可以承受由于噪声干扰等因素导致的某次判断失误。

具体地，本实施例以应用于收发端均配置多个天线子阵列的MIMO通信系统为例详细说明本发明方法，可以理解的是，本发明同样适用于发射端或接收端配置单个天线阵列(子阵列数量为1)的情况。如图2所示，本发明实施例公开的一种MIMO通信系统的高分辨率模拟波束快速训练方法，发射端和接收端分别进行模拟波束训练，训练过程中每次从码本中选择部分码字进行训练，并与上次训练结果进行比较，进而根据评价指标确定每个天线子阵列的模拟波束矢量，直到满足迭代终止条件。

实现该高分辨率模拟波束快速训练方法的装置，包括发射端训练装置和接收端训练装置，分别包括：参数配置模块，用于根据收发端设备情况确定码本、迭代次数、评价指标以及迭代终止条件；训练控制模块，用于控制发射端或接收端阵列或子阵列的波束迭代训练流程，选出最优指标对应的码字直至满足终止条件；以及，单阵列训练模块，用于对单个天线阵列或子阵列进行迭代训练确定模拟波束矢量，主要包括：初始码字训练单元，用于从码本中选择起始参考码字进行训练，记录相应的评价指标为最优指标；迭代临时子码本选择单元，用于以参考码字为中心，从码本中以一定的步长从两侧选出若干码字组成临时子码本，所述步长随着迭代次数增加而减小；以及最优指标选择单元，用于对临时子码本的码字进行训练，计算相应的评价指标并与当前最优指标进行比较，更新最优指标，设定其对应的码字为参考码字。

下面以具体实例来说明本发明模拟波束快速训练过程，包括如下内容：

如图3所示，本实施例采用莱斯(Ricean)信道模型，发射端和接收端均采用分离型数模混合波束成形结构，主要包括基带信号处理、射频链路以及模拟波束控制阵列等模块。发射端有N_t＝16根发射天线，平均分配给N＝2个发射子阵列，即N_t＝PN，其中P＝8表示每个发射子阵列的天线数；接收端有N_r＝16根接收天线，平均分配给M＝2个接收子阵列，即N_r＝QM，其中Q＝8表示每个接收子阵列的天线数。其他参数见表1。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，高分辨率模拟波束快速训练方法的实现流程如图2所示。支持不同码本、不同信道模型、不同通信距离、不同载波频率和不同天线数及子阵列结构的场景可以修改本实施例中的例子得到。

表1仿真参数设置

参数	通信距离	载波频率	莱斯K因子Kf
				取值	100m	45GHz	10dB

首先，对发射端的N＝2个天线子阵列进行波束训练，具体实施方式如下：

步骤1：参数配置：收发设备拥有大小为K＝64的离散傅里叶变换(DiscreteFourierTransform，DFT)码本W，W＝[w₁w₂…w₆₄]，其中，列向量为第k个码字，迭代次数的最大值设为J＝6，j表示训练计数器，第j(j＝1,2,…,6)次训练用的码字数为B_j＝2，满足选择全向接收功率为评价指标ζ＝ζ(w)＝|Hw|²，其中，H表示收发天线子阵列对之间的分块信道响应矩阵，|·|表示取模值；迭代终止条件之一设置为连续τ次迭代选出的码字相同，τ＝3；i表示子阵列计数器，令i＝1；

步骤2：给第i个子阵列选择起始参考码字序号g₀＝1，并对起始参考码字w₁进行波束训练，根据反馈信息记录当前最优指标ζ^*＝ζ(w₁)，令迭代次数j＝1；

步骤3：第j(j＝1,2,…)次波束训练，具体包括如下步骤：

步骤3.1：以参考码字为中心，S_j为步长从码本中选取Z_j个码字生成一个临时子码本

其中 表示向上取整，表示向下取整，Z₁＝B₁-1＝1，Z_j＝B_j＝2(j＝2,3,…,T)。即从码本中选择个序号小于g_j-1的码字和个序号大于g_j-1的码字供本次迭代训练使用。

步骤3.2：对选出的Z_j个码字分别进行波束训练，计算相应的评价指标其中ξ_l＝ζ(c_l),l＝1,2,…,Z_j；

步骤3.3：比较Z_j+1个评价指标数值，用其中的最大值更新当前最优指标ζ^*，即用g_j记录与当前最优指标对应的码字在码本中的序号，并作为下次波束训练的参考码字序号；

步骤4：判断是否满足迭代终止条件：S_j＝1或者g_j＝g_j-1＝g_j-2(假设g_v＝0(v≤0))，如果满足，则记录第i个天线子阵列的实际迭代次数T＝j以及最佳波束控制矢量转至步骤5；否则，更新迭代次数j＝j+1，返回至步骤3继续迭代；

步骤5：判断是否满足“i＝N＝2”，如果满足，则发射端的波束训练结束；否则，i＝i+1，返回至步骤2。

以上步骤可以完成对发射端天线子阵列的快速波束训练。然后，对接收端的M＝2个天线子阵列进行波束训练，具体过程与步骤1～5类似，只需将其中的发射端参数改成相应的接收端参数。

图4表示了发射端第1个天线子阵列的波束训练过程。将码本中的64个码字看作一个圆周上均匀分布的64个点，每个点对应一个具体的波束方向。图中的小圆表示参考码字，小五角星表示临时子码本中的码字，实心图案表示当前最优指标对应的码字，空心图案表示因指标较差未被选中的码字，图案旁边的数字表示该码字在码本中的序号。将发射端第1个子阵列波束训练过程中每次迭代的结果统计在表2中：

表2一个子阵列波束训练的每次迭代结果

为了说明本发明提出的一种高分辨率模拟波束快速训练方法的精确性和有效性，本发明实施例还提供了该系统的射频等效信道容量随平均信噪比变化的仿真图。从图5中可以看出，平均信噪比较低时，本发明方法计算出的等效信道容量与理论最大值相同，随着平均信噪比增大，本发明方法计算出的等效信道容量与理论最大值的差距增大，但是平均信噪比增加到约10dB以后，差距维持在1bps/Hz左右不再变大。本发明方法对发射端和接收端波束的训练次数最多为次，与穷举算法相比，本发明方法大大缩短了训练时间。因此，本发明方法能以较小的计算复杂度获得接近于最大理论值的性能。

Claims (8)

1.一种模拟波束快速训练方法，其特征在于，对每个天线阵列或子阵列进行波束训练时，首先从码本中选择起始参考码字进行训练，记录相应的评价指标为最优指标；然后进行迭代运算选出最优指标对应的码字直至满足终止条件，每轮迭代中以参考码字为中心，从码本中以一定的步长从两侧选出若干码字进行训练，更新最优指标，及对应的码字为参考码字，所述步长随着迭代次数增加而减小。

2.根据权利要求1所述的模拟波束快速训练方法，其特征在于，所述迭代终止条件包括达到设定的最大迭代次数和连续指定次数迭代选出的码字相同；所述最大迭代次数根据码本容量和每轮迭代选出的码字数量确定。

3.根据权利要求1所述的模拟波束快速训练方法，其特征在于，码本容量K，最大迭代次数J以及第j次迭代训练用的码字数B_j之间满足

4.根据权利要求1所述的模拟波束快速训练方法，其特征在于，第j次迭代训练中的步长 表示向上取整，K为码本容量，B_u为选取的码字数。

5.根据权利要求1所述的模拟波束快速训练方法，其特征在于，第j次迭代训练中，以参考码字为中心，S_j为步长，按照如下规则从码本中选取Z_j个码字进行训练：

其中c_m为选取的码字，W＝[w₁w₂…w_K]为码本，表示向下取整，即从码本中选择个序号小于g_j-1的码字和个序号大于g_j-1的码字供本次迭代训练使用。

6.一种MIMO通信系统的高分辨率模拟波束快速训练方法，其特征在于，通信系统的发射端和接收端采用天线阵列或多个天线子阵的结构，发射端和接收端分别采用如权利要求1-5任一项所述的模拟波束快速训练方法进行波束训练，确定天线阵列或每个天线子阵的最佳波束控制矢量。

7.根据权利要求6所述的MIMO通信系统的高分辨率模拟波束快速训练方法，其特征在于，设发射端或接收端有N_t根发射天线，平均分配给N个子阵列，其中，每个子阵列的天线数为P；对N个天线子阵列进行波束训练，具体包括如下步骤：

(1)参数配置：收发设备拥有大小为K的码本W，W＝[w₁w₂…w_K]，其中，列向量为第k个码字；迭代次数的最大值设为J，j表示训练计数器，第j(j＝1,2,…,J)次训练用的码字数为B_j，满足选定一个评价指标ζ＝ζ(w)；迭代终止条件之一设置为连续τ次迭代选出的码字相同，τ≥3；i表示子阵列计数器，令i＝1；

(2)给第i个子阵列选择起始参考码字序号g₀，g₀∈{1,2,…,K}，并对起始参考码字进行波束训练，根据反馈信息记录当前最优指标令迭代次数j＝1；

(3)进行第j次波束训练，具体包括如下步骤：

(3.1)以参考码字为中心，S_j为步长从码本中选取Z_j个码字生成一个临时子码本

其中 表示向上取整，表示向下取整，Z₁＝B₁-1，Z_j＝B_j(j＝2,3,…,T)；

(3.2)对选出的Z_j个码字分别进行波束训练，计算相应的评价指标

(3.3)从步骤(3.2)得到的评价指标数值和当前最优指标中选择最大值更新当前最优指标ζ^*，即用g_j记录与当前最优指标对应的码字在码本中的序号，并作为下次波束训练的参考码字序号；

(4)判断是否满足迭代终止条件，如果满足，则得到第i个天线子阵列的最佳波束控制矢量转至步骤(5)；否则，更新迭代次数j＝j+1，返回至步骤(3)继续迭代；

(5)判断是否满足“i＝N”，如果满足，则发射端或接收端的波束训练结束；否则，i＝i+1，返回至步骤(2)。

8.实现如权利要求6所述的MIMO通信系统的高分辨率模拟波束快速训练方法的装置，其特征在于，包括：发射端训练装置和接收端训练装置，所述发射端训练装置和接收端训练装置分别包括：

参数配置模块，用于根据收发端设备情况确定码本、迭代次数、评价指标以及迭代终止条件；

训练控制模块，用于控制发射端或接收端阵列或子阵列的波束迭代训练流程，选出最优指标对应的码字直至满足终止条件；

以及，单阵列训练模块，包括：

初始码字训练单元，用于从码本中选择起始参考码字进行训练，记录相应的评价指标为最优指标；

迭代临时子码本选择单元，用于以参考码字为中心，从码本中以一定的步长从两侧选出若干码字组成临时子码本，所述步长随着迭代次数增加而减小；

以及最优指标选择单元，用于对临时子码本的码字进行训练，计算相应的评价指标并与当前最优指标进行比较，更新最优指标，设定其对应的码字为参考码字。