一种基于码本的分离型子阵列模拟波束训练方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,尤其涉及一种基于码本的分离型子阵列模拟波束训练方法。
背景技术
由于毫米波(Millimeter wave)拥有大的带宽,毫米波通信已经成为未来5G无线通信系统中具有开发潜力的技术。毫米波和多输入多输出(MultipleInput Multiple Output,MIMO)的结合可以实现速率大范围的增长,提高传输质量。高频段毫米波的较短的波长可以实现天线阵列的集成,但是较短的波长同时带来了严重的路径损失,致使毫米波信号在传输过程中出现大幅度的衰减,天线阵列提供的阵列增益能够弥补毫米波信号衰减,除此之外,天线阵列支持多个信号的传输,可以提高系统的频谱效率。
在毫米波通信系统中,高速率和高质量的通信可以通过波束成型技术实现。在传统的多输入多输出通信系统中,为了消除信号之间的干扰,波束成型技术在基带应用,然而在基带采用波束成型时,一根发射天线需要一条昂贵的射频(Radio Frequency,RF)链路。在拥有大规模天线的毫米波MIMO系统中,数字预编码的应用会带来高的能量消耗和硬件复杂度,为了解决成本问题和实现更大的波束成型增益,混合波束成型技术在毫米波MIMO系统中得到了广泛的应用。数字波束成型可以保证系统的性能,模拟波束成型的波束增益可以解决能量消耗和减小硬件复杂度。
模拟波束成型技术已经得到广泛的研究,但是大部分都是针对共享型阵列结构进行分析,针对分离型子阵列结构的研究甚少。本文针对分离型子阵列结构提出了一种基于码本的模拟波束训练方法,该方法先通过一个低复杂度的波束训练方式确定收发端子阵列天线加权矢量(Antenna Weighted Vector,AWV),再在已经确定子阵列天线加权矢量基础上对子阵列的相移器的相位进行微调,得到更优的波束方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于码本的分离型子阵列模拟波束训练方法,先通过一个低复杂度的模拟波束训练确定收发端子阵列的天线加权矢量,再根据实际情况需要,在确定的子阵列天线加权矢量基础上,通过对相移器的相位进行微调得到更精确的波束方向。
为了实现上述发明目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于码本的分离型子阵列模拟波束训练方法,包括如下步骤:
步骤1:发射端一共有Nt个发射端天线子阵列,接收端一共有Nr个接收端天线子阵列,第i个发射端天线子阵列为发射端天线子阵列中的任意一个,第j个接收端天线子阵列为接收端天线子阵列中的任意一个,其中i=1,2,…,Nt,j=1,2,…,Nr,时间段Tt,i表示第i个发射端天线子阵列确定其天线加权矢量所用的时间,时间段Tr,j表示第j个接收子阵列确定其天线加权矢量所用的时间,接收信号质量表示接收端接收到的第i个发射端天线子阵列的第m个波束的信号质量,表示第j个接收子阵列的第n个波束接收的信号质量;表示第i个发射子阵列使用第l个波束发射信号对应的信号质量,表示第j个接收子阵列使用第t个波束接收对应的信号质量;
在时间段Tt,i内,第i个发射端天线子阵列按照i=1,2,…,Nt的顺序依次发射相同的信号,所述发射端天线子阵列均采用码本中的码字作为其天线加权矢量发射信号;
当第i个发射端天线子阵列发送信号时,其他发射端天线子阵列处于不工作状态;
所有接收端天线子阵列全向接收,接收端接收到信号后首先根据接收信号质量选择出质量最好的信号,并找出所述质量最好的信号对应的码字序号,接收端把码字序号反馈给发射端;发射端根据反馈的码字序号确定第i个发射端天线子阵列的天线加权矢量bi;
步骤2:在时间段Tr,j内,发射端天线子阵列使用步骤1得到的天线加权矢量定向发射相同的信号,接收端第j个接收端天线子阵列按照j=1,2,…,Nr的顺序依次接收信号,接收端天线子阵列均采用码本中的码字作为其天线加权矢量接收信号,当第j个接收端天线子阵列接收信号的时候,其他接收端天线子阵列处于不工作状态;
当所有发射端天线子阵列发射信号完毕后,接收端根据信号质量选择出最优的信号,并找出所述最优的信号对应的码字,接收端将所述最优的信号对应的码字作为接收端第j个子阵列的天线加权矢量cj;
步骤3:根据步骤1和步骤2得到的子阵列天线加权矢量判断是否满足预想达到的性能:若不满足,则继续对天线子阵列相移器的相位做微调操作,直到性能达到为止;
发射端天线子阵列相移器的相位的微调操作具体操作包括如下步骤:
步骤3.1:在第i个发射端天线子阵列天线加权矢量bi基础上,对发射端天线子阵列相移器的相位进行调整,计算生成Ki个候选的天线加权矢量,使得Ki个候选的天线加权矢量波束方向靠近bi的波束方向;计算生成Ki个候选的天线加权矢量的具体公式1如下:
其中,第i个发射端天线子阵列上有Pi个天线,p表示第i个发射端天线子阵列上的任意一根天线,p=1,2,…,Pi;k=1,2,…,Ki;Qi表示第i个发射端天线子阵列对应码本中的码字个数;rk=1-fix(Ki/2),…,1+fix(Ki/2),其中fix(·)只返回整数部分;由公式1推导出第i个发射端天线子阵列上的相移器的相位旋转角度的计算公式2,公式2具体如下:
△θi(p,k)=2π(p-1)(rk-1)/((Ki-1)Qi);
步骤3.2:发射端天线子阵列发射相同的信号,第i个发射端天线子阵列依次使用bi和Ki个候选的天线加权矢量工作,其他的发射端天线子阵列和接收端天线子阵列采用最近更新的天线加权矢量工作;
步骤3.3:发射端天线子阵列发射完毕后,接收端根据信号质量选择出最优的信号,并找出其对应的天线加权矢量的序号A,接收端把天线加权矢量序号A反馈给发射端;
步骤3.4:判断反馈的序号A所对应的天线加权矢量是否是bi:是,则不对第i个发射端天线子阵列的相移器的相位进行调整;否,则调整第i个发射端天线子阵列的相移器的相位,使其与反馈的序号A所对应的天线加权矢量的方向一致,并更新bi;
接收端天线子阵列相移器的相位的微调操作具体操作包括如下步骤:
步骤3.5:在第j个接收端天线子阵列天线加权矢量cj基础上,根据公式2计算出相位旋转角度,并对接收端天线子阵列的相移器的相位进行微小的调整,使得调整后的天线加权矢量波束方向接近cj的波束方向,在cj波束方向形成Tj个候选的天线加权矢量;
步骤3.6:发射端天线子阵列发射相同的信号,第j个接收端天线子阵列依次cj和Tj个候选的天线加权矢量接收信号,其他的发射端天线子阵列和接收端天线子阵列使用最近更新的天线加权矢量工作;
步骤3.7:接收端天线子阵列接收完毕后,接收端根据信号质量选择出最优的信号对应的天线加权矢量的序号B,判断序号B所对应的天线加权矢量是否是cj:是,则不对第j个接收端天线子阵列的相移器的相位进行调整;否,则调整第j个接收端天线子阵列的相移器的相位进行调整,使其与序号B所对应的天线加权矢量方向一致,并更新cj。
步骤4:根据步骤3得到的子阵列天线加权矢量判断是否满足预想达到的性能,若满足则停止操作,否则返回步骤3继续对相移器的相位进行微调,直到达到所需要的性能为止。
每一个所述发射端天线子阵列均连接一条射频链路,每一个所述接收端天线子阵列均连接一条射频链路。
本发明所述的一种基于码本的分离型子阵列模拟波束训练方法,先利用基于码本波束训练方法确定收发端子阵列的天线加权矢量,判断是否满足实际性能需要,若不满足,则在初步得到的波束基础上,对子阵列的相移器的相位进行微调操作,直到满足所需要的性能为止。与已有的基于码本的波束训练方法相比,本发明所提出的训练方法可以根据实际情况选择是否对相移器的相位做微调操作,通过进一步的相位微调操作可以得到更准确的波束方向,改善系统的整体性能。
附图说明
图1为本发明分离型子阵列模拟波束成型示意图;
图2本发明一种基于码本的分离型子阵列模拟波束训练总体流程图;
图3本发明波束训练示意图;
图4为本发明相移器的相位微调模式图;
图5为本发明实施例中一种基于码本的分离型子阵列模拟波束训练流程图。
具体实施方式
一种基于码本的分离型子阵列模拟波束训练方法,包括如下步骤:
步骤1:发射端一共有Nt个发射端天线子阵列,接收端一共有Nr个接收端天线子阵列,第i个发射端天线子阵列为发射端天线子阵列中的任意一个,第j个接收端天线子阵列为接收端天线子阵列中的任意一个,其中i=1,2,…,Nt,j=1,2,…,Nr,时间段Tt,i表示第i个发射端天线子阵列确定其天线加权矢量所用的时间,时间段Tr,j表示第j个接收子阵列确定其天线加权矢量所用的时间,接收信号质量表示接收端接收到的第i个发射端天线子阵列的第m个波束的信号质量,表示第j个接收子阵列的第n个波束接收的信号质量;表示第i个发射子阵列使用第l个波束发射信号对应的信号质量,表示第j个接收子阵列使用第t个波束接收对应的信号质量;
在时间段Tt,i内,第i个发射端天线子阵列按照i=1,2,…,Nt的顺序依次发射相同的信号,所述发射端天线子阵列均采用码本中的码字作为其天线加权矢量发射信号;
当第i个发射端天线子阵列发送信号时,其他发射端天线子阵列处于不工作状态;
所有接收端天线子阵列全向接收,接收端接收到信号后首先根据接收信号质量选择出质量最好的信号,并找出所述质量最好的信号对应的码字序号,接收端把码字序号反馈给发射端;发射端根据反馈的码字序号确定第i个发射端天线子阵列的天线加权矢量bi;
步骤2:在时间段Tr,j内,发射端天线子阵列使用步骤1得到的天线加权矢量定向发射相同的信号,接收端第j个接收端天线子阵列按照j=1,2,…,Nr的顺序依次接收信号,接收端天线子阵列均采用码本中的码字作为其天线加权矢量接收信号,当第j个接收端天线子阵列接收信号的时候,其他接收端天线子阵列处于不工作状态;
当所有发射端天线子阵列发射信号完毕后,接收端根据信号质量选择出最优的信号,并找出所述最优的信号对应的码字,接收端将所述最优的信号对应的码字作为接收端第j个子阵列的天线加权矢量cj;
步骤3:根据步骤1和步骤2得到的子阵列天线加权矢量判断是否满足预想达到的性能:若不满足,则继续对天线子阵列相移器的相位做微调操作,直到性能达到为止;
发射端天线子阵列相移器的相位的微调操作具体操作包括如下步骤:
步骤3.1:在第i个发射端天线子阵列天线加权矢量bi基础上,对发射端天线子阵列相移器的相位进行调整,计算生成Ki个候选的天线加权矢量,使得Ki个候选的天线加权矢量波束方向靠近bi的波束方向;计算生成Ki个候选的天线加权矢量的具体公式1如下:
其中,第i个发射端天线子阵列上有Pi个天线,p表示第i个发射端天线子阵列上的任意一根天线,p=1,2,…,Pi;k=1,2,…,Ki;Qi表示第i个发射端天线子阵列对应码本中的码字个数;rk=1-fix(Ki/2),…,1+fix(Ki/2),其中fix(·)只返回整数部分;由公式1推导出第i个发射端天线子阵列上的相移器的相位旋转角度的计算公式2,公式2具体如下:
Δθi(p,k)=2π(p-1)(rk-1)/((Ki-1)Qi);
步骤3.2:发射端天线子阵列发射相同的信号,第i个发射端天线子阵列依次使用bi和Ki个候选的天线加权矢量工作,其他的发射端天线子阵列和接收端天线子阵列采用最近更新的天线加权矢量工作;
步骤3.3:发射端天线子阵列发射完毕后,接收端根据信号质量选择出最优的信号,并找出其对应的天线加权矢量的序号A,接收端把天线加权矢量序号A反馈给发射端;
步骤3.4:判断反馈的序号A所对应的天线加权矢量是否是bi:是,则不对第i个发射端天线子阵列的相移器的相位进行调整;否,则调整第i个发射端天线子阵列的相移器的相位,使其与反馈的序号A所对应的天线加权矢量的方向一致,并更新bi;
接收端天线子阵列相移器的相位的微调操作具体操作包括如下步骤:
步骤3.5:在第j个接收端天线子阵列天线加权矢量cj基础上,根据公式2计算出相位旋转角度,并对接收端天线子阵列的相移器的相位进行微小的调整,使得调整后的天线加权矢量波束方向接近cj的波束方向,在cj波束方向形成Tj个候选的天线加权矢量;
步骤3.6:发射端天线子阵列发射相同的信号,第j个接收端天线子阵列依次cj和Tj个候选的天线加权矢量接收信号,其他的发射端天线子阵列和接收端天线子阵列使用最近更新的天线加权矢量工作;
步骤3.7:接收端天线子阵列接收完毕后,接收端根据信号质量选择出最优的信号对应的天线加权矢量的序号B,判断序号B所对应的天线加权矢量是否是cj:是,则不对第j个接收端天线子阵列的相移器的相位进行调整;否,则调整第j个接收端天线子阵列的相移器的相位进行调整,使其与序号B所对应的天线加权矢量方向一致,并更新cj。
步骤4:根据步骤3得到的子阵列天线加权矢量判断是否满足预想达到的性能,若满足则停止操作,否则返回步骤3继续对相移器的相位进行微调,直到达到所需要的性能为止。
每一个所述发射端天线子阵列均连接一条射频链路,每一个所述接收端天线子阵列均连接一条射频链路。
本发明先由接收端全向接收确定发射端子阵列的天线加权矢量,再由发射端子阵列定向发射信号确定接收端子阵列的天线加权矢量,判断是否满足实际性能要求,若不满足,则在初步得到的波束基础上,对子阵列的相移器的相位进行微调操作,直到满足所需要的性能为止,本发明减少了波束训练次数,降低了系统复杂度,提高了系统的性能;本发明可以分为波束训练和相移器相位微调两个阶段,其中相移器相位微调阶段可以根据应用场景和实际情况决定是否需要。
如图1所示的分离型子阵列模拟波束成型示意图,一条射频链路与一个天线子阵列连接,每一个子阵列上的天线加权矢量可以基于码本通过波束训练确定,一种基于码本的分离型子阵列模拟波束训练总体流程如图2所示,一种低复杂度的确定收发端子阵列的波束训练示意图如图3所示,在通信过程中可以对相移器的相位做微调处理得到更精确的波束方向,相移器的相位微调模式图如图4。
本实施例中,发射端和接收端总天线数相等,均有24根天线,子阵列数均为3,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12,波束训练时收发端使用相同的DFT类型的码本,本发明对其他码本均有效,码本中码字数均为16,具体的参数设置见表1。支持不同子阵列数、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。
表1仿真参数设置
如图5所示,本实施例公开了一种基于码本的分离型子阵列模拟波束训练方法,具体包括如下步骤:
步骤1:在时间段Tt,1内,发射端第一个子阵列依次采用码本中的码字作为其天线加权矢量发射相同的信号,其他发射子阵列处于不工作状态,接收端所有子阵列全向接收;信号发射完毕,接收端根据接收信号功率选择出最优的信号,该信号对应的码字序号为5,并把序号5反馈给发射端;发射端根据反馈信息确定第一个发射子阵列的天线加权矢量为码本中第5个码字;以同样的方式在时间段内Tt,2、Tt,3内依次得到第二个发射子阵列的天线加权矢量为码本中第12个码字,第三个发射子阵列的天线加权矢量为码本中第4个码字;
步骤2:在时间段Tr,1内,发射端子阵列采用步骤1得到的天线加权矢量定向发射相同的信号,接收端第一个子阵列依次使用码本中的码字作为其天线加权矢量接收信号,其他接收子阵列处于不工作状态;接收端根据接收功率选择出最优的信号对应的码字为第13个码字,并把该码字作为接收端第一个子阵列的天线加权矢量;以同样的方式在时间段内Tr,2、Tr,3内依次得到接收端第二个子阵列的天线加权矢量为码本中第1个码字,接收端第三个子阵列的天线加权矢量也为码本中第1个码字;
步骤3:根据步骤1和步骤2确定的子阵列天线加权矢量判断是否满足预想达到的性能,本实施例中经过波束训练求得的子阵列的天线加权矢量满足所需要的性能,不必要再对子阵列的相移器的相位进行微调。