CN108347265A - 一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法及装置，该方法包括：从预设的接收码字集合中采用不同的接收码字接收发射端发送的训练符号，并选出接收能量最大的接收码字；根据能量最大化原则从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出若干个接收码字作为可用接收码字，并对可用接收码字进行相位补偿后与接收能量最大的接收码字进行相加；对相加形成的权值向量进行归一化形成最终的归一化接收波束用于接收来自发射端的信号。本发明能最大限度地接收来自发射端经过散射体环境散射形成的多径信号，有效地利用发射端的发射能量，能降低发射端的功耗；并且在单个最佳接收波束被阻挡的时候，也能够进行正常通信，保证了系统的鲁棒性。

Description

一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法及装置

技术领域

本发明提供一种利用空间稀疏特性对接收信号进行波束接收分集方法及装置，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着移动互联网的迅速发展，通信设备请求的数据流量呈现爆炸式增长。为了满足日益增长的速率需求，需要无线通信系统支持更快的数据传输。大规模MIMO(多输入多输出，Multiple Input Multiple Output)作为一种有潜力的，能提高系统传输速率和吞吐量的技术，结合波束成型技术能够更加高效地实现高速率传输。

在毫米波通信中，发射端与接收端通常配备大规模天线阵列，能够形成指向可调，宽度可调的波束。在现实场景中，发射端与接收端周围会存在丰富的散射体，大规模天线阵列形成的可调波束使得信道在空间域上是稀疏的，发射端的发射信号经过散射体环境的散射会产生多径信号到达接收端。发射端与接收端配备的大规模天线阵列形成窄波束，使得发射端与接收端通常利用联合波束训练过程选择一对最优的发射波束与接收波束进行通信，例如专利CN201510970862.1以及CN201510393848.X，最终都是利用波束训练在发射端选择一个最优发射波束，在接收端选出一个最优接收波束。从能量角度看，这样的接收方式尽管能接收到发射端的强径信号，却浪费了其他多径信号的能量；从鲁棒性角度看，由于发射端与接收端可能存在相对移动以及散射体不确定变化性，接收端选择的最优波束可能被障碍物阻挡，导致无法正常进行数据传输。

发明内容

发明目的：为了解决上述发射端的多径信号能量浪费以及接收端接收信号存在的不稳定性，本发明目的在于提供一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法及装置，通过在接收端选择若干个码字相位补偿后相加并归一化形成接收波束，对发射端经过散射环境散射的多径信号进行相位补偿后接收，获得波束分集增益。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法，包括：

从预设的接收码字集合中采用不同的接收码字作为接收波束接收发射端发送的训练符号，并选出接收能量最大的接收码字；

根据能量最大化原则从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出若干个接收码字作为可用接收码字，并对可用接收码字进行相位补偿后与接收能量最大的接收码字进行相加；

对相加形成的权值向量进行归一化形成最终的归一化接收波束用于接收信号。

作为一种优选的实施方式，选择可用接收码字的方法为：以接收能量最大的接收码字为初始权值向量c，从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字组成的候选接收码字集合中选出相位补偿后和权值向量c相加形成权值向量的归一化接收能量与权值向量c的归一化接收能量的比值最大且大于1的候选接收码字作为可用接收码字并进行相位补偿后叠加到权值向量c，直至没有候选接收码字，或所选出的接收码字相位补偿后和权值向量c相加形成权值向量的归一化接收能量与权值向量c的归一化接收能量的比值不大于1。

进一步地，为降低可用接收码字选择的计算复杂度，所述波束接收分集方法还包括：设置一个能量比值初选准则，从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出满足能量比值初选准则的接收码字作为候选接收码字集合；所述可用接收码字从所述候选接收码字集合中挑选。

作为一种优选的实施方式，所述能量比值初选准则为：选择接收能量与最大接收能量的比值大于接收码字经初选相位补偿后与接收能量最大的接收码字相加的范数减1的平方对应的接收码字作为可用接收码字的候选接收码字。

作为一种优选的实施方式，能量比值初选准则中初选相位补偿角为π减去接收能量最大的接收码字共轭转置乘所选接收码字后的相位角。

作为一种优选的实施方式，接收码字的相位补偿角以使得候选接收码字相位补偿后和权值向量c相加形成权值向量的归一化能量最大为目标计算获得。

本发明另一方面提供的一种利用空间稀疏特性的波束接收分集装置，包括：

接收能量最大码字选取模块，用于从预定的接收码字集合中采用不同的接收码字作为接收波束接收发射端发送的训练符号，并选出接收能量最大的接收码字；

可用码字选取模块，用于根据能量最大化原则从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出若干个接收码字作为可用接收码字，并对可用接收码字进行相位补偿后与接收能量最大的接收码字进行相加；

以及，接收波束形成模块，用于对相加形成的权值向量进行归一化形成最终的归一化接收波束用于接收信号。

进一步地，所述波束接收分集装置还包括：候选码字选取模块，用于设置一个能量比值初选准则，从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出满足能量比值初选准则的接收码字作为候选接收码字集合；所述可用接收码字从所述候选接收码字集合中挑选。

本发明另一方面提供的一种利用空间稀疏特性的波束接收分集装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有多条指令，所述指令被加载至处理器时执行所述的利用空间稀疏特性的波束接收分集方法。

有益效果：本发明提出一种利用空间稀疏性的波束接收分集方法，与现有接收端利用单个最佳波束对发射端经过散射体环境散射的多径信号进行接收的方案相比，本方法具有如下优点：第一，利用空间稀疏特性选择多个码字相位补偿后的归一化接收波束同时接收多个方向的信号，本发明能最大限度地接收来自发射端经过散射体环境散射形成的多径信号，有效地利用发射端的发射能量，避免发射端为了使接收端接收到更好的最佳路径信号而增加发射功率，能降低发射端的功耗；第二，利用空间稀疏特性选择多个码字相位补偿后的归一化接收波束同时接收多个方向的信号，本发明在单个最佳接收波束被阻挡的时候，也能够进行正常通信，保证了系统的鲁棒性；第三，本发明不需要额外的硬件条件，在不改变接收端配置的情况下，仅需简单的计算便可提高接收端的接收性能。

附图说明

图1为带有权值的A阵元线性阵示意图；

图2为A阵元均匀线性阵的波束成型原理图；

图3为本发明一实施例的方法流程图；

图4为本发明一实施例的方法流程图；

图5为本发明一实施例的方法流程图；

图6为本发明一实施例中发射端向接收端发送训练符号，接收端依次选择不同接收码字进行扫描接收的过程示意图；

图7为本发明一实施例中接收端根据接收码字接收能量大小选择出接收能量最大的接收码字以及L(0≤L≤N-1)个候选接收码字的过程示意图；

图8为本发明一实施例中接收端根据能量最大化原则确定能用于相位补偿的可用接收码字的过程示意图；

图9为本发明一实施例的装置结构示意图；

图10为本发明一实施例的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于解释本发明，便于理解而不是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进行各种等价形式的修改均属于本申请所附权利要求书所限定的范围。

为了更直观地理解本发明的内容，首先介绍一下本发明所涉及的阵列天线波束成型技术相关知识：

阵列天线输出的绝对值与来波方向之间的关系称为天线的方向图。对于某一确定的A元空间阵列，忽略噪声的条件下，第a个阵元的复信号为：

其中，g₀为来波的幅度，λ为电磁波的波长。τ_a为第a个阵元与参考点之间的波程差。

如图1所示，设第a个阵元的权值为w_a，那么，所有阵元加权的输出为：

其中，表示从a＝1到a＝A的求和运算。

对于图2给出的均匀线性阵，相邻阵元距离为d，以最左边的阵元为参考点，且假设信号来波方向为即与均匀线性阵法线方向的夹角，那么，第k个阵元与参考点的波程差为：

τ_a＝(a-1)dsinθ (3)

整个阵列的输出为：

对于不同信号来波方向，将上式取绝对值并归一化后得到空间阵列的方向图：

其中，|.|表示幅度，表示括号内公式对变量θ求最大值。

由不同阵元的权值构成的向量w＝[w₁,w₂,…,w_A]^T称为一个码字，其中，上标T表示转置。不同的码字使得阵列生成的波束有不同的方向及宽度。

如图3所示，本发明实施例公开的一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法，通过叠加多个来自不同波束接收的相位补偿能量，进而获得接收分集增益，增强通信系统的鲁棒性。该方法主要包括如下步骤：首先，从预设的接收码字集合中采用不同的接收码字作为接收波束接收发射端发送的训练符号，并选出接收能量最大的接收码字。然后，根据能量最大化原则从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出若干个接收码字作为可用接收码字，并对可用接收码字进行相位补偿后与接收能量最大的接收码字进行相加。最后，对相加形成的权值向量进行归一化形成最终的归一化接收波束用于接收信号，进而获得分集增益。如图4所示，为了降低计算复杂度，本发明另一实施例公开的一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法，在可用接收码字选择之前还包括：设置一个能量比值初选准则，从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出满足能量比值初选准则的接收码字作为候选接收码字集合，然后可用接收码字从候选接收码字集合中挑选。

其中，选择可用接收码字的方法为：以接收能量最大的接收码字为初始权值向量c，从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字组成的候选接收码字集合中选出相位补偿后和权值向量c相加形成权值向量的归一化接收能量与权值向量c的归一化接收能量的比值最大且大于1的接收码字作为可用接收码字并进行相位补偿后叠加到权值向量c，直至没有候选接收码字或所选出的接收码字相位补偿后和权值向量c相加形成权值向量的归一化接收能量与权值向量c的归一化接收能量的比值不大于1。能量比值初选准则为：选择接收能量与最大接收能量的比值大于接收码字经初选相位补偿后与接收能量最大的接收码字相加的范数减1的平方对应的接收码字作为可用接收码字的候选接收码字，其中初选相位补偿角可为π减去接收能量最大的接收码字共轭转置乘所选接收码字后的相位角。

图5为本发明一个优选实施例的方法详细流程图。首先，发射端向接收端发送训练符号，发射端的信号经过散射体环境的散射形成多径信号；接着，接收端依次采用不同的接收码字接收信号，并按接收能量进行降序排序，记录接收码字索引号以及相应的接收能量；其次，毫米信道在空间域的稀疏特性导致只有少数接收码字能接收到比较大的能量，根据能量比值满足一定条件，接收端从除接收能量最大的接收码字以外的N-1个接收码字中挑选L(0≤L≤N-1)个接收码字作为候选接收码字；然后，根据能量最大化原则，接收端从L个候选接收码字中选择S(0≤S≤L)个可用接收码字，并计算其相应的相位补偿角，对S个可用接收码字进行相位补偿后与接收能量最大的接收码字进行相加；最后，对上述的码字相加形成的权值向量进行归一化，形成最终的归一化接收波束，用于接收发射端的发射信号，进而获得分集增益。方法具体包括如下步骤：

步骤1：发射端发送训练符号。如图6所示，发射端101生成训练符号x_T，满足其中E{.}表示均值，表示x_T的共轭转置。发射端发送x_T，x_T经由散射体信道h到达接收端100为hx_T+n，其中n为噪声。

步骤2：接收端依次从接收码字集合中选择接收码字w_i作为接收波束，w_i满足||w_i||²＝1，其中i＝1,2,…,N，||.||表示范数。接收端得到相应的接收信号并计算相应的接收能量记接收码字索引号及相应的能量为(i,P_i)，其中i＝1,2,…,N，|.|表示幅度。

步骤3：对接收能量序列按降序排序，得到序列其中序列索引号j与接收码字索引号i的关系表示为j＝π(i)，其中，π(.)表示一一对应的置换映射，而接收码字索引号i和序列索引号j的关系表示为i＝π^-1(j)，其中π^-1(.)表示π(.)的逆置换映射。

步骤4：根据毫米波信道在空间域的稀疏特性，接收端选择接收能量最大的接收码字的索引号π^-1(1)，再从接收码字索引号集合{1,2,…,N}-{π^-1(1)}中选择L个候选接收码字索引号作为候选接收码字索引号集合其中0≤L≤N-1，操作{1,2,…,N}-{π^-1(1)}表示将π^-1(1)移出{1,2,…,N}，具体的选择方法如下：

首先，接收端生成候选接收码字索引号集合并将其初始化为空集。

然后，依次判断Q_k，k＝2,…,N对应的接收码字是否可以作为候选接收码字，判断准则为接收能量Q_k与接收能量Q₁的比值是否大于接收码字经初选相位补偿，即乘以权重因子e^j(π-φ)后与接收能量最大的接收码字相加所能达到的最小范数减1的平方，为使得接收码字乘以权重因子e^j(π-φ)后与接收能量最大的接收码字相加的范数最小，φ应取的相位。判断公式为：

若公式(6)成立，则π^-1(k)对应的接收码字为候选接收码字，将候选接收码字索引号π^-1(k)放入候选接收码字索引号集合如图7所示，假设选出候选接收码字个数L＝3，即集合其中r,s,t∈{2,…,N}，且r≠s≠t。接收能量最大的接收码字与3个候选接收码字 分别形成波束122，波束121，波束123，波束124。

步骤5：根据接收能量最大化原则，接收端从候选接收码字索引号集合中选择可用于波束接收分集的S(0≤S≤L)个可用接收码字索引号，计算相应的相位补偿角，对S个可用接收码字索引号对应的可用接收码字进行相应的相位补偿后与接收能量最大的接收码字相加，具体方法如下：

1)选择接收能量最大的接收码字索引号π^-1(1)，令权值向量

2)若候选接收码字索引号集合为空集，则直接进行步骤6；

3)若候选接收码字索引号集合非空，定义变量yx＝x^H(hx_T+n)表示权值向量x或者接收码字x的接收信号，判断候选接收码字索引号集合的候选接收码字索引号对应候选接收码字中是否有可用接收码字。操作过程为：依次选择候选接收码字w_m，其中m属于候选接收码字索引号集合计算候选接收码字w_m的最佳相位补偿角θ_m，θ_m的取值应使得权值向量c与候选接收码字w_m乘以后相加形成的权值向量的归一化接收能量最大，θ_m可由公式(7)得到：

其中，arcsin(.)表示三角函数sin(.)的反函数，Imag(.)表示虚部，为的相位；然后从候选接收码字索引号集合中选择出使得归一化能量最大的候选接收码字索引号记为m^*。判断准则为：根据m^*计算出对应的归一化接收能量与权值向量c的归一化接收能量的比值大于1。若满足判断准则，则候选接收码字是一个可用接收码字，更新权值向量重复步骤3)，直至候选接收码字索引号集合为空集或者不满足判断准则。

步骤6：接收端对步骤5得到的权值向量c进行归一化得到最终接收波束使用w_r对来自发射端的信号进行接收，最终接收能量为P_r＝|w_r ^H(hx_T+n)|²。

如图8，假设可用接收码字满足能量最大化原则，且对应的相位补偿角为θ_r，θ_t，则最终接收波束表示为：

根据w_r，接收端生成接收波束121，接收波束122，接收波束124，接收能量表示为：

即通过对接收码字进行相位补偿，间接对接收信号进行相位补偿获得分集增益。

如图9所示，本发明另一实施例公开的利用空间稀疏特性的波束接收分集装置，包括：接收能量最大码字选取模块，可用码字选取模块和接收波束形成模块；其中接收能量最大码字选取模块，用于从预设的接收码字集合中采用不同的接收码字作为接收波束接收发射端发送的训练符号，并选出接收能量最大的接收码字；可用码字选取模块，用于根据能量最大化原则从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出若干个接收码字作为可用接收码字，并对可用接收码字进行相位补偿后与接收能量最大的接收码字进行相加；接收波束形成模块，用于对相加形成的权值向量进行归一化形成最终的归一化接收波束用于接收信号。

如图10所示，本发明另一实施例公开的利用空间稀疏特性的波束接收分集装置，上述装置各模块基础上还包括候选码字选取模块，用于设置一个能量比值初选准则，从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出若干满足能量比值初选准则接收码字作为候选接收码字集合；可用接收码字从候选接收码字集合中挑选。

本发明还提供一种利用空间稀疏特性的波束接收分集装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有多条指令，指令被加载至处理器时执行的上述利用空间稀疏特性的波束接收分集方法。其中，存储器包括但不限于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器、易失性存储器、非易失性存储器等，处理器包括但不限于CPLD、FPGA、DSP、ARM、MIPS处理器等。

上述实施例中未详细阐述的部分是本领域技术人员的公知常识。属于同一构思的发明创造的实施例中没有详述的细节可参考其他实施例。

Claims (9)

1.一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法，其特征在于，包括：

从预设的接收码字集合中采用不同的接收码字作为接收波束接收发射端发送的训练符号，并选出接收能量最大的接收码字；

根据能量最大化原则从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出若干个接收码字作为可用接收码字，并对可用接收码字进行相位补偿后与接收能量最大的接收码字进行相加；

对相加形成的权值向量进行归一化形成最终的归一化接收波束用于接收信号。

2.根据权利要求1所述的一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法，其特征在于，选择可用接收码字的方法为：以接收能量最大的接收码字为初始权值向量c，从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字组成的候选接收码字集合中选出相位补偿后和权值向量c相加形成权值向量的归一化接收能量与权值向量c的归一化接收能量的比值最大且大于1的候选接收码字作为可用接收码字并进行相位补偿后叠加到权值向量c，直至没有候选接收码字，或所选出的接收码字相位补偿后和权值向量c相加形成权值向量的归一化接收能量与权值向量c的归一化接收能量的比值不大于1。

3.根据权利要求1所述的一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法，其特征在于，还包括：设置一个能量比值初选准则，从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出满足能量比值初选准则的接收码字作为候选接收码字集合；所述可用接收码字从所述候选接收码字集合中挑选。

4.根据权利要求3所述的一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法，其特征在于，能量比值初选准则为：选择接收能量与最大接收能量的比值大于接收码字经初选相位补偿后与接收能量最大的接收码字相加的范数减1的平方对应的接收码字作为可用接收码字的候选接收码字。

5.根据权利要求4所述的一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法，其特征在于，能量比值初选准则中初选相位补偿角为π减去接收能量最大的接收码字共轭转置乘所选接收码字后的相位角。

6.根据权利要求2所述的一种利用空间稀疏特性的波束接收分集方法，其特征在于，接收码字的相位补偿角以使得候选接收码字相位补偿后和权值向量c相加形成权值向量的归一化能量最大为目标计算获得。

7.一种利用空间稀疏特性的波束接收分集装置，其特征在于，包括：

接收能量最大码字选取模块，用于从预设的接收码字集合中采用不同的接收码字作为接收波束接收发射端发送的训练符号，并选出接收能量最大的接收码字；

可用码字选取模块，用于根据能量最大化原则从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出若干个接收码字作为可用接收码字，并对可用接收码字进行相位补偿后与接收能量最大的接收码字进行相加；

以及，接收波束形成模块，用于对相加形成的权值向量进行归一化形成最终的归一化接收波束用于接收信号。

8.根据权利要求7所述的一种利用空间稀疏特性的波束接收分集装置，其特征在于，还包括：候选码字选取模块，用于设置一个能量比值初选准则，从除接收能量最大的接收码字以外的接收码字中选出满足能量比值初选准则的接收码字作为候选接收码字集合；所述可用接收码字从所述候选接收码字集合中挑选。

9.一种利用空间稀疏特性的波束接收分集装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有多条指令，所述指令被加载至处理器时执行根据权利要求1-5任一项所述的波束接收分集方法。