CN106027133B - 一种多径信道下的分级波束搜索方法 - Google Patents

一种多径信道下的分级波束搜索方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于模拟波束赋形技术的多径信道下的分级波束搜索方法。本发明实施例在毫米波通信系统中，较原有二分波束搜索方法，能够以更高的成功率找到最优通信波束，相较于穷举搜索法，在获得几乎同样的成功率情况下，具有更低的搜索复杂度。

Description

一种多径信道下的分级波束搜索方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及多径信道下的分级波束搜索方法。
背景技术
随着无线通信技术的广泛应用，能够实现Gbps传输速率的毫米波通信受到越来越广泛的关注。但是毫米波通信必须克服其本身传输特性而导致的高路径损耗问题，因此通信收发双方需配备多天线系统以采用波束赋形技术来实现链路预算。
目前基于相关天线阵列的模拟波束赋形技术条件下，已有的各种改进型分级搜索策略算法仅适用于以一条能量为主的单径通信环境，不适用于多径环境。但现实通信环境大都是多径信道，若处在多径环境下这些波束搜索算法极有可能搜到的不是最优通信波束，因此，这些波束搜索算法都存在很大的局限性。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术的缺陷，将基于模拟波束赋形技术，利用分级搜索思想设计出适合于多径环境下的波束搜索方法，该方法将记录逐级搜索过程中所能获取的信息，并利用该信息指导下一级波束搜索，以保证多径环境下能够搜索到最优通信波束。
本发明提供的一种基于模拟波束赋形技术的多径信道下的分集波束搜索方法，其特征在于：分级搜索中每一级搜索过程的特殊改进及如何选用波束，以及在最细波束阶段即最后一级搜索过程中对搜索结果按照一定规则的处理。
上述场景特征为：信道中具有多径通信分量的室内环境。
该方法的具体描述如下：
假设信道中多径数为L，接收端和发射端天线数Nt＝Nr＝M。令Q表示码本总级数，那么Q＝log2M，q表示第q级码本。与二分搜索法不同的是，该方法需要根据信道多径数来决定起始发射码本的级数q，即2q>L，究其原因分析如下。假设信道多径数为3的情况下，起始发射波束依然为第一级码本中的两个波束，由于多径随机分布在360°范围内，那么这3条径随机分布在这两个波束覆盖范围内的概率较大，根据下文算法步骤(4)和(5)，在第二级搜索过程中发射波束有极大可能依然需要遍历第二级码本中的4个波束，所以从减小搜索复杂度方面来说，将第二级码本作为起始发射波束码本最佳。
(1)设置收发双方各自天线数M，百分比截断阈值percentThreshold。这个阈值可以被认为是区分有效信息与干扰信息的标准。
(2)根据多径数L计算搜索算法的起始级数，即满足2q>L的q值，比如L＝3时，则从q＝2级开始搜索。
(3)如果q＝Q，进入步骤(6)，否则继续执行下面的步骤，
(4)发射端取出第q级码本中需要的码字，发射训练信号，接收端全向接收信号。此时接收端计算出所有这些码字所对应的信噪比值，用γi来表示。，并从中找出γi当中第L大的值，以该值作为基准(分母)，计算出γi相对于该值的百分比。数组indexArray记录大于等于percentThreshold所对应的波束编号i。由于仿真时信道增益是随机产生的，有可能各个路径信道增益相差非常大，如果此时以最大值作为基准，那么能够准确区分出有效信息与干扰的阈值将会变得很小，同时搜素复杂度也会随着阈值的微弱变化而产生较大变化，因此从概率角度来说，我们不以γi当中最大值作为基准，以尽量减小最大值对搜索方案性能的影响。此处选取γi当中第L大的值作为基准。
(5)将步骤(3)中数组indexArray中的编号，转换成下一级码本的码字编号(波束编号)，例如indexArray中编号i需更新为2i和2i-1，然后进入下一轮波束搜索，置q＝q+1，返回到步骤(3)。
(6)经过上述步骤，此时波束搜索已经进行了Q-1级搜索，即将进入第Q级搜索，即波束将是最细的通信波束。该阶段需要将步骤(4)中转换出的波束编号做有选择性的删除。例如indexArray中编号2i和2i-1，发射端切换探测这两个波束，接收端需要根据信噪比值大小从中选出一个编号，以确定这两个编号对应的局部最优波束，其余编号做相同的操作，更新数组indexArray的值。接下来进入第(6)步进一步确定全局最优波束。
(7)实际应用中，波束数目与天线数一般有K＝2M关系，因此以上最后一步搜索过程实际还有M个波束未使用。根据波束主瓣方向的相对关系，最优通信波束也可能出现在这M个未使用的波束中。假设indexArray中的第一个编号为j，实际上编号j为M个波束中的编号，转化成2M个波束中的编号即为2j，那么发射端还需再次切换探测2j-1，2j，2j+1三个编号所对应的波束，并用数组indexLocalOptimal记录信噪比最大的编号。依次对indexArray中所有编号做类似处理，最后，比较indexLocalOptimal中所有编号对应的信噪比大小，即可获得全局最优通信波束。
以上是搜索发射端最优通信波束编号的过程。若搜索接收端最优通信波束编号，发射端采用最优通信波束发射训练信号，由于此时发送端在一定程度上已经掌握了部分信道信息(角度)，因此，接收端虽是重复上述步骤，但步骤(3)中只需以最大值作为基准，阈值可设置为1，算法退化为二分法。
与现有技术相比，本发明技术优势在于：
在多径环境下，相较于二分搜索算法，该算法能够以更高的成功率搜索到最优通信波束，相较于穷举搜索法，该算法在获得几乎同样的成功率情况下，则具有更低的搜索复杂度。
附图说明
图1是多径环境中二分搜索法存在的问题；
图2是毫米波多径信道模型；
图3是分级码本的波束图；
图4是多径信道下分级波束搜索方法的流程图；
图5是percentThreshold值与搜索成功率的仿真结果图；
图6是该算法与穷举搜索算法的复杂度比较图；
图7是该算法与二分搜索算法的搜索成功率比较图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案进行详细阐述。
本发明实例提供了一种基于模拟波束赋形技术的多径信道下的分集波束搜索方法。
通过本发明实例可以克服如图1中所示二分法存在的局限性，避免漏选掉包含有多径信息的波束，在如图2所示的多径环境中能以极高的成功率和较低的复杂度找到最优通信波束，提高毫米波通信系统的性能。
本发明实例主要是基于分级搜索策略的思想，因此亦需要特定的分级码本。该方法将采用已提出的一种N相位码本来代替DFT码本，该码本产生的波束具有较优的旁瓣性能，这一点对于波束搜索算法至关重要。N相位码本产生的公式如下：
m位天线阵元编号，M为天线阵元数目，k为波束编号，K为波束总数目，一般K＝2M。
具体波束图如下图3所示，图中(a)为两天线阵元产生的四个波束，其中两条实线对应的波束表示该方法第一级码本中的两个波束w(2,2)与w(2,4)，虚线波束在该方法中将不用。每一级如此选择波束是为了使得下一级两个波束覆盖范围叠加正好与这一级波束的覆盖范围相同，如图中(b)所示。其中黑色粗线为第一级码本中的波束，两条细线为由四天线阵元产生的第二级波束，从图中可以明显看出它们的覆盖范围具有层间包含关系。
毫米波通信系统收发双方根据天线阵元数目产生并设置各自所需的分级码本，接下来上述算法描述中的流程即可找到多径通信环境中的全局最优通信波束对。通过如图4中仿真结果来看，一般将该算法步骤(1)中的percentThreshold值设为1能够获得较高的成功率(96％以上)。图5表明，较穷举搜索算法而言，该算法具有极低的复杂度。如图6所示，二分搜索算法找到全局最优通信波束的概率只有60％左右。其中，percentThreshold值设为1的物理意义是分级搜索策略中的每一级搜索过程中选取的波束个数等于信道中的多径分量数L，percentThreshold值大于1的物理意义是选取的波束个数小于信道中的多径分量数L。该算法复杂度可按下式来表示，
C＝2s+2×L×(log2M-s)+3×L+2×log2M+3
＝Ο(2L log2M)
上式中s为算法中由L确定的初始q值，一般为2或3。
另外，由于单通信路径很容易受到环境中各种因素的干扰而导致通信中断，尤其是物体移动对信号的遮挡。为了解决这个问题，可以再次启动波束搜索来搜寻可用路径，这势必会消耗掉一段时间；或者使用中继节点，经过多跳网络绕过遮挡物，但是这也将会增加网络的复杂度。该算法虽是为了解决现有波束搜索算法无法在多径环境下使用提出的，但非常容易用来搜索用作正常通信中断时使用的备选通信波束。在该算法设计中，我们可以减小阈值percentThreshold大小至一个合适的值，来增加每一级波束搜索过程中的探测波束数目，那么算法最后得到的数组indexLocalOptimal中信噪比前L大的编号所对应的波束都可作为备选波束。
以上所述仅为本发明的一个具体实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。本领域的技术人员应当理解，在不脱离发明原理的前提下，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围中。

Claims (4)

1.一种多径信道下的分级波束搜索方法，其特征在于，所述方法包括：
将研究的场景抽象为模拟波束赋形架构下的多径解析信道模型；
针对毫米波多径信道的场景，提出一种特定的多径信道下的分级波束搜索算法；该算法使用N相位码本作为分层码本，采用基于模拟波束赋形的分级搜索策略，进行最优波束的搜索；
所述算法包含：分级搜索中每一级搜索过程选取的波束数目均大于或等于多径数L；每级中，发射端发射对应的训练信号，接收端全向接收且计算每个接收信号的信噪比，找到其中第L大的作为基准，并计算所有信噪比相对于该值的百分比，接收端得到百分比大于百分比截断阈值的波束编号，假定为i，则得到下一级码本的编号为2i和2i-1，进入下一轮搜索；在最后一级搜索过程中，对搜索结果继续探测，并选择信噪比大的作为局部最优波束；最后，对该波束相邻未使用的波束进行探测，选择信噪比大的波束作为最优通信波束。
2.如权利要求1所述的多径信道下的分级波束搜索方法，其特征在于，利用N相位码本产生与分级波束搜索相配合的各级分层码本；
其中，各级分层码的每一级产生的波束数目是该级所选取的天线数目的2倍，然后每间隔一个波束选用一个波束，即每一级均从总波束中选取一半波束用于波束搜索。
3.如权利要求1所述的多径信道下的分级波束搜索方法，其特征在于，基于相应的分层码本，进行分级波束搜索，每一级搜索选取的波束数目均大于或等于多径数。
4.如权利要求1所述的多径信道下的分级波束搜索方法，其特征在于，对最后一级搜索得到的多对局部最优波束，按照接收信噪比大小进行有选择性地删除，以缩小最终能够确定出全局最优波束的范围；然后对选择出来的波束及其相邻两个波束再次进行切换探测，从中选择信噪比最大的那个波束作为最优通信波束。
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