CN113994600A - 分层码本的设计和适配 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于将用于支持超过第4代(4G)系统的数据传输速率的数据传输速率的第5代(5G)通信系统与物联网(IoT)相结合的通信方法和系统。本公开可以基于5G通信技术和IoT相关的技术，应用于智能服务，诸如智能家居、智能建筑、智能城市、智能汽车、互联汽车、医疗保健、数字教育、智能零售、安保和安全服务。电子设备包括存储器和处理器，其中，处理器被配置为：确定用于分层码本中的码字的使用概率，基于使用概率来改变分层码本的结构，使得与具有相对更高的使用概率的码字相关联的节点比与具有相对更低的使用概率的码字相关联的节点更接近于根节点，以及从分层码本选择用于在无线通信中使用的码字。

Description

分层码本的设计和适配
技术领域
本公开涉及提供用于支持超过诸如长期演进(LTE)的第4代(4G)通信系统的更高数据速率的准5代(5G)或5G通信系统。具体地，本公开的各方面涉及设计和适配分层码本。
背景技术
为了满足自部署4G通信系统以来增加的无线数据流量的需求，已经努力开发改进的5G或准5G(pre-5G)通信系统。因此，5G或准5G通信系统也称为“超4G(Beyond 4G)网络”或“后LTE系统”。5G通信系统被认为是在更高频率(毫米波(mmWave))的频段(例如，60GHz频段)下实施的，以便实现更高的数据速率。为了降低无线电波的传播损耗并增加传输距离，在5G通信系统中讨论了波束成形、大规模多输入多输出(MIMO)、全维度MIMO(FD-MIMO)、阵列天线、模拟波束成形、大规模天线技术。此外，在5G通信系统中，基于先进小小区、云无线电接入网络(RAN)、超高密度网络、设备到设备(D2D，device-to-device)通信、无线回程、移动网络、协同通信、协同多点(CoMP)、接收端干扰消除等，系统网络改进的开发正在进行中。在5G系统中，已经开发出作为高级编码调制(ACM)的混合FSK和QAM调制(FQAM)和滑动窗口叠加编码(SWSC)、以及作为高级接入技术的滤波器组多载波(FBMC)、非正交多址(NOMA)和稀疏码多址(SCMA)。
互联网作为人类在其中生成和消费信息的以人为中心的连接网络，现在正在演变为物联网(IoT)，在IoT中，分布式实体(诸如事物)无需人工干预即可交换和处理信息。万物互联(IoE)作为IoT技术和大数据处理技术通过与云服务器进行连接的组合，也应运而生。随着IoT实施需要诸如“传感技术”、“有线/无线通信和网络基础设施”、“服务接口技术”和“安全技术”的技术要素，最近已经研究了传感器网络、机器到机器(M2M，machine-to-machine)通信、机器类型通信(MTC)等。这样的IoT环境可以提供智能互联网技术服务，通过收集和分析互联事物之间生成的数据，为人类生活创造新的价值。可以通过现有信息技术(IT，information technology)和各种工业应用之间的融合和组合，将IoT应用于包括智能家居、智能建筑、智慧城市、智能汽车或互联汽车、智能电网、医疗保健、智能家电和先进医疗服务在内的各个领域。
与此相一致，已经进行了将5G通信系统应用于IoT网络的各种尝试。例如，诸如传感器网络、机器类型通信(MTC)和机器到机器(M2M)通信的技术可以通过波束成型、MIMO和阵列天线来实现。将云无线电接入网络(RAN)作为上述大数据处理技术进行应用也可以视为5G技术和IoT技术之间进行融合的示例。
为了满足自部署4G通信系统以来增加的无线数据服务的需求，已经努力开发改进的5G或准5G通信系统。因此，5G或准5G通信系统也称为“超4G网络”或“后LTE系统”。与4G通信系统相比，5G通信系统可以在更高频率(毫米波)的频段(例如，60GHz频段)下实施，以提供更高的数据速率。为了降低无线电波的传播损耗并增加传输距离，在5G通信系统中考虑了波束成形、大规模多输入多输出(MIMO)、全维度MIMO(FD-MIMO)、阵列天线、模拟波束成形和大规模天线技术。此外，在5G通信系统中，基于先进小小区、云无线电接入网络(RAN)、超高密度网络、设备到设备(D2D)通信、无线回程、移动网络、协同通信、协同多点(CoMP)、接收端干扰消除等，系统网络改进的开发正在进行中。在5G系统中，已经开发出作为高级编码调制(ACM)的混合FSK和QAM调制(FQAM)以及滑动窗口叠加编码(SWSC)、以及作为高级接入技术的滤波器组多载波(FBMC)、非正交多址接入(NOMA)和稀疏码多址接入(SCMA)。
5G通信系统被认为是在更高频率(毫米波)的频段(例如，60GHz频段)下实施的，以便实现更高的数据速率。为了降低无线电波的传播损耗并增加传输距离，在5G通信系统中讨论了波束成形、大规模多输入多输出(MIMO)、全维度MIMO(FD-MIMO)、阵列天线、模拟波束成形和大规模天线技术。
此外，在5G通信系统中，基于先进小小区、云无线电接入网络(RAN)、超高密度网络、设备到设备(D2D)通信、无线回程、移动网络、协同通信、协同多点(CoMP)、接收端干扰消除等，系统网络改进的开发正在进行中。
发明内容
技术问题
在5G或其他无线系统中，毫米波是可以在其上实现高吞吐量的主要频段。在毫米波频段上的传播比在6GHz以下频段中的传播遭受更大的路径损耗。为了补偿增加的路径损耗，可以同时激活多个天线元件(antenna element)，以形成具有高增益的窄波束。然而，窄波束宽度会导致用于将波束方向对准最优信号传输/接收方向的开销。
问题的解决方案
本公开的实施例包括一种用于适配分层码本的电子设备、方法和计算机可读介质。一个实施例涉及电子设备(诸如用户设备(UE，user equipment)或基站(BS))，其中，电子设备包括配置为存储分层码本的存储器和可操作地连接到存储器的处理器。处理器被配置为确定用于分层码本中的码字的使用概率。码字由基于层标识符来分配给分层码本的多个层之一的节点表示。处理器还被配置为基于使用概率来改变分层码本的结构，使得与具有相对更高的使用概率的码字相关联的节点比与具有相对更低的使用概率的码字相关联的节点更接近于根节点，并且从分层码本选择用于在无线通信中使用的码字，其中，该码字是通过对分层码本的改变的结构执行的码字选择过程来选择的。
另一实施例涉及一种包括确定用于分层码本中的码字的使用概率的步骤的方法。码字由基于层标识符而分配给分层码本的多个层之一的节点表示。该方法还包括基于使用概率来改变分层码本的结构，使得与具有相对更高的使用概率的码字相关联的节点比与具有相对更低的使用概率的码字相关联的节点更接近于根节点。该方法还包括从分层码本选择用于在无线通信中使用的码字。该码字是通过对分层码本的改变的结构执行的码字选择过程来选择的。
又一实施例涉及存储指令的非暂时性计算机可读介质，其中，当指令由电子设备的处理器执行时，使电子设备确定用于分层码本中的码字的使用概率。码字由基于层标识符而分配给分层码本的多个层之一的节点表示。当执行时，指令还使电子设备基于使用概率来改变分层码本的结构，使得与具有相对更高的使用概率的码字相关联的节点比与具有相对更低的使用概率的码字相关联的节点更接近于根节点，并且从分层码本选择用于在无线通信中使用的码字。该码字是通过对分层码本的改变的结构执行的码字选择过程来选择的。
本领域技术人员可以从下面的附图、描述和权利要求中容易地看出其他技术特征。
有益效果
本公开的新颖方面认识到分层码本可以应用于促进快速波束对准，即，首先用宽波束传输或接收，然后用中宽波束传输或接收，然后用窄波束传输或接收，等等。要注意的是，本公开还可以应用于应用了波束成形的其他无线系统，诸如太赫兹(THz)系统和6GHz以下的大规模MIMO系统。
此外，本公开的新颖方面呈现了一种能够针对包括宽波束设计在内的各种需求来设计波束码字的通用方法。本公开的新颖方面还呈现了一种生成由多于一个波束组成的波束码本以及生成分层码本的方法。最后，本公开的新颖方面还提供了一种基于使用模式来适配分层码本的方法。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在结合附图参考下面的描述，其中：
图1示出根据本公开的各种实施例的示例性联网计算系统；
图2示出根据本公开的各种实施例的联网计算系统中的示例性基站(BS)；
图3示出根据本公开的各种实施例的联网计算系统中的示例性用户设备(UE)；
图4示出根据本公开的各种实施例的示例性联网计算设备；
图5示出根据本公开的各种实施例的混合波束成形架构；
图6示出根据本公开的各种实施例的用于采用单次初始化来设计波束码字的流程图；
图7示出根据本公开的各种实施例的用于采用多次不同初始化来设计波束码字的流程图；
图8示出根据本公开的各种实施例的用于波束生成的示例性功能框图；
图9示出根据本公开的各种实施例的用于调整应用函数(utility function)以设计符合或接近于设计要求的波束的流程图；
图10示出根据本公开的各种实施例的用于波束生成的示例性功能框图；
图11示出根据本公开的各种实施例的用于波束码本生成的示例性功能框图；
图12示出根据本公开的各种实施例的关于用于对选择的波束进行波束分支的过程的流程图；
图13示出根据本公开的各种实施例的用于波束合并的流程图；
图14示出根据本公开的各种实施例的用于生成超级码本的流程图；
图15A和图15B示出根据本公开的各种实施例的有规则分层码本；
图16A、图16B和图16C示出根据本公开的各种实施例的不规则分层码本；
图17示出根据本公开的各种实施例的具有二叉树结构的不规则分层码本；
图18示出根据本公开的各种实施例的用于采用自顶向下方法来设计分层码本的流程图；
图19示出根据本公开的各种实施例的关于用于设计不规则分层码本的自顶向下方法的流程图；
图20示出根据本公开的各种实施例的采用自顶向下方法生成的不规则分层码本；
图21示出根据本公开的各种实施例的用于确定叶波束(leaf beam)的数量的流程图；
图22示出根据本公开的各种实施例的用于生成具有指定的码本大小的分层码本的过程的流程图；
图23示出根据本公开的各种实施例的用于从第i+1层码本生成第i层码本的流程图；
图24示出根据本公开的各种实施例的用于采用二叉树结构来生成分层码本的流程图；
图25示出根据本公开的各种实施例的具有二叉树结构的分层码本；
图26示出根据本公开的各种实施例的用于分层码本的波束搜索过程；
图27示出根据本公开的各种实施例的用于适配分层码本的流程图；
图28示出根据本公开的各种实施例的具有不完整分层结构的父波束和子波束之间的关系；
图29示出根据本公开的各种实施例的用于使用波束扩展来扩展用于给定的宽波束的子波束集合的流程图；
图30示出根据本公开的各种实施例的用于部分地扩展子波束集合的流程图；
图31示出根据各种实施例的用于修剪(pruning)用于给定的宽波束的子波束集合的流程图；以及
图32示出根据本公开的各种实施例的用于适配分层码本的另一流程图。
具体实施方式
在下面进行详细描述之前，阐述本专利文档之中使用的某些词语和短语的定义可能是有利的。术语“耦合”及其衍生词是指两个或更多个元件之间的任何直接或间接通信，无论这些元件是否彼此之间存在物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其衍生词包括直接通信和间接通信两者。术语“包括(include)”和“包括(comprise)”及其衍生词意为包括但不限于。术语“或”是包容性的，意为和/或。短语“与其相关联”及其衍生词意为包括、被其包括在内、与其互连、包含、被其包含在内，连接到其或与其连接、耦合到其或与其耦合、可与其通信、与其协作、交错、并列、接近于、绑定到其或与其绑定、具有、具有其属性、具有与其的关系或与其具有关系等。术语“控制器”意为控制至少一个操作的任何设备、系统或其部分。这样的控制器可以用硬件或硬件和软件和/或固件的组合来实现。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式或分布式的，无论是本地还是远程的。短语“其中的至少一个”在与项目的列表一起使用时，意为可以使用列出的项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B和C中的至少一个”包括下面的组合中的任何一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C以及A和B和C。同样，术语“集合”意为一个或多个。因此，项目的集合可以是单个项目或者两个或更多个项目的集合。
此外，下面描述的各种功能可以由一个或多个计算机程序实现或支持，其中，每个计算机程序由计算机可读程序代码形成并被包含在计算机可读介质中。术语“应用”和“程序”是指适于在适当的计算机可读程序代码中实现的一个或多个计算机程序、软件组件、指令集、过程、函数、对象、类、实例、相关数据或其部分。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够由计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器。“非暂时性”计算机可读介质不包括传送暂时性电信号或其他信号的有线、无线、光学或其他通信链路。非暂时性计算机可读介质包括可以永久存储数据的介质和可以存储并稍后重写数据的介质，诸如可重写光盘或可擦除存储器设备。
如本文所使用的，术语“模块”可以包括用硬件、软件或固件实现的单元，并且可以与其他术语(例如，“逻辑”、“逻辑块”、“部分”或“电路”)互换使用。模块可以是适于执行一个或多个功能的单个整体组件或者其最小单元或部分。例如，根据实施例，模块可以用专用集成电路(ASIC)的形式来实现。
在本专利文档之中提供了对其他特定词语和短语的定义。本领域普通技术人员应当理解，在许多情况下(如果不是大多数情况下)，这样的定义适用于在先前以及未来使用这样定义的词语和短语。
本文包括的附图和用于描述本公开的原理的各种实施例仅用于说明，并且不应以任何方式被解释为限制本公开的范围。此外，本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的无线通信系统中实现。
下面的文档在此通过引用并入本公开中，如同在本文完全阐述一样：第16/224,531号的“用于5G终端的波束码本生成方法”的美国专利申请，在下文中称为“参考文献1”；R.Swinbank和R.J.Purser的“斐波那契网格：一种新的全球建模方法”(于2006年发布于皇家气象学会季刊(Royal Meteorological Society)，第132卷，第619号，第1769-1793页)，在下文中称为“参考文献2”；以及，Z.Xiao、P.Xia和X.Xia的“用于采用混合预编码结构进行毫米波信道估计的码本设计”(于2017年1月发布于IEEE Transactions on WirelessCommunications，第16卷，第1期，第141-153页)，在下文中称为“参考文献3”。
在5G或其他无线系统中，毫米波是可以在其上实现高吞吐量的主要频段。在毫米波频段上的传播比在6GHz以下频段中的传播遭受更大的路径损耗。为了补偿增加的路径损耗，可以同时激活多个天线元件，以形成具有高增益的窄波束。然而，窄波束宽度会导致用于将波束方向对准最优信号传输/接收方向的开销。
本公开的新颖方面认识到分层码本可以应用于促进快速波束对准，即，首先用宽波束传输或接收，然后用中宽波束传输或接收，然后用窄波束传输或接收，等等。要注意的是，本公开还可以应用于应用了波束成形的其他无线系统，诸如太赫兹(THz)系统和6GHz以下的大规模MIMO系统。
此外，本公开的新颖方面呈现了一种能够针对包括宽波束设计在内的各种需求来设计波束码字的通用方法。本公开的新颖方面还呈现了一种生成由多于一个波束组成的波束码本以及生成分层码本的方法。最后，本公开的新颖方面还提供了一种基于使用模式来适配分层码本的方法。
图1示出根据本公开的各种实施例的示例性联网计算系统。所描述的实施例仅用于说明，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下使用其他实施例。
在图1中，无线网络100包括gNodeB(gNB)101、gNB 102和gNB 103。gNB 101与gNB102和gNB 103通信。gNB 101还与至少一个互联网协议(IP)网络130(诸如互联网、专有IP网络或其他数据网络)通信。
gNB 102为gNB 102的覆盖区域120内的第一多个用户设备(UE)提供与网络130的无线宽带接入。第一多个UE包括：UE 111，可以位于小企业(SB)中；UE 112，可以位于企业(E)中；UE 113，可以位于WiFi热点(HS)中；UE 114，可以位于第一住宅(R)中；UE 115，可以位于第二住宅(R)中；以及UE 116，可以是诸如蜂窝电话、无线膝上型计算机、无线PDA等的移动设备(M)。gNB 103为gNB 103的覆盖区域125内的第二多个UE提供与网络130的无线宽带接入。第二多个UE包括UE 115和UE 116。
取决于网络类型，术语‘基站’可以指配置为提供对网络的无线接入的任何组件(或组件的集合)，诸如传输点(TP)、传输接收点(TRP)、gNB、宏小区、毫微微小区、WiFi接入点(AP)或其他启用无线的设备。基站可以根据一个或多个无线通信协议来提供无线接入，其中，无线通信协议是例如5G 3GPP新无线电接口/接入(NR)、长期演进(LTE)、LTE先进(LTE-A)、高速分组接入(HSPA)、Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac等。此外，取决于网络类型，可以使用其他公知术语来代替“用户设备”或“UE”，其中，其他公知术语是例如“移动台”、“订户台”、“远程终端”、“无线终端”或“用户装置(user device)”。为了方便起见，在本专利文档中使用术语“用户设备”和“UE”来指代无线接入gNB的远程无线装备，无论UE是移动设备(诸如移动电话或智能手机)还是通常被认为是固定设备(诸如台式计算机或自动售货机)。
虚线表示覆盖区域120和覆盖区域125的大概范围，其中，该范围被表示为近似圆形，仅用于说明和解释的目的。应当清楚地理解，取决于gNB的配置以及与自然和人为障碍物相关联的无线电环境中的变化，与gNB相关联的覆盖区域(诸如覆盖区域120和覆盖区域125)可以具有其他形状，包括不规则形状。
在一些实施例中，网络130促进至少一个服务器134和诸如客户端设备136的各种客户端设备之间的通信。服务器134包括可以提供用于一个或多个客户端设备的计算服务的任何合适的计算或处理设备。例如，服务器134可以包括一个或多个处理设备、存储指令和数据的一个或多个存储器、以及促进在网络130上的通信的一个或多个网络接口。
客户端设备136表示在网络130上与至少一个服务器或其他计算设备交互的任何合适的计算或处理设备。在该示例中，客户端设备被表示为台式计算机，但是客户端设备的其他非限制性示例可以包括移动电话、膝上型计算机或平板计算机。然而，可以在计算系统100中使用任何其他或附加的客户端设备。
在该示例中，客户端设备可以与网络130间接通信。例如，一些客户端设备可以经由一个或多个基站(诸如蜂窝基站或eNodeB)来通信。此外，客户端设备可以经由一个或多个无线接入点(未示出)(诸如IEEE 802.11无线接入点)来通信。要注意的是，这些仅用于说明，并且每个客户端设备可以与网络130直接通信或经由任何合适的中间设备或网络来与网络130间接通信。
如下面更详细描述的，无线网络100可以是5G通信系统，其中，UE和/或BS可以适配分层码本，以用于彼此之间的无线通信。此外，无线网络100可以使计算设备(诸如服务器134)能够设计分层码本并向电子设备(诸如UE 116和BS 101)传播分层码本，以用于无线通信。
尽管图1示出无线网络100的一个示例，但是可以对图1进行各种改变。例如，无线网络100可以将任何数量的gNB和任何数量的UE包括在任何适当的布置中。此外，gNB 101可以与任何数量的UE直接通信，并且向这些UE提供对网络130的无线宽带接入。类似地，每个gNB 102-103可以与网络130直接通信，并且向UE提供对网络130的直接无线宽带接入。此外，gNB101、gNB 102和/或gNB 103可以提供对其他或附加的外部网络(诸如外部电话网络或其他类型的数据网络)的接入。
图2示出根据本公开的各种实施例的示例性基站(BS)。图2中示出的gNB 102的实施例仅用于说明，并且图1的gNB 101和gNB 103可以具有相同或相似的配置。然而，gNB具有各种配置，并且图2没有将本公开的范围限制于gNB的任何特定实现。
如图2所示，gNB 102包括多个天线280a-280n、多个RF收发器282a-282n、传输(TX)处理电路284和接收(RX)处理电路286。gNB 102还包括控制器/处理器288、存储器290和回程或网络接口292。
RF收发器282a-282n从天线280a-280n接收传入的RF信号，诸如由网络100中的UE传输的信号。RF收发器282a-282n下变频传入的RF信号，以生成IF或基带信号。IF或基带信号被发送到RX处理电路286，其中，RX处理电路286通过滤波、解码和/或数字化基带或IF信号，生成处理后的基带信号。RX处理电路286向控制器/处理器288传输处理后的基带信号，以供进一步处理。
TX处理电路284从控制器/处理器288接收模拟或数字数据(诸如语音数据、网络数据、电子邮件或交互式视频游戏数据)。TX处理电路284编码、复用和/或数字化传出的基带数据，以生成处理后的基带或IF信号。RF收发器282a-282n从TX处理电路284接收传出的处理的基带或IF信号，并且将基带或IF信号上变频为经由天线280a-280n传输的RF信号。
控制器/处理器288可以包括控制gNB 102的整体操作的一个或多个处理器或其他处理设备。例如，控制器/处理器288可以根据公知原理，控制由RF收发器282a-282n、RX处理电路286和TX处理电路284进行的前向信道信号接收和反向信道信号传输。控制器/处理器288还可以支持附加功能，诸如更高级的无线通信功能。例如，控制器/处理器288可以支持波束成形或定向路由(routing)操作，其中，来自多个天线280a-280n的传出信号被不同地加权，以有效地将传出信号引导至期望的方向。在gNB 102中可以由控制器/处理器288支持多种其他功能中的任何功能。在一些实施例中，控制器/处理器288包括至少一个微处理器或微控制器。
控制器/处理器288还能够执行驻留在存储器290中的程序和其他过程，诸如基本的OS。控制器/处理器288可以根据执行过程的需要，将数据移入或移出存储器290。
控制器/处理器288还耦合到回程或网络接口292。回程或网络接口292允许gNB102在回程连接上或在网络上与其他设备或系统通信。接口292可以支持在任何合适的有线或无线连接上进行的通信。例如，当gNB 102被实现为蜂窝通信系统(诸如支持5G、LTE或LTE-A的蜂窝通信系统)的部分时，接口292可以允许gNB 102在有线或无线回程连接上与其他gNB通信。当gNB 102被实现为接入点时，接口292可以允许gNB 102在有线或无线局域网上或在有线或无线连接上与更大的网络(诸如互联网)通信。接口292包括支持在有线或无线连接上进行的通信的任何合适的结构，诸如以太网或RF收发器。
存储器290耦合到控制器/处理器288。存储器290的部分可以包括RAM，并且存储器290的另一部分可以包括快闪存储器或其他ROM。
如下面更详细描述的，BS 102可以接收由联网计算设备(诸如服务器134)生成的分层码本，以供在联网通信系统100上进行的通信中使用。此外，BS102可以基于随时间更新的使用模式，适配分层码本。适配的分层码本减少对适配的分层码本执行波束搜索过程所需的时间。
尽管图2示出gNB 102的一个示例，但是可以对图2进行各种改变。例如中，gNB 102可以包括任何数量的图2中所示的每个组件。作为特定示例，接入点可以包括多个接口292，并且控制器/处理器288可以支持路由功能，以在不同的网络地址之间对数据进行路由。作为另一特定示例，虽然被示出为包括TX处理电路284的单个实例和RX处理电路286的单个实例，但是gNB 102可以包括(TX处理电路284和RX处理电路286中的)每一个的多个实例(诸如每个RF收发器一个实例)。此外，图2中的各种组件可以被组合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要，添加附加组件。
图3示出根据本公开的各种实施例的示例性用户设备(UE)。图3中示出的UE 116的实施例仅用于说明，并且图1的UE 111-115可以具有相同或相似的配置。然而，UE具有各种配置，并且图3没有将本公开的范围限制于UE的任何特定实现。
如图3所示，UE 116包括天线305、射频(RF)收发器310、传输(TX)处理电路315、麦克风320和接收(RX)处理电路325。UE 116还包括扬声器330、主处理器340、输入/输出(I/O)接口(IF，interface)345、小键盘350、显示器355和存储器360。存储器360包括基本的操作系统(OS)程序361和一个或多个应用362。
RF收发器310从天线305接收由网络100的gNB传输的传入的RF信号。RF收发器310下变频传入的RF信号，以生成中频(IF，intermediate frequency)或基带信号。IF或基带信号被发送到RX处理电路325，其中，RX处理电路325通过滤波、解码和/或数字化基带或IF信号，生成处理后的基带信号。RX处理电路325向扬声器330传输处理后的基带信号(诸如用于语音数据)或向主处理器340传输处理后的基带信号，以供进一步处理(诸如用于网络浏览数据)。
TX处理电路315从麦克风320接收模拟或数字语音数据，或从主处理器340接收其他传出的基带数据(诸如网络数据、电子邮件或交互式视频游戏数据)。TX处理电路315编码、复用和/或数字化传出的基带数据，以生成处理后的基带或IF信号。RF收发器310从TX处理电路315接收传出的处理后的基带或IF信号，并且将基带或IF信号上变频为经由天线305传输的RF信号。
主处理器340可以包括一个或多个处理器或其他处理设备，并且执行存储在存储器360中的基本的OS程序361，以便控制UE 116的整体操作。例如，主处理器340可以根据公知原理，控制由RF收发器310、RX处理电路325和TX处理电路315进行的前向信道信号接收和反向信道信号传输。在一些实施例中，主处理器340包括至少一个微处理器或微控制器。
主处理器340还能够执行驻留在存储器360中的其他过程和程序。主处理器340可以根据执行过程的需要，将数据移入或移出存储器360。在一些实施例中，主处理器340被配置为基于OS程序361或响应于从gNB或运营商(operator)接收的信号来执行应用362。主处理器340还耦合到I/O接口345，其中，I/O接口345向UE 116提供连接到其他设备(诸如膝上型计算机和手持式计算机)的能力。I/O接口345是这些附件和主处理器340之间的通信路径。
主处理器340还耦合到小键盘350和显示单元355。UE 116的操作者(operator)可以使用小键盘350将数据输入到UE 116中。显示器355可以是液晶显示器或能够渲染诸如来自网站的文本和/或至少有限的图形的其他显示器。
存储器360耦合到主处理器340。存储器360的部分可以包括随机读取存储器(RAM)，并且存储器360的另一部分可以包括快闪存储器或其他只读存储器(ROM)。
如下面更详细描述的，UE 116可以接收由联网计算设备(诸如服务器134)生成的分层码本，以供在联网通信系统100上进行的通信中使用。此外，UE116可以基于随时间更新的使用模式，适配分层码本。适配的分层码本减少对适配的分层码本执行波束搜索过程所需的时间。
尽管图3示出UE 116的一个示例，但是可以对图3进行各种改变。例如，图3中的各种组件可以被组合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要，添加附加组件。作为特定示例，主处理器340可以被划分为多个处理器，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)。此外，尽管图3示出了配置为移动电话或智能手机的UE 116，但是UE可以被配置为作为其他类型的移动或固定设备来操作。
图4示出根据本公开的各种实施例的示例性联网计算设备。在一个实施例中，联网计算设备400是服务器，诸如图1中的服务器134。
如图4所示，计算设备400包括总线系统405，其中，总线系统405支持至少一个处理设备410、至少一个存储设备415、至少一个通信单元420和至少一个输入/输出(I/O)单元425之间的通信。
处理设备410执行可以加载到存储器430中的指令。处理设备410可以在任何适当的布置中包括任何适当的数量和类型的处理器或其他设备。示例类型的处理设备410包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路和分立电路(discrete circuitry)。
存储器430和永久存储435是存储设备415的示例，其中，该示例表示能够存储和促进检索信息(诸如临时或永久的数据、程序代码和/或其他合适的信息)的任何结构。存储器430可以表示随机存取存储器或任何其他合适的易失性或非易失性存储设备。永久存储435可以包含支持长期存储数据的一个或多个组件或设备，诸如只读存储器、硬盘驱动器、快闪存储器或光盘。
通信单元420支持与其他系统或设备的通信。例如，通信单元420可以包括促进在网络130上进行的通信的网络接口卡或无线收发器。通信单元420可以支持通过任何合适的物理或无线通信链路的通信。
I/O单元425允许数据的输入和输出。例如，I/O单元425可以通过键盘、鼠标、小键盘、触摸屏或其他合适的输入设备，提供用于用户输入的连接。I/O单元425还可以将输出发送到显示器、打印机或其他合适的输出设备。
要注意的是，虽然图4被描述为表示图1的服务器134，但是相同或相似的结构可以用于一个或多个客户端设备。例如，客户端设备136可以具有如图4所示的相同或相似的结构。
如下面更详细描述的，计算设备(诸如图4中的服务器134)可以用于设计和传播分层码本，以供电子设备(诸如UE 116和/或BS 101)使用用于在网络100上通信。
图5示出根据本公开的各种实施例的混合波束成形架构。混合波束成形架构500可以在电子设备(诸如图2中的BS 102或图3中的UE 116)中实现。
对于毫米波频段而言，对于给定的外形，天线元件的数量可以很大。然而，如图5所示，由于硬件限制(诸如在毫米波频率下安装大量ADC/DAC的可行性)，数字链的数量受到限制。在这种情况下，一个数字链映射到大量天线元件上，其中，天线元件可以由一组(a bankof)模拟移相器控制。然后，一个数字链可以与一个子阵列相对应，其中，该子阵列通过模拟波束成形来产生窄模拟波束。该模拟波束可以被配置为通过在传输时间间隔之内改变移相器组，而扫过更宽的角度度范围。如图5所示的混合波束成形架构可以应用于基站和UE。
gNB可以利用一个或多个传输波束来覆盖一个小区的整个面积。gNB可以通过将适当的增益和相位设置应用于天线阵列，形成传输波束。传输增益(即，由传输波束提供的传输信号的功率的放大)通常与由波束覆盖的宽度或面积成反比。在较低的载波频率下，越良性的传播损耗可以使得gNB可能采用单个传输波束提供覆盖，即，通过使用单个传输波束来确保在覆盖区域内的所有UE位置处存在足够的接收信号质量。换句话说，在较低的传输信号载波频率下，由具有足够大到覆盖该面积的宽度的传输波束提供的传输功率放大可能足以克服传播损耗，以确保在覆盖区域内的所有UE位置处存在足够的接收信号质量。然而，在较高的信号载波频率下，与相同的覆盖区域相对应的传输波束功率放大可能不足以克服较高的传播损耗，从而导致在覆盖区域内的UE位置处的接收信号质量下降。为了克服这样的接收信号质量下降，gNB可以形成多个传输波束，其中，每个传输波束在比整个覆盖区域更窄的区域上提供覆盖，但是提供足够克服由于使用较高的传输信号载波频率而导致的较高的信号传播损耗的传输功率放大。UE还可以形成接收波束，以增加接收器处的信干噪比(SINR)。同样，在上行链路中，UE可以形成传输波束，并且gNB可以形成接收波束。
为了帮助UE确定其RX波束和/或TX波束，采用波束扫描过程，其中，波束扫描过程包括gNB传输一组传输波束以扫描小区区域，并且UE使用其接收波束来对不同波束测量信号质量。为了促进候选波束标识、波束测量和波束质量报告，gNB为UE配置与一组TX波束相对应的一个或多个RS资源(例如，SS块、周期性/非周期性/半持久性的CSI-RS资源或CRI)。RS资源是指在一个或多个时间(OFDM符号)域位置/频率(资源元素)域位置/空间(天线端口)域位置的组合上的参考信号传输。对于每个RX波束，UE报告使用该RX波束接收的不同的TX波束，其中，TX波束按照信号强度(RSRP)和可选的CSI(CQI/PMI/RI)的顺序来排序。基于UE的测量报告反馈，gNB为UE配置用于接收PDCCH和/或PDSCH的TX-RX波束对的集合。
如本文所使用的，术语“波束”、“波束码字”和“波束成形权重”可以互换使用。此外，粗体大写字母(例如，A)和粗体小写字母(例如，a)分别表示矩阵和列向量。(·)c,(·)T,(·)H分别表示共轭算子(operator)、转置算子和厄米算子。[A]i,:和[A]:,j分别代表矩阵A的第i行和第j列。
通用波束设计方法
将在第i个方向上的响应矩阵表示为Mi，并且将在方向(θ,φ)上的响应矩阵表示为M(θ,φ)。对于模拟或测量的电场(E-field)数据，在参考文献1中给出了生成矩阵的方法。对于通过导向矢量生成的电场数据，对于给定方向的M矩阵可以被定义为：
M(θ,φ)＝e(θ,φ)ce(θ,φ)T,
其中，ac,aT分别代表向量a的共轭和转置。
在具有天线元件模式f0(θ,φ)的阵列的方向
Figure BDA0003345715350000151
上的电场响应数据e(θ,φ)为：
Figure BDA0003345715350000152
其中，L是天线元件的数量，(xi,yi,zi)是第i个天线元件的坐标，λ是波长，并且c是考虑到辐射效率的常数。
波束w在第i个方向上的波束成形增益为wHMiw。由I给出关注的方向的集合。假设目标函数为如下所示的形式：
Figure BDA0003345715350000161
其中，fi(x)表示在第i个方向上的应用函数。关于fi(x)的几个注记如下所示。
首先，函数fi(x)是根据要求来设计的。如稍后所示，如果目标是设计宽波束，则fi(x)可以是非递减凹函数。如果目标是最大化平均数据速率，则fi(x)可以被设计为log2(1+γx)，其中，γ表示信道增益。
第二，对于每个i∈I，fi(x)可以是不同的。例如，如果不同方向具有不同的优先级，则fi(x)可以被设计为aix，其中，较大的ai意为对于第i个方向的高优先级。
第三，f(x)可以是可微的，或者可以是不可微的。对于不可微的凹函数f(x)，f′(x)代表f(x)的次梯度，即，如果f(x)是凹的，则f(x)≤f(x0)+f′(x0)(x-x0)，而如果f(x)是凸的，则f(x)≥f(x0)+f′(x0)(x-x0)。
第四，采用相同的正因数来缩放应用函数fi(x)不改变宽波束解，因为对于任何c>0，
Figure BDA0003345715350000162
并且
Figure BDA0003345715350000163
代表可能的波束码字的集合。
接下来，表示了一种计算波束的方法，以在几种不同的对波束的限制下最大化目标函数∑i∈Ifi(wHMiw)，其中，对波束的限制包括总功率限制、每单元功率限制和移相器分辨率限制。
考虑总功率限制的波束设计
如果功率限制针对总功率P，则优化问题为，
Figure BDA0003345715350000164
s.t.:wHw＝P
优化问题的拉格朗日(函数)为，
Figure BDA0003345715350000165
根据KKT条件，最优w应满足，
Figure BDA0003345715350000171
那么，w的固定解应满足等式：
Figure BDA0003345715350000172
那么，从w(n)计算w(n+1)的迭代方法为
Figure BDA0003345715350000173
连续相位单模波束设计
在第二种情况下，功率限制针对每个天线元件，即，
Figure BDA0003345715350000174
其中，L是w的长度。换句话说，w必须是单模波束码字。
在这种情况下的优化问题为，
Figure BDA0003345715350000175
Figure BDA0003345715350000176
优化问题的拉格朗日(函数)为，
Figure BDA0003345715350000177
根据KKT条件，最优w应满足，
Figure BDA0003345715350000178
因此，最优w满足，
Figure BDA0003345715350000179
那么，从w(n)计算w(n+1)的迭代方法为，
Figure BDA00033457153500001710
离散(Discrete)相位单模波束设计
在另一种情况下，除了每天线功率限制之外，移相器还具有限制的分辨率，例如，b比特。那么，优化问题如下所示。
Figure BDA00033457153500001711
Figure BDA0003345715350000181
Figure BDA0003345715350000182
那么，从w(n)计算w(n+1)的迭代方式则为，
Figure BDA0003345715350000183
其中，Qb(x)是将角度度从[0,2π)量化到
Figure BDA0003345715350000184
的函数。
该算法总结如下：
步骤1：根据对增益的要求，确定非递减凹函数。
步骤2：初始化w。w的相位可以是0和2π之间的随机数。
步骤3：根据对每天线功率和移相器分辨率的限制，可以通过下面的等式(1)或等式(2)或等式(3)，从w(n)计算出w(n+1)。在等式(1)中，所有元素在每次迭代中同时更新。在等式(2)和等式(3)中，仅更新波束的一个条目(entry)。该条目索引
Figure BDA0003345715350000185
可以从集合{1,2,…L}中随机或按顺序(即，
Figure BDA0003345715350000186
)选择。要注意的是，不排除计算w(n+1)的其他方式(例如，投影梯度算法、半定松弛)。
步骤4：检查算法的收敛性。例如，检查是否||w(n+1)-w(n)||≤∈。如果算法收敛，则停止并输出w(n+1)作为所需的波束。否则，返回到步骤3。
在下面的附图中描绘了用于单次初始化的波束设计方法的示例性流程图。
图6示出根据本公开的各种实施例的用于采用单次初始化来设计波束码字的流程图。流程图600的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图600开始于操作602，根据要求来选择应用函数f(x)。在操作604中，初始化波束成形权重w。在操作606中，基于当前波束成形权重，更新波束成形权重。此后，在操作608中，确定是否满足停止条件。如果没有满足停止条件，则流程图600返回到操作606。然而，如果满足停止条件，则流程图600从操作608前进到操作610，其中，在操作610中最终波束成形权重是输出的w。
在操作604中，可以采用多个不同的初始点。该算法采用不同的初始点多次运行，可以选择出最优的作为结果的波束码字。通过这样做，有较高的机会获得具有良好性能的波束。在下面的附图中给出了波束设计方法的示例流程图。
图7示出根据本公开的各种实施例的用于采用多次不同初始化来设计波束码字的流程图。流程图700的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图700开始于操作702，根据要求来选择应用函数f(x)。在操作704中，初始化波束成形权重w。在操作706中，基于当前波束成形权重，更新波束成形权重。此后，在操作708中，确定是否满足停止条件。如果没有满足停止条件，则流程图700返回到操作706。然而，如果满足停止条件，则流程图700从操作708前进到操作710，其中，在操作710中保存w并评估w的性能。在操作712中，确定是否生成足够数量的候选w。如果没有生成足够数量的候选w，则流程图700返回到操作704。然而，如果生成足够数量的候选w，则流程图700从操作712前进到操作714，其中，在操作714中从保存的波束中标识出具有最优性能的波束，并且输出标识出的波束作为最终波束。
图8示出根据本公开的各种实施例的用于波束生成的示例性功能框图。框图800可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
波束增益应用函数描述和选择802可以包括方向的优先级、信号方向的集合、干扰方向的集合等。波束增益应用函数描述和选择802是对波束更新模块804的输入。在一个实施例中，波束更新模块804被配置为设置初始波束并迭代地计算更新的波束。天线响应矩阵计算模块806将天线元件的EM数据808和覆盖要求810(即，表示为I的关注的方向(θ,φ)的集合，)作为输入，并且产生天线响应矩阵812(每个方向一个矩阵，Mi,i∈I)。应用函数和次梯度计算模块814将天线响应矩阵812(Mi,i∈I)和应用函数描述或选择802以及初始波束816(或在如图5所示的迭代过程中的更新的波束)作为输入，并且产生应用函数次梯度结果818。其还可以产生用于由波束更新模块804产生的最终波束822的最终应用函数结果820。最终波束822是根据应用函数和天线元件的EM数据来生成的。波束更新模块804取得天线响应矩阵812和应用函数次梯度结果818，并且产生更新的波束816。一旦波束更新模块804与应用函数和次梯度计算模块814之间的迭代过程收敛，波束更新模块804就输出生成的波束822。
要注意的是，并不是每个设计要求都可以用公式化表示为应用函数的总和。因此，应用函数被设计为在这些情况下接近于设计要求。如果生成的波束不符合设计要求，则可以调整应用函数的形式和参数，以生成更有可能符合要求的波束。应用函数的调整可以根据设计要求和从先前选择的应用函数获得的波束的性能来决定。执行调整的方式没有限制。在下面的图9中提供了波束设计方法的示例流程图。
图9示出根据本公开的各种实施例的用于调整应用函数以设计符合或接近于设计要求的波束的流程图。流程图900的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图900开始于操作902，根据设计要求来选择应用函数f(x)。在操作904中，将波束设计为最大化应用函数的总和。在操作906中，确定是否满足设计要求。如果满足设计要求，则流程图900前进到操作908，其中，在操作908中输出生成的波束。然而，如果在操作906中没有满足设计要求，则流程图900前进到操作910，其中，在操作910中，在返回到操作904之前调整应用函数的形式和参数。
图10示出根据本公开的各种实施例的用于波束生成的示例性功能框图1000。功能框图可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现，并且用于图8中描述的波束生成方法。
应用函数确定模块1002确定应用函数中的形式和参数。如果生成的波束不符合设计要求，则应用函数确定模块1002还会更新应用函数的形式和参数。天线响应矩阵计算模块1004将天线元件的EM数据1006和覆盖要求1008(即，表示为I的关注的方向(θ,φ)的集合)作为输入，并且产生天线响应矩阵1010(每个方向一个矩阵，Mi,i∈I)。应用函数和次梯度计算模块1012将天线响应矩阵1010(即，Mi,i∈I)和应用函数描述或选择1014以及初始波束1016(或在如图6所示的迭代过程中的更新的波束)作为输入，并且产生应用函数次梯度结果1018。应用函数和次梯度计算模块1012还可以产生用于由波束更新模块1024产生的最终波束1022的最终应用函数结果1020。波束更新模块1024获取天线响应矩阵1010和应用函数次梯度结果1018，并且产生更新的波束1016。一旦波束更新模块1024与应用函数和次梯度计算模块1012之间的迭代过程收敛，波束更新模块1024就将生成的波束1022输出到应用函数确定模块1002，其中，应用函数确定模块1002将检查生成的波束是否符合设计要求。如果生成的波束1022符合设计要求，则生成的波束1022将是最终波束。否则，应用函数确定模块1002将更新应用函数的形式和参数。
宽波束设计
通用波束设计方法的一个应用是生成宽波束，其中，在覆盖区域内的增益是大的(或足够大的)，并且在覆盖区域内的增益波动是小的。如果在覆盖区域之内直接最大化平均增益(即，
Figure BDA0003345715350000211
)，则生成的波束可以是窄波束，其中，窄波束仅在一些方向上提供非常高的增益，但是在其他方向上提供低的增益。因此，目标函数被设计为考虑到“公平性”限制，即，在两个竞争的关注点之间维持平衡：试图最大化平均增益，同时避免在所需的覆盖角度区域中的覆盖空洞(hole)/沉区(sink)或增益的大幅波动。
为了考虑到公平性限制，fi(x)必须是在0≤x≤C上定义的非递减凹函数，其中，C是波束成形增益的上限(或比最大可能的波束成形增益更大的足够大的数)。
在一个实施例中，fi(x)在宽波束设计算法中与i无关。应用函数f(x)的可能的选择包括但不限于下面的函数中的任何一个。
f(x)＝alog(x)，其中，a>0。特别的情况为f(x)＝ln x。
f(x)＝a1log(1+a2x)，其中，a1>0，a2>0。
f(x)＝a1xk+a2，其中，a1>0，0<k<1。特别的情况为
Figure BDA0003345715350000212
f(x)＝-a1x-k+a2，其中，a1>0，k>0。
f(x)＝1-aexp(-cx)，其中，a>0，c>0。
Figure BDA0003345715350000213
其中，a>0，b>0，c>0。
Figure BDA0003345715350000214
其中，C不小于最大可能的增益。
f(x)是具有非负斜率和递减斜率的分段线性函数，如下面所定义的：
Figure BDA0003345715350000215
其中，a1>a2>a3>…≥0，并且x1、x2、x3、…的值可以基于所需的波束成形增益来确定。具体的情况为：
Figure BDA0003345715350000216
其中，x1为维持链路的最小增益，并且0≤a<1表示当增益比最小增益更大时的应用函数的斜率。
在一个实施例中，fi(x)可以依赖于i。例如，
Figure BDA0003345715350000221
其中，λ(Mi)为电磁场响应矩阵Mi的最大特征值，并且P为最大波束成形功率。在第i个方向上的波束成形增益的上限为λ(Mi)P。通过将增益与上限归一化，最大化相对于上限的平均相对波束成形增益，而不是平均绝对波束成形增益。
凹应用函数的示例可以包括：
ln x，
log2(1+x)，
Figure BDA0003345715350000222
1-exp(-x)，
Figure BDA0003345715350000223
Figure BDA0003345715350000224
以及
Figure BDA0003345715350000225
lnx、log2(1+x)、
Figure BDA0003345715350000226
1-exp(-x)、
Figure BDA0003345715350000227
以及
Figure BDA0003345715350000228
中的每一个是区域[0,5]中的可微函数，而
Figure BDA0003345715350000229
是不可微的。为了确定最优函数和相关联的参数，可以应用试错法。一般来说，如果期望的是少的增益波动，则函数的斜率应更快地减少。例如，应用函数
Figure BDA00033457153500002210
比
Figure BDA00033457153500002211
更有可能导致更平坦的波束，但是可能在期望的覆盖区域的外部导致大的旁瓣(sidelobe)。
用于其他目标特性的波束设计
虽然前面描述的应用函数示例主要是为宽波束设计的，但是该过程也可以用于生成具有其他目标特性的波束。
优先方向
在一个实施例中，为了优先考虑特定方向而不是其他方向，应用函数可以是fi(x)＝aix。然后，所提出的方法可以生成最大化在该区域上的增益的加权总和的波束，如下所示：
Figure BDA00033457153500002212
侧波束抑制
在一个实施例中，该方法可以设计波束，以抑制在覆盖区域的外部的泄漏，并且同时促进在覆盖区域内的增益。这可以通过修改应用函数来完成，如下所示：
Figure BDA0003345715350000231
其中，I1为所需的覆盖区域的集合，f(·)为表示对在覆盖区域的内部的波束成形增益的奖励的函数，并且g(·)为表示对区域外增益的惩罚的函数。f(x)为非递减函数，因为应该向大的主瓣(mainlobe)增益施加更多的奖励。g(x)为非递减函数，因为应该向大的旁瓣发射(emission)施加更多的惩罚。此外，f(·)和g(·)可以是凹函数，或者可以是凸函数，这取决于设计要求。迭代更新过程类似于前面描述的过程，但是具有较小修改。例如，等式(1)被改变为下面的等式：
Figure BDA0003345715350000232
最大化信干比(SIR)
在一个实施例中，该方法可以设计波束，以在抑制干扰的同时，接收/传输期望的信号。将信号方向的集合表示为I1，同时将干扰方向的集合表示为I2。可以将设计目标描述如下：
Figure BDA0003345715350000233
其中，f(·)为表示对信号功率的奖励的函数，并且g(·)为表示对干扰功率的惩罚的函数。g(x)为非递减函数，因为应该向大的干扰施加更多的惩罚。f(·)和g(·)可以为凹函数，或者可以为凸函数，这取决于设计要求。迭代更新过程类似于前面描述的过程，但是具有较小修改。例如，等式(1)被改变为下面的等式：
Figure BDA0003345715350000234
在特定情况下，仅存在一个信号方向和一个干扰方向，即，|I1|＝|I2|＝1。通过选择f(x)＝g(x)＝logx，目标函数退化为如下所示的SIR：
Figure BDA0003345715350000235
其中，Wi和Wj分别是信号方向和干扰方向的响应矩阵。
最大化平均数据速率。
在一个实施例中，该方法可以设计波束，以最大化平均数据速率。可以将设计目标描述如下：
Figure BDA0003345715350000241
其中，Ri(·)代表数据速率。
对于香农容量(作为可实现的速率的上限)，Ri＝log2(1+γwHMiw)，其中，γ代表不包括波束成形增益的在传输器和接收器之间的端到端SNR。此外，Ri还可以是实际调制和编码方案可实现的速率的其他表达式。
最大化波束检测概率
在一个实施例中，该方法可以设计波束，以最大化平均检测概率。设计目标可以通过下面来描述：
Figure BDA0003345715350000242
其中，p(x)(0≤p(x)≤1)是作为波束成形增益的函数的检测概率。对于瑞利衰落信道，检测概率为
Figure BDA0003345715350000243
其中，γ代表不包括波束成形增益的在传输器和接收器之间的端到端SNR，ΓN0为检测阈值，并且N0为加性白高斯噪声方差，如参考文献3所描述的。
波束码本设计。
提供了一种设计由K(K≥2)个波束组成的码本的方法。假设K个波束w1、w2、…、wK的初始集合和Np个关注的方向的集合
Figure BDA0003345715350000244
Figure BDA0003345715350000245
该算法通过在下面的两个步骤之间交替来进行：
分配步骤：将每个方向分配给提供最大增益的波束。在数学上来说，这意为将方向的集合D划分为K个子集，表示为
Figure BDA0003345715350000246
方向的集合
Figure BDA0003345715350000247
由波束wk服务，并且被定义如下：
Figure BDA0003345715350000248
更新步骤：优化波束，以服务于在与其相关联的子集中的方向。这是通过对1≤k≤K求解下面的等式来完成的：
Figure BDA0003345715350000251
应用函数f(x)的选择可以基于上一部分中描述的波束码字的设计要求来确定。wk可以通过前述迭代算法求得。当对
Figure BDA0003345715350000252
的波束分配不再改变时，该算法可以终止。
图11示出根据本公开的各种实施例的用于波束码本生成的另一示例性功能框图。功能框图1100可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
功能框图1100包括方向到波束(direction-to-beam)分配块1102，其中，方向到波束分配块1102获取覆盖要求1104(例如，Np个关注的方向的集合
Figure BDA0003345715350000253
)，并且执行前述的分配步骤。方向到波束分配块1102的输出1106a、输出1106b和输出1106c是用于每个波束码字的方向的集合，其实际上是要在后续更新步骤中更新的波束码字的覆盖要求。例如，输出1106a是对波束1的更新的覆盖要求(例如，方向的集合(θ,φ))，输出1106b是对波束2的更新的覆盖要求(例如，方向的集合(θ,φ))，并且输出1106c是对波束k的更新的覆盖要求(例如，方向的集合(θ,φ))。波束码本更新块1108执行前述的波束码字更新步骤。每个波束码字可以有一个波束码字生成块。在该说明性实施例中，波束码本更新块1106包括波束码字生成块1000a、波束码字生成块1000b和波束码字生成块1000c。
在该说明性实施例中，波束码字生成块1000中的每一个接收更新的覆盖要求1106以及应用函数1110，其中，应用函数1110根据对波束码本的设计要求来确定，并且在图10中进行了更详细的描述。来自波束码字生成块1000中的每一个的输出是更新的波束码字。例如，输出1112a是对波束1的更新的波束码字，输出1112b是对波束2的更新的波束码字，并且输出112c是对波束k的更新的波束码字。输出1112被提供给方向到波束分配块1102。当符合终止条件时，产生最终波束码本1114。
为了采用宽波束生成码本，可以如前所述选择非递减凹应用函数，并且如图11所示，将非递减凹应用函数作为输入1110a、输入1110b和输入1110c提供给波束码字生成块1000a、波束码字生成块1000b和波束码字生成块1000c。类似地，如图11所示，可以通过提供香农信道容量(例如，或由实际通信系统实现的数据速率的表达式作为输入1110a、输入1110b和输入1110c)给波束码字生成块1000a、波束码字生成块1000b和波束码字生成块1000c，实现生成最大化平均数据速率的码本。
分层码本设计
为了支持高吞吐量，5G毫米波BS和UE将需要实现窄波束。为了减少波束搜索时间，可以首先使用宽波束来标识可能的角度区域，然后将宽波束变窄。可以采用表示最宽的波束的根节点和表示逐渐变窄的波束的距根节点的深度逐渐增大的节点，设计分层码本。使用这样的分层码本，可以减少波束搜索时间。此外，如下面提供的实施例中更详细描述的，可以通过适配分层码本来进一步减少波束搜索时间。
用于分层码本设计的输入
天线元件的电磁场数据可以作为生成分层码本的输入。电磁场数据包括但不限于：
由在包围天线阵列的球体上测量/模拟的每个天线元件辐射的电场的方向和强度，以及
由在包围天线阵列的球体上测量/模拟的每个天线元件辐射的磁场方向和强度。
电场数据可以通过以下方式获得：
电磁仿真(simulation)软件(例如，来自HFSS的‘rE’结果)；
例如在电波暗室中进行测量；和/或
通过导向向量生成。在天线元件模式为f(θ,φ)的阵列的方向
Figure BDA0003345715350000261
上的电场响应数据e(θ,φ)如下所示：
Figure BDA0003345715350000262
其中，N为天线元件的数量，(xi,yi,zi)为第i个天线元件的坐标，λ为波长，并且c为考虑到辐射效率的常数。
在一个实施例中，可以对生成的电场数据进行插值，以获得在其他方向上的数据。
在一个实施例中，电场数据以矩阵形式进行组织，在下文中表示为M矩阵。对于模拟或测量的电场数据，在参考文献1中给出了生成M矩阵的方法。对于通过导向向量生成的电场数据，对于给定方向的M矩阵可以被定义为
M(θ,φ)＝e(θ,φ)ce(θ,φ)T,
其中，ac,aT分别代表向量a的共轭和转置。
电场数据可以由有限的采样点(诸如恒定密度(即，均匀或准均匀地分布在球体上)的采样点)组成。例如，在参考文献2中生成的斐波那契网格由在球体上准均匀地分布的点组成。采样点的另一示例可以包括恒定步长的采样点。例如，在网状网格(θ,φ)＝[0°:qθ:180°]×[0°:qφ:360°]上进行采样，其中，qθ,qφ为模拟或测量步长。
要注意的是，电场数据还可以包括壳体效应(housing effect)，例如，由于终端的金属框架、盖或屏幕(screen)引起的吸收、反射、阻挡、散射。
基于电磁场数据的波束分支和聚类
分层码本可以通过两种方法(即，自顶向下和自底向上)之一进行设计。在自顶向下方法中，将波束分支到子波束中，而在自底向上的方法中，将波束合并为父波束。分支和合并可以基于电磁场数据来完成。要注意的是，下面所示的方法也可以应用于任意的阵列布局，包括线性、平面、圆形、圆柱等。
波束分支
图12示出根据本公开的各种实施例的关于用于对选择的波束进行波束分支的过程的流程图。流程图1200的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图1200开始于操作1202，标识由给定波束覆盖的角度区域。这可以通过标识波束提供(与其他波束相比的)最大增益的方向
Figure BDA0003345715350000271
的集合来完成。标识角度区域的另一方法是标识位于波束的X dB波束宽度内的方向
Figure BDA0003345715350000272
Figure BDA0003345715350000273
其中，X可以是3。要表示的是，波束具有作为波束的覆盖区域的角度区域S。
在操作1204中，在角度区域内的单位(unit)球体上生成点。在一个实施例中，采样点是根据恒定密度来生成的。在另一实施例中，采样点是根据恒定步长来生成的。此后，在操作1206中，生成采样点的电场响应。电场响应可以通过模拟或测量来生成。
在操作1208中，使用参考文献1中给出的贪婪算法或Lloyd-Max算法，基于在采样点处的电磁场数据来生成子码本。子码本可以具有作为输入的预定义大小或可变大小。决定子码本大小的方法(表示为分支因数K)可以包括但不限于下面的方法中的任何一个：
方法1：子波束和父波束之间的激活天线数量的比例。例如，如果子波束的激活天线的数量是父波束的两倍，则可以将分支因数选择为2，因为波束宽度大约与
Figure BDA0003345715350000281
成比例，其中，Na为激活天线的数量。
方法2：父波束的波束宽度和子波束的波束宽度的比例。如果子波束的平均波束宽度大约是的父波束的
Figure BDA0003345715350000282
则可以将分支因数选择为K。
方法3：K的值可以由当前子码本的性能决定。也就是说，如果特定大小的当前子码本已经符合特定性能要求(诸如对角度区域S的覆盖)，则停止向子码本中添加更多的波束。这可以例如在应用贪婪算法以生成子码本的情况下完成。
波束合并
图13示出根据本公开的各种实施例的用于波束合并的流程图。流程图1300可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现，以生成超级码本。
流程图1300开始于操作1302，在给定码本中标识每个波束的覆盖角度区域，以用于合并。每个波束的覆盖区域是在其中波束比所有其他波束达到更大的增益的角度区域。
在操作1304中，在用于要合并的所有波束的覆盖角度区域内生成采样点。在一些实施例中，采用恒定密度来生成采样点。在其他实施例中，采用恒定步长来生成采样点。
在操作1306中，为每个波束的覆盖区域标识电场响应。在操作1308中，可以基于标识的电场响应，生成超级码本。
图14示出根据本公开的各种实施例的用于生成超级码本的流程图。流程图1400的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图1400开始于操作1402，生成用于每个方向的电场响应矩阵。如前所述，这可以通过遵循M(θ,φ)的定义来完成。对于每个方向
Figure BDA0003345715350000283
存在相关联的矩阵M(θ,φ)，其中，M(θ,φ)是基于天线元件的电场响应来计算的，并且该矩阵用于增益计算。在操作1404中，通过计算每个波束的覆盖方向的电场响应矩阵的总和(或加权总和)，创建每个波束的虚拟矩阵。用于每个波束的虚拟矩阵可以由下面的等式定义：
Figure BDA0003345715350000291
其中，Si表示波束i的覆盖区域。每个虚拟矩阵可以被视为与虚拟方向相关联的电场响应矩阵。
在操作1406中，可以生成超级码本，以与虚拟矩阵相对应。可以使用在参考文献1中描述的贪婪算法或Lloyd-Max算法来生成超级码本，使得生成的超级码本符合与虚拟方向有关的设计要求或性能要求。
假设在应用合并操作之前的波束的数量为N1。在合并操作之后的波束的数量或超级码本大小为N2，其中，N1>N2。决定子码本大小的方法(表示为合并因数P)包括但不限于下面的方法中的任何一个。
方法1.父波束和子波束之间的激活天线数量的比例。例如，如果父波束的激活天线的数量是子波束的一半，则可以将合并因数选择为
Figure BDA0003345715350000292
因为波束宽度大约与
Figure BDA0003345715350000293
成比例，其中，Na为激活天线的数量。
方法2.子波束的波束宽度和父波束的波束宽度的比例。如果子波束的平均波束宽度大约是的父波束的
Figure BDA0003345715350000294
则可以将合并因数选择为
Figure BDA0003345715350000295
方法3.P的值可以由当前超级码本的性能决定。也就是说，如果特定大小的当前超级码本已经符合特定性能要求(诸如对虚拟方向的覆盖)，则停止向超级码本中添加更多的波束。这可以例如在应用贪婪算法以生成子码本的情况下完成。
分层码本结构
分层码本的结构可以是有规则或不规则的。对于有规则结构，每个父波束具有相同数量的子波束，并且所有叶波束(即，没有子波束的波束)位于相同层。在下面对分层码本的描述中，节点也可以称为“波束”。例如，根节点可以称为根波束，并且叶节点可以称为叶波束。
图15A和图15B示出根据本公开的各种实施例的有规则分层码本。特别地，分层码本1500a和分层码本1500b是具有二叉树结构的三层码本。要注意的是，在本公开之中，第1层波束可以是如图15A所示的单个有效波束，或者仅是如图15B所示的用于维持码本的树状结构的幻想(phantom)节点。如果第1层是幻想节点，则波束搜索过程将跳过第1层，并且直接从第2层开始。每个节点1502与层标识符1504相关联，其中，该层标识符1504不仅指示分配给节点的层，而且还可以规定在波束搜索过程期间遍历分层码本1500a的顺序。
分层码本的结构也可以是不规则的。不规则树状结构可以包括在不同的层之中不同的分支因数、在层内不同的分支因数或位于不同层上的叶波束。在图16A、图16B和图16C中示出了不规则分层码本的示例。
图16A、图16B和图16C示出根据本公开的各种实施例的不规则分层码本。图16A中的分层码本1600a是不规则的，因为其在不同的层之中具有不同的分支因数。第1层和第2层之间的分支因数为2，而第2层和第3层之间的分支因数为3。图16B中的分层码本1600b是不规则的，因为分支因数在层内有所不同。例如，波束2的分支因数为4，而波束3的分支因数为2。最后，图16C中的分层码本1600c是不规则的，因为叶波束位于不同的层上。叶波束出现在第3层中(例如波束4-7和波束9)，也出现在第4层中(例如波束10和波束11)。
图17示出根据本公开的各种实施例的具有二叉树结构的不规则分层码本。在分层码本1700中，每个父波束具有两个子波束，但是叶波束可能不位于相同的层。例如，两个叶波束(波束4和波束7)位于第3层，而其他4个叶波束位于第4层。在波束搜索过程的每个步骤期间，进行二分查找(binary search)。然而，步骤的数量不是固定的，并且这可能取决于选择的波束。搜索步骤的不均匀分布可以帮助减少平均搜索步骤。
如下所示，当存在多个天线阵列时，分层码本可以被单独设计，或者可以被共同设计。
单独方法。对于由树(或子树)表示的每个阵列和每个码本。这些树(包括子树)可以具有相同的大小和形状，或者可以具有不同的大小和形状。
联合(joint)方法。在这种情况下，多阵列分层码本可以具有作为单个树的结构。例如，具有相同的父波束的子波束可能与不同的阵列相关联。每个阵列的覆盖角度区域可以被协调，以采用更少数量的波束达到更好的覆盖。
在单独方法和联合方法两者中，与每个阵列相关联的波束的数量可以相同，或者可以不同。如果要求激活时间/功率在阵列之中(大致)相同(该要求的目的可以是避免任何阵列过热)，则与每个阵列相关联的波束的数量应该(大致)相同。
分层码本的层相关设计度量
对于具有多个层的分层码本，每个层可以有不同的设计度量。在下面描述了设计度量(metric)的示例。
度量1：复合辐射模式的平均波束成形增益。例如，
Figure BDA0003345715350000311
其中，W(L)表示第L层码本，并且wi是码字。
度量2：在对数尺度下的复合辐射模式的平均波束成形增益。例如，
Figure BDA0003345715350000312
度量3：复合辐射模式的香农数据速率，例如，
Figure BDA0003345715350000313
Figure BDA0003345715350000314
其中，γ代表不包括波束成形增益的端到端SNR。
度量4：复合辐射模式的检测概率。检测概率可以基于信道模型和信道增益等来确定。例如，在瑞利衰落信道中，在参考文献3中描述的检测概率为：
Figure BDA0003345715350000315
其中，γ代表不包括波束成形增益的端到端SNR，并且Γ表示检测阈值。
度量5：复合辐射模式的第x％(0<x<100)百分位CDF值。
在一个实施例中，上层的码本采用度量2或度量4作为设计度量。下层的码本采用度量1或度量3作为设计度量。在另一实施例中，上层的码本被设计为在较低百分位(例如，20％)下最大化CDF值，而下层的码本被设计为在较高百分位(例如，50％或80％)下最大化CDF值。
自顶向下生成分层码本的方法
自顶向下方法可以用于设计有规则分层码本和不规则分层码本两者。
自顶向下生成有规则分层码本的方法
对于自顶向下方法，在下文中首先生成大小为NT的顶层码本。这可以通过遵循在参考文献1中描述的方法来完成。生成顶层码本的其他方法不被排除在外。如果NT＝1，则在第1层中的是单个波束。如果NT大于1，则将幻想节点分配给第1层，并且将NT个波束放入第2层。
将第i层的码本大小表示为Ni。通过运行图12中给出的分支算法Ni次，生成由Ni个子码本和总共NiKi个波束组成的第(i+1)层码本。可以重复该过程以生成下面的层。
Ki的值可以每层不同，或者可以在所有层之中相同。Ki的值可以通过下面的示例性但非限制性的方法中的任何一种来确定。
方法1.Ki的值可以是对算法的输入的部分，或者可以基于每层的码本大小的输入来直接计算，即，
Figure BDA0003345715350000321
方法2.Ki的值可以由算法本身确定。例如，如果下层的激活天线的数量是上层的两倍，则可以将分支因数选择为2，因为波束宽度大约与
Figure BDA0003345715350000322
成比例，其中，Na为激活天线的数量。
方法3.如果下层波束的平均波束宽度大约是上层波束的
Figure BDA0003345715350000323
则可以将分支因数选择为K。
方法4.Ki的选择可以根据对波束搜索时间的限制和在传输器与接收器之间的反馈链路的吞吐量来决定。例如，当传输器执行波束搜索时，接收器必须向传输器反馈各种波束的接收信号强度或最优波束的索引，以便传输器可以相应地从下一层选择合适的子码本。如果接收器可以频繁地反馈，则生成具有小的分支因数和多个层的码本可能是有利的。否则，可能优选具有大的分支因数但少量的层的码本。
图18示出根据本公开的各种实施例的用于采用自顶向下方法来设计分层码本的流程图。流程图1800的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图1800开始于操作1802，输入电场响应数据和分层码本的要求。分层码本要求的示例可以包括每层的码本大小、每层的分支因数等。在操作1804中，设计顶层的码本。在操作1806中，划分上层的覆盖区域，以生成下层的波束。在非限制性实施例中，流程图1200中描述的分支过程可以用于生成附加的层，直到符合停止条件。
在操作1808中，确定是否满足停止条件。停止条件的示例可以包括：
生成了所需数量的层；
最后一层的平均增益高于阈值；
最后一层中的波束的数量大于阈值；
最后一层中的所有波束的覆盖区域小于阈值；以及
最后一层中的至少一个波束的覆盖区域小于阈值。
如果在操作1808中没有满足停止条件，则流程图1800返回到操作1806。如果满足停止条件，则流程图1800前进到操作1810，并且输出分层码本。
要注意的是，每个波束的覆盖区域可以在角度域中断开。该算法可以应用于任何形状的覆盖区域。
自顶向下生成不规则分层码本的方法
图19示出根据本公开的各种实施例的关于用于设计不规则分层码本的自顶向下方法的流程图。流程图1900的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图1900开始于操作1902，输入电场响应数据和分层码本的要求。分层码本要求的示例可以包括每层的码本大小、每层的分支因数等。在操作1904中，生成顶层的码本。在一个实施例中，顶层波束可以被设计为具有宽的角度覆盖。因为顶层波束一开始不具有子波束，所以该波束在叶波束的集合中。
在操作1906中，挑选叶波束，并且生成叶波束的子波束并将其包含在子码本中。在操作1908中，确定是否满足停止条件。如果满足停止条件，则流程图1900前进到操作1910，并且输出分层码本。如果没有满足停止条件，则流程图1900从操作1908前进到操作1906，选择另一叶波束(不包括任何先前挑选的叶波束)，并且生成该叶波束的子波束。重复该过程，直到满足停止条件。
图20示出根据本公开的各种实施例的采用自顶向下方法生成的不规则分层码本。分层码本2000可以根据图9中的流程图1900来生成。
在已经输入电场数据和分层码本要求之后，首先在顶层处生成波束1。因为是唯一的波束，所以挑选波束1，并且在第2层处生成波束1的两个子波束(波束2和波束3)。因为没有满足停止条件，所以将波束2选择为叶波束，并且将波束2分支到其两个子波束(即，波束4和波束5)中。同样，因为没有符合停止条件，所以选择波束5，并且将波束5分支到波束6和波束7中。将波束3选择为叶波束，并且生成波束3的子波束(波束8和波束9)。分层码本2000具有不规则结构，因为第4层没有完全填满，即，第3层的一些叶波束不具有在第4层中的子波束。
在下面列出了用于选择用于分支的叶波束的准则的非限制性示例。
准则1.具有最大覆盖角度区域的叶波束。
准则2.在其覆盖区域上具有最小平均增益的叶波束。
准则3.最接近于顶层的叶波束。如果存在具有相同的到顶层的距离的多个叶波束，则随机挑选叶节点，或者应用打破平局(tie-breaking)规则。打破平局规则是可以如下所示的：
具有最大覆盖角度区域的叶波束，或者在覆盖区域上具有最小平均增益的叶波束。
准则4.如果存在多个阵列，则可以选择来自最少激活的阵列的叶节点，以在阵列之中维持激活时间/功率的(大约)均匀分布。
在下面讨论停止条件的非限制性示例。
示例1.每个叶波束具有小于给定阈值的覆盖角度区域。
示例2.每个叶波束的平均增益大于给定阈值。
示例3.叶波束的数量达到其上限。
在另一实施例中，每个波束的叶波束的数量根据父波束的覆盖区域来确定。例如，叶节点的数量可以与父波束的覆盖区域成线性比例。在一个实施例中，叶节点的数量由亨廷顿-希尔(Huntington-Hill)方法确定，这在图21中示出。
图21示出根据本公开的各种实施例的用于确定叶波束的数量的流程图。流程图2100的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图2100开始于操作2102，将叶波束分配给每个父波束。在操作2104中，计算每个父波束的当前优先级。在非限制性实施例中，根据下面的等式来计算当前优先级：
Figure BDA0003345715350000341
其中，Ai为第i个波束的覆盖区域，并且ni为在可能分配下一叶波束之前第i个波束当前具有的叶波束的数量。
在操作2106中，挑选具有最高优先级的父节点，并且在操作2108中，将又一个叶波束分配给挑选的父波束。
在操作2110中，确定是否分配了所有叶波束。如果没有分配所有叶波束，则流程图2100返回到操作2104，以允许计算每个父波束的当前优先级。如果分配了所有叶波束，则流程图2100从操作2110前进到操作2112，并且输出用于每个父波束的叶波束的数量。
自底向上生成分层码本的方法
也可以使用自底向上的方法来生成分层码本。在一个非限制性实施例中，给出每个层的码本大小，然后相应地生成码本。在另一非限制性实施例中，采用二叉树的结构来生成分层码本。然而，根据两个自底向上实施例中的任一个生成的作为结果的码本可能不具有有规则结构。
自底向上采用指定的码本大小来设计分层码本的方法
为了根据该方法生成分层码本，假设用于每个层的码本大小被给出为[N1,N2,N3,…,NL]。可以基于每个层的激活天线元件、每个层的波束宽度等来设计码本大小。
在自底向上方法中，底层码本称为第L层，并且被首先生成。可以根据在参考文献1中提供的劳埃德-马克斯(Lloyd-Max)方法或贪婪方法来生成第L层。然后，将NL波束合并为NL-1波束。在图22中总结了该过程。
图22示出根据本公开的各种实施例的用于生成具有指定的码本大小的分层码本的过程的流程图。流程图2200的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图2200开始于操作2202，输入电场响应数据和分层码本的要求。在操作2204中，生成底层的码本。此后，在操作2206中，合并下层的覆盖区域，以生成上层的码本。
在一个实施例中，合并可以通过遵循下面描述的过程来进行。在第L层中给定NL个波束，可以标识每个波束的覆盖区域。波束的覆盖区域是波束比所有其他NL-1个波束达到更大的增益的角度区域。将每个波束的覆盖区域表示为S1,S2,…,
Figure BDA0003345715350000351
可以使用恒定密度或恒定步长来生成用于每个区域的采样点。如参考文献1所示，对于由(θ,φ)表示的每个方向，存在相关联的矩阵M(θ,φ)，其中，M(θ,φ)是基于天线元件的电场响应来计算的，并且用于增益计算。接下来，确定用于每个方向的M矩阵，并且对每个覆盖区域中的矩阵求和，以创建用于第L-1层码本生成的虚拟矩阵，如下所示：
Figure BDA0003345715350000352
每个虚拟矩阵可以被视为与虚拟方向相关联的电场响应矩阵。最后，在参考文献1中标识的Lloyd-Max算法可以用于生成码本，以覆盖这些虚拟方向。来自参考文献1的贪婪算法也是可以使用的，其中，可以首先基于NL个虚拟矩阵来生成NL个候选码字，然后可以从候选池中选择NL-1个码字。
一旦生成了第L-1层码本，在操作2208中确定是否生成了分层码本的所有层。如果生成了分层码本的所有层，则流程图2200前进到操作2210，并且输出分层码本。如果没有生成所有层，则流程图2200返回到操作2206，以对第L-2层生成码本。首先，标识第L-1层波束和虚拟矩阵之间的关联，即，标识为每个虚拟矩阵生成最大增益的波束。将由第L-1层的第i波束覆盖的矩阵的索引表示为集合
Figure BDA0003345715350000361
可以为第L-2层码本生成创建虚拟矩阵，以满足下面：
Figure BDA0003345715350000362
接下来，可以通过由贪婪算法或Lloyd-Max算法找到NL-2个波束来覆盖NL-1个虚拟矩阵，生成第L-2层码本。可以采用相同的步骤来从第i+1层码本设计第i层码本。在下面的附图中总结了该过程。
图23示出根据本公开的各种实施例的用于从第i+1层码本生成第i层码本的流程图。流程图2300的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图2300开始于操作2302，其中，通过对由第i+1层的每个波束覆盖的虚拟矩阵的电场响应矩阵求和来生成Ni+1个虚拟矩阵。在操作2304中，生成Ni个波束，以覆盖生成的Ni+1个虚拟矩阵。
要注意的是，在自底向上方法中，合并因数不限于在码本之中相同。从下层波束中合并为上层中的单个波束的波束的数量可能是不同的。因此，生成的码本可能不具有有规则结构。
与自顶向下方法的情况类似，自底向上方法中的每个波束的覆盖区域可以在角度域中断开。
在没有指定的码本大小的情况下自底向上设计分层码本的方法
当没有给出每个层的码本大小时，仍然可以使用自底向上方法来设计分层码本，如图24中更详细描述的。
图24示出根据本公开的各种实施例的用于采用二叉树结构来生成分层码本的流程图。流程图2400可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图2400开始于操作2402，输入电场响应数据和分层码本的要求。在操作2404中，设计大的大小的码本。在一个实施例中，该设计包含稍后将在算法中合并的波束的集合。由于没有指定底层的码本大小，因此码本大小可以基于平均波束宽度和所需的角度覆盖区域的大小来确定。将码本大小表示为N。然后，大小为N的码本可以通过在参考文献1中讨论的贪婪算法或Lloyd-Max算法来生成。N应该是至少大于2的大的整数。具有可变大小的码本也可以通过贪婪算法来设计。
为了便于描述，没有父波束的所有波束的集合被表示为集合S。上面设计的N个波束属于集合S，因为N个波束不具有父波束。
标识每个波束的覆盖角度区域。接下来，在操作中，从没有父波束的波束的集合中挑选波束的子集，并且将波束的子集的覆盖区域合并为一个区域。在操作2408中，设计波束以覆盖合并区域。该新生成的波束被表示为挑选的波束的父波束。现在，如果Np是要合并的波束的数量，则集合S仅包括N-Np+1个波束。
在操作2410中，确定是否满足停止条件。如果没有满足停止条件，则流程图2400返回到操作2406，并且再次从集合S中挑选波束的子集，以设计另一父波束。该过程重复进行，直到在操作2410中确定满足停止条件。一旦满足停止条件，流程图2400就前进到操作2412，其中，输出分层码本。
在一个实施例中，该算法每次挑选两个波束。作为结果的分层码本具有二叉树的结构。
图25示出根据本公开的各种实施例的具有二叉树结构的分层码本。在本实施例中，分层码本2500已在没有指定的码本大小的情况下，根据图24中的流程图2400来生成。
该算法首先生成波束1-6。在第一步骤中，挑选波束5和波束6，并且将波束5和波束6合并为波束7。然后，将波束3和波束4合并以生成波束8。接下来，挑选波束2和波束8，并且生成波束9。挑选波束1和波束9，并且将波束1和波束9合并以生成波束10。最后，挑选波束10和波束7，并且将波束10和波束7合并以形成波束11。在生成的分层码本中，波束11属于第1层，波束10和波束7在第2层，波束1、波束9、波束5、波束6属于第3层，波束2和波束8属于第4层，并且波束3和波束4在第5层。
下面提供了用于挑选要合并的波束的子集的可能的准则的非限制性列表。
准则1.k个波束是通过K-均值(K-Means)算法基于其虚拟的M个矩阵来选择的。这可以通过遵循图23中提供的过程并设置Ni＝Ni+1-k+1来完成。
准则2.指向相似的方向的k个波束。该度量需要评估两个角度区域的接近程度(closeness)。
准则3.波束的虚拟的M个矩阵的相似性。
准则4.找出最少激活的阵列，即，到目前为止具有最少波束的阵列。挑选与该阵列相关联的k个相似的波束以进行合并。
准则5.具有最小覆盖角度区域的k个波束。
准则6.如果每个波束的使用概率已知或已估计(例如，已基于使用历史或角度区域的大小/方向来估计)，则挑选具有最小概率的k个波束。要注意的是，每个波束的使用概率是该波束的直接子波束的总和。
在一个实施例中，在每个合并步骤中挑选波束对。下面包括了用于挑选要合并的波束对的可能的准则的非限制性列表。
准则1.两个波束是通过K-Means算法基于其虚拟的M个矩阵来选择的。这可以通过遵循图23中提供的过程并设置Ni＝Ni+1-1来完成。
准则2.指向相似的方向的两个波束。该度量需要评估两个角度区域的接近程度。
准则3.波束的虚拟的M个矩阵的相似性。假设两个波束具有相关联的虚拟矩阵Mi和Mj。合并的增益损失分别为di＝||Mivmax(Mi)||-||Mivmax(Mi+Mj)||和dj＝||Mjvmax(Mj)||-||Mjvmax(Mi+Mj)||，其中，||a||为向量a的2范数，vmax(A)分别为与最大特征值相关联的矩阵A的单位范数特征向量。可以选择具有最小总和损耗(即，di+dj)的波束对。
准则4.找出最少激活的阵列，即，到目前为止具有最少波束的阵列。挑选与该阵列相关联的两个相似的波束以进行合并。
准则5.具有最小覆盖角度区域的两个波束。
准则6.如果每个波束的使用概率已知或已估计(例如，已基于使用历史或角度区域的大小/方向来估计)，则挑选具有最小概率的两个波束。要注意的是，每个波束的使用概率是该波束的直接子波束的总和。
可以组合选择准则来设计其他度量。例如，可以在同时考虑到使用概率和虚拟的M个矩阵的相似性的情况下，设计度量。示例过程如下所示。首先，对集合S内的波束(即，没有父波束的波束)的使用概率进行排序。
停止条件的示例如下所示。
停止条件1.将波束合并为单个波束(要注意的是，该波束可以是如图15B所述的幻想波束)。
停止条件2.层的数量达到限制。
图26示出根据本公开的各种实施例的可以对其执行波束搜索过程的分层码本。分层码本2600类似于图25中的分层码本2500。
在一个实施例中，波束搜索过程基于层来遍历分层码本2600。因此，波束搜索过程首先考虑在第1层上的波束11。然后，波束搜索过程继续考虑在第2层上的波束10和波束7。波束搜索过程在前进到下一个距第1层最远的层之前，考虑在每个层上的每个波束。
自下向上设计适配分层码本的方法
假设设备具有初始波束码本。在一个实施例中，该设备是UE。在另一实施例中，该设备是基站。无论哪种情况，在使用设备期间，可以记录每个波束的使用概率。使用概率也可能随时间改变。分层码本可以根据使用概率来适配分层码本的结构。该过程如图27中所示。
电子设备记录电子设备的波束使用历史。波束使用历史可以包括用于在每个给定时间进行通信的选择的波束，以及选择的波束的波束搜索持续时间和索引。
电子设备可以从波束使用历史提取波束使用模式。波束使用模式可以包括每个波束在时间间隔中(例如，在最近一周中)被选择的概率，以及波束搜索的平均时间长度。
电子设备还可以跟踪波束使用模式，并且一旦出现使用模式的显著改变(包括最近波束搜索的平均时间长度增加很多)并且最近的波束使用概率与历史记录的波束使用概率不同，就决定更新/改变码本结构。
可以通过自底向上方法来设计分层码本，如下所示。
在一个实施例中，假设存在具有使用概率p1,p2,p3,…,pN的N个波束。在第一步骤中，将具有最小概率的k1个波束合并为一个父波束。计算该父波束的使用概率作为该父波束的子波束的总和。然后，从具有最小概率的N-k1+1个波束中挑选k2个束，并且设计父波束。该过程继续进行，直到将所有波束合并为单个波束(要注意的是，该波束可以是如图15B中所述的幻想波束)。
在另一实施例中，合并过程同时考虑到使用概率和在“在没有指定的码本大小的情况下自底向上设计分层码本的方法”一节中列出的其他度量。例如，为了在每个阶段中合并，挑选具有小的概率和相似的方向的波束。
图27示出根据本公开的各种实施例的用于适配分层码本的流程图。流程图2700的操作可以在电子设备(诸如图2中的BS 102或图3中的UE 116)中实现。
流程图2700开始于操作2702，继续更新基于波束使用历史的波束使用模式的记录。
在操作2704中，确定是否检测到波束使用模式的显著改变。如果没有检测到波束使用模式中的显著改变，则流程图2700返回到操作2702。然而，如果检测到显著改变，则流程图2700从操作2704前进到操作2706，并且更新当前分层码本。更新分层码本可以改变分层码本的结构。在一个实施例中，通过改变与每个节点相关联的层标识符来更新分层码本。采用具有更新的层标识符的节点来更新分层码本改变了码本的结构，并且还改变了在波束搜索过程期间搜索节点的顺序。
在另一实施例中，通过合并波束来更新分层码本。合并的波束被分配给等于各个使用概率的总和的使用概率。在一些情况下，增加的使用概率可能导致合并的波束被分配到更高的层，即，更接近于在第1层上的根节点的层。
扩展子波束集合以提高分层结构的准确度
当遵循分层结构搜索波束时，这可能并不总是产生最优的窄波束。在下面给出了示例。假设存在2个宽波束和4个窄波束。如表1所给出的，WB1具有子波束集合{NB1,NB2}，而WB2具有子波束集合{NB3,NB4}。宽波束和窄波束的波束模式在图28中给出。
表1.在扩展子波束集合之前的分层结构
父波束 子波束集合
WB1 {NB1,NB2}
WB2 {NB3,NB4}
图28示出根据本公开的各种实施例的具有不完整分层结构的父波束和子波束之间的关系。尽管父波束和父波束各自的子波束几乎指向相似的角度区域，但是WB1和WB2之间的边界并不与NB2和NB3之间的边界完全对齐。因此，如果信号来自刚好在WB1-WB2边界的右方上的角度，则分层搜索将最终提供NB3作为最优窄波束。然而，通过穷举搜索提供的最优窄波束实际上是NB2。穷举NB搜索和分层搜索之间存在失配。失配发生在WB2是最优的而WB2的子波束不是最优的区域中。该失配被标识在WB2的越界(overreach)区域(或者称为WB1的短缺(shortage)区域)中。
在一个实施例中，扩展了子波束集合，以提高分层搜索的准确度。扩展子波束集合的步骤在图29中给出。
图29示出根据本公开的各种实施例的用于使用波束扩展来扩展用于给定的宽波束的子波束集合的流程图。流程图2900的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图2900开始于操作2902，标识宽波束的角度覆盖区域，即，宽波束是所有宽波束当中最优的区域。在操作2904中，为覆盖区域内的方向标识窄波束的集合。窄波束的集合包括对于在宽波束的角度覆盖区域内的任何方向来说的最优窄波束。在操作2906中，将索引分配给形成宽波束的子波束集合的最优窄波束。
对每个宽波束重复流程图2900的操作。通过这样做，消除了每个宽波束的越界区域，并且如果在无线信道中没有多路径，则分层搜索结果总是与穷举窄波束搜索对齐。要注意的是，对于给定的窄光束，该窄波束可能是多于一个的宽波束的子波束。分层结构不再是树状，而是图形。
对于图28中给出的示例，将WB2的子波束集合扩展为包括NB2。在表2中给出了更新的分层结构。作为结果，如果信号来自刚好在WB1-WB2边界的右侧的角度，则分层搜索和穷举搜索提供相同的结果，即，标识NB2。
表2.在扩展子波束集合之后的分层结构
父波束 子波束集合
WB1 {NB1,NB2}
WB2 {NB3,NB4,NB2}
在另一实施例中，可以完成部分子波束集合扩展，以提高准确度，但是不完全消除不准确度。在部分扩展期间，子波束集合不像在图29中所完成的那样被扩展以达到100％的准确度。
图30示出根据本公开的各种实施例的用于部分地扩展子波束集合的流程图。流程图3000的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图3000开始于操作3002，标识在当前分层结构中分层搜索结果和穷举搜索结果失配的角度区域。在操作3004中，在波束增益差最大的标识的角度区域内确定角度。在操作3006中，通过将该方向上的最优窄波束索引作为子波束分配给在该方向上的最优宽波束，消除波束增益间隙。在操作3008中，确定是否满足停止条件。如果没有满足停止条件，则流程图3000返回到操作3002。如果满足停止条件，则流程图3000终止。
用于操作3008的停止条件的非限制性示例可以包括下面的条件中的任何一个。
条件1.分层搜索和穷举搜索之间的最大波束增益差小于阈值。也就是说，目标是限制由于分层搜索而导致的最大增益损失。
条件2.分层搜索和穷举搜索的波束搜索结果不同的角度区域小于阈值。也就是说，目标是限制分层搜索的不准确率。
条件3.子波束的数量达到阈值。
在又一实施例中，在子波束集合的扩展或部分扩展之后，可以强制子波束集合具有相同的大小(即，分支因数相同)。在一种方法中，这可以通过按照子波束的与父波束重叠的覆盖区域来对来自相同的父波束的子波束进行排序来完成。例如，如果允许每个父波束有K个子波束，则仅在集合中保留具有最大覆盖重叠的K个子波束，并且丢弃剩余的子波束。在图31中给出了该过程，并且该过程是针对每个子波束集合来完成的，以强制每个父波束具有K个子波束。子波束集合的大小(即，K)可以取决于对准确度的要求或分层搜索和穷举搜索之间的最大增益间隙。
图31示出根据各种实施例的用于修剪用于给定的宽波束的子波束集合的流程图。流程图3100的操作可以在计算设备(诸如图4中的计算设备400)中实现。
流程图3100开始于操作3102，标识宽波束和其子波束的角度覆盖区域。在操作3104中，确定宽波束和其子波束之间重叠的角度覆盖区域。在操作3106中，将子波束集合修剪为仅包括具有与宽波束重叠的最大角度区域的预定数量的波束，例如，K个波束。
图32示出根据本公开的各种实施例的用于适配分层码本的过程的另一流程图。流程图3200的操作可以在电子设备(诸如图2中的BS 102或图3中的UE 116)中实现。
流程图3200开始于操作3202，确定用于分层码本中的码字的使用概率。码字由基于层标识符来分配给分层码本的多个层之一的节点表示。
在操作3204中，基于使用概率来改变分层码本的结构，使得与具有相对更高的使用概率的码字相关联的节点比与具有相对更低的使用概率的码字相关联的节点更接近于根节点。
在操作3206中，从分层码本选择用于在无线通信中使用的码字，其中，码字通过对分层码本的改变的结构执行的码字选择过程来选择。
在一些实施例中，在操作3204中改变分层码本的结构包括：基于使用概率来更新用于分层码本中的码字的层标识符。层标识符指示在码字选择过程期间遍历分层码本的顺序。在其他实施例中，在操作3204中改变分层码本的结构包括：基于使用概率和角度方向的相似度来合并两个或更多个码字。
合并码字的非限制性实施例包括下面的步骤：标识具有第一角度方向和第一使用概率的第一码字；标识具有第二角度方向和第二使用概率的第二码字，第二角度方向类似于第一角度方向；将第一码字和第二码字合并，以形成具有作为第一使用概率和第二使用概率的总和的组合使用概率的合并码字；以及，基于组合使用概率来向合并码字提供更新的层标识符。
在另一非限制性实施例中，在操作3204中改变分层码本的结构包括：确定(i)用于码字选择过程的最近搜索时间是否与用于码字选择过程的历史搜索时间不同，或者(ii)最近码字使用概率是否与历史码字使用概率不同，然后基于该确定来改变分层码本的结构。
在一个实施例中，在操作3202中确定使用概率包括：从码字使用历史标识码字使用模式。码字使用模式可以包括在时间间隔中码字被选择用于进行通信的概率和用于选择码字的平均时间长度。
在一个实施例中，在图32中描述的分层码本包括用于在分层码本中的宽波束码字的角度覆盖区域内的方向的最优窄波束码字的集合。最优窄波束码字的集合中的每一个是宽波束码字之一的子节点。
在一个或多个实施例中，图32中描述的分层码本与至少两个不同的分支因数相关联。另外或可替换地，图32中描述的分层码本在至少两个不同的层上具有叶节点。另外或可替换地，在图32中描述的分层码本中的码字中的至少一个是用于两个或更多个码字的子节点。
尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是对本领域技术人员来说，各种改变和修改是可以建议的。例如，本公开包括可以彼此结合使用或彼此组合使用或单独使用的几个实施例。本公开旨在包含落入所附权利要求的范围内的这种改变和修改。本申请中的描述不应被理解为暗示任何特定元素、步骤或功能是必须包括在权利要求范围中的基本元素。专利主题的范围由权利要求限定。

Claims (15)

1.一种电子设备，包括：
存储器，被配置为存储分层码本；以及
处理器，可操作地连接到所述存储器，所述处理器被配置为：
确定用于分层码本中的码字的使用概率，其中，所述码字由基于层标识符来分配给分层码本的多个层之一的节点表示；
基于所述使用概率来改变分层码本的结构，使得与具有相对更高的使用概率的码字相关联的节点比与具有相对更低的使用概率的码字相关联的节点更接近于根节点被定位；以及
从所述分层码本选择用于在无线通信中使用的码字，其中，所述码字是通过对分层码本的改变的结构执行的码字选择过程来选择的。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中，为了改变所述分层码本的结构，所述处理器被配置为(i)基于所述使用概率来更新用于分层码本中的码字的层标识符，其中，所述层标识符指示在所述码字选择过程期间遍历分层码本的顺序，或者(ii)基于使用概率和角度方向的相似度来合并两个或更多个码字。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中，为了合并所述码字，所述处理器还被配置为：
标识具有第一角度方向和第一使用概率的第一码字；
标识具有第二角度方向和第二使用概率的第二码字，其中，所述第二角度方向类似于所述第一角度方向；
将所述第一码字和所述第二码字合并，以形成具有作为所述第一使用概率和所述第二使用概率的总和的组合使用概率的合并码字；以及
基于所述组合使用概率，向所述合并码字提供更新的层标识符。
4.根据权利要求1所述的电子设备，其中，为了改变所述分层码本的结构，所述处理器被配置为确定(i)用于码字选择过程的最近搜索时间是否与用于码字选择过程的历史搜索时间不同，或者(ii)最近码字使用概率是否与历史码字使用概率不同，以及
其中，基于所述确定来改变所述分层码本的结构。
5.根据权利要求1所述的电子设备，其中，为了确定所述使用概率，所述处理器被配置为从码字使用历史标识码字使用模式，其中，所述码字使用模式包括所述码字被选择用于在时间间隔中进行通信的概率和用于选择码字的平均时间长度。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述分层码本包括用于在分层码本中的宽波束码字的角度覆盖区域内的方向的最优窄波束码字的集合，其中，所述最优窄波束码字的集合中的每一个是所述宽波束码字之一的子节点。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述分层码本与至少两个不同的分支因数相关联，或者
所述分层码本在至少两个不同的层上具有叶节点，或者
所述码字中的至少一个是两个或更多个码字的子节点。
8.一种用于适配分层码本的方法，所述方法包括：
确定用于分层码本中的码字的使用概率，其中，所述码字由基于层标识符来分配给分层码本的多个层之一的节点表示；
基于所述使用概率来改变分层码本的结构，使得与具有相对更高的使用概率的码字相关联的节点比与具有相对更低的使用概率的码字相关联的节点更接近于根节点被定位；以及
从所述分层码本选择用于在无线通信中使用的码字，其中，所述码字是通过对分层码本的改变的结构执行的码字选择过程来选择的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，改变所述分层码本的结构包括下面中的至少一个：(i)基于所述使用概率来更新用于分层码本中的码字的层标识符，其中，所述层标识符指示在所述码字选择过程期间遍历分层码本的顺序，或者(ii)基于使用概率和角度方向的相似度来合并两个或更多个码字。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，合并所述码字包括：
标识具有第一角度方向和第一使用概率的第一码字；
标识具有第二角度方向和第二使用概率的第二码字，其中，所述第二角度方向类似于所述第一角度方向；
将所述第一码字和所述第二码字合并，以形成具有作为所述第一使用概率和所述第二使用概率的总和的组合使用概率的合并码字；以及
基于所述组合使用概率，向所述合并码字提供更新的层标识符。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，改变所述分层码本的结构包括：
确定(i)用于码字选择过程的最近搜索时间是否与用于码字选择过程的历史搜索时间不同，或者(ii)最近码字使用概率是否与历史码字使用概率不同，以及
其中，基于所述确定来改变所述分层码本的结构。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述使用概率包括：
从码字使用历史标识码字使用模式，其中，所述码字使用模式包括所述码字被选择用于在时间间隔中进行通信的概率和用于选择码字的平均时间长度。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述分层码本包括用于在分层码本中的宽波束码字的角度覆盖区域内的方向的最优窄波束码字的集合，其中，所述最优窄波束码字的集合中的每一个是所述宽波束码字之一的子节点。
14.根据权利要求8所述的方法，其中：
所述分层码本与至少两个不同的分支因数相关联，或者
所述分层码本在至少两个不同的层上具有叶节点，或者
所述码字中的至少一个是两个或更多个码字的子节点。
15.一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由电子设备的处理器执行时，使所述电子设备：
确定用于分层码本中的码字的使用概率，其中，所述码字由基于层标识符来分配给分层码本的多个层之一的节点表示；
基于所述使用概率来改变分层码本的结构，使得与具有相对更高的使用概率的码字相关联的节点比与具有相对更低的使用概率的码字相关联的节点更接近于根节点被定位；以及
从所述分层码本选择用于在无线通信中使用的码字，其中，所述码字是通过对分层码本的改变的结构执行的码字选择过程来选择的。
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