CN115603781A - 单用户模拟波束搜索方法和装置 - Google Patents

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CN115603781A CN202211013968.9A CN202211013968A CN115603781A CN 115603781 A CN115603781 A CN 115603781A CN 202211013968 A CN202211013968 A CN 202211013968A CN 115603781 A CN115603781 A CN 115603781A
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    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming

Abstract

本发明提供一种单用户模拟波束搜索方法和装置，发送端搜索方法包括：遍历发送端的第一个发送端子阵的码本，向接收端的第一个接收端子阵发送参考信号；获取所述接收端反馈的发送波束搜索结果，所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。本发明首先确定第一个子阵的最佳波束，然后通过相位补偿确定其余子阵的最佳波束，降低了搜索复杂度，减小时延，满足实际系统在大规模MIMO场景下低时延的需求。

Description

单用户模拟波束搜索方法和装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种单用户模拟波束搜索方法和装置。
背景技术
随着第五代移动通信(the Fifth Generation,5G)技术商用的推广，海量设备接入网络，移动通信数据业务急剧增长，无线通信频谱资源短缺成为日益凸显的问题。因此，具有高带宽、定向窄波束、安全保密好等特点的毫米波高频通信受到业界的广泛关注。毫米波通常是指频率在30-300GHz的电磁波，由于频段较高，天线尺寸及天线间距大幅减小，同一天线面板上可集成更多的天线单元，令大规模天线阵列(Massive Multiple-InputMultiple-Output,Massive MIMO)在工程上更易实现。
然而，毫米波信号比现在绝大多数无线系统使用的微波信号具有更高的路径损耗，因此需要结合应用Massive MIMO及波束成形技术。波束成形是一项用于基站与用户间定向传输或接收信号的技术，是大规模天线系统的关键技术之一。波束成形技术通过调整收发双方各个天线单元的相位对信号的相位差进行补偿，从而将有限的发射信号能量汇聚到指定方向，以此获得波束成形增益。在Massive MIMO系统中使用波束成形技术能够改善接收信噪比、克服路径损耗、提升系统容量等，故通过定向波束成形增益，可以有效补偿高频信号的路径损耗和衰减，并减少多径、多用户带来的干扰，从而进一步提高频谱效率。
现有的波束成形架构主要分为三大类型：数字波束成形(Digital Beamforming，DBF)、模拟波束成形(Analog Beamforming，ABF)以及混合波束成形(Hybrid Beamforming，HBF)。在数字波束成形结构中，收发端的所有天线单元均各自连接一条射频(RadioFrequency,RF)链路。而对于Massive MIMO系统，数量众多的射频链路将会极大提升硬件成本，故DBF的应用受到了限制。与数字波束成形的硬件架构不同，模拟波束成形架构收发端的数字基带处理单元与所有空口处的天线单元之间仅通过一条RF链路连接。因此，模拟波束成形具有较低的硬件实现复杂度，但架构中仅有一条射频链路限制了能够同时传输的数据流数，导致系统的频谱利用率低。混合波束成形结合DBF与ABF二者的优势，对系统的硬件复杂度和性能进行折中，通过模拟波束成形减少射频链路数，利用数字波束成形补偿系统性能，仅需少量的数字模拟转换单元，就可大幅降低数字域的转换能耗以及处理复杂度。
此外，在毫米波大规模MIMO场景下，由于基站与用户间进行通信的波束将越来越细(通信的定向程度越来越高)，确定最优通信细波束对的用时越来越长，极易对用户的正常通信造成影响。现有的混合波束成形技术的搜索复杂度/时延相对较高，不能满足实际系统在大规模MIMO场景下低时延的需求。
发明内容
本发明提供一种单用户模拟波束搜索方法和装置，用以解决现有技术中混合波束成形技术的搜索复杂度/时延相对较高，不能满足实际系统在大规模MIMO场景下低时延的需求的缺陷。
本发明提供一种单用户模拟波束搜索方法，包括：
遍历发送端的第一个发送端子阵的码本，向接收端的第一个接收端子阵发送参考信号；
获取所述接收端反馈的发送波束搜索结果，所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。
根据本发明提供的一种单用户模拟波束搜索方法，所述基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索，包括：
基于所有发送端子阵的阵列间距离和所述最佳发送波束的方向角依次对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。
根据本发明提供的一种单用户模拟波束搜索方法，在所述基于所有发送端子阵的阵列间距离和所述最佳发送波束的方向角依次对所述备用发送波束进行相位补偿后，还包括：
将相位补偿后的所述备用发送波束进行与所述第一个发送端子阵的码本中的码字相关性计算。
本发明提供一种单用户模拟波束搜索方法，包括：
遍历接收端的第一个接收端子阵的码本，接收发送端的第一个发送端子阵发送的参考信号；
根据所述参考信号的接收功率，确定接收波束搜索结果和发送波束搜索结果，所述接收波束搜索结果包括一个最佳接收波束和多个备用接收波束，所述最佳接收波束对应的参考信号接收功率大于所述备用接收波束对应的参考信号接收功率；所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
将所述发送波束搜索结果发送至所述发送端；
基于所述最佳接收波束对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。
根据本发明提供的一种单用户模拟波束搜索方法，所述基于所述最佳接收波束对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索，包括：
基于所有接收端子阵的阵列间距离和所述最佳接收波束的方向角依次对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。
根据本发明提供的一种单用户模拟波束搜索方法，在所述基于所有接收端子阵的阵列间距离和所述最佳接收波束的方向角依次对所述备用接收波束进行相位补偿后，还包括：
将相位补偿后的所述备用接收波束与所述第一个接收端子阵的码本中的码字进行相关性计算。
本发明提供一种基站，包括：
发送模块，用于遍历发送端的第一个发送端子阵的码本，向接收端的第一个接收端子阵发送参考信号；
获取模块，用于获取所述接收端反馈的发送波束搜索结果，所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
发送波束确定模块，用于基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。
本发明提供一种终端，包括：
接收模块，用于遍历接收端的第一个接收端子阵的码本，接收发送端的第一个发送端子阵发送的参考信号；
搜索结果确定模块，用于根据所述参考信号的接收功率，确定接收波束搜索结果和发送波束搜索结果，所述接收波束搜索结果包括一个最佳接收波束和多个备用接收波束，所述最佳接收波束对应的参考信号接收功率大于所述备用接收波束对应的参考信号接收功率；所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
上报模块，用于将所述发送波束搜索结果发送至所述发送端；
接收波束确定模块，用于基于所述最佳接收波束对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述单用户模拟波束搜索方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述单用户模拟波束搜索方法。
本发明提供的单用户模拟波束搜索方法和装置，首先确定第一个子阵的最佳波束，然后通过相位补偿确定其余子阵的最佳波束，只需搜索一个子阵对，降低了搜索复杂度，减小时延，满足实际系统在大规模MIMO场景下低时延的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的单用户模拟波束搜索方法的发送端流程示意图；
图2是本发明提供的单用户模拟波束搜索方法的接收端流程示意图；
图3是本发明提供的单用户模拟波束搜索方法的双端交互流程示意图之二；
图4是本发明提供的发送端和接收端的结构示意图；
图5是单用户相位补偿辅助波束搜索算法的处理流程示意图；
图6a和图6b是频谱效率仿真图；
图7a和图7b是搜索复杂度仿真图
图8是本发明提供的基站的结构示意图；
图9是本发明提供的终端的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
参照图1，本发明提供一种单用户模拟波束搜索方法，包括：
S110，遍历发送端的第一个发送端子阵的码本，向接收端的第一个接收端子阵发送参考信号；
S120，获取所述接收端反馈的发送波束搜索结果，所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
S130，基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。
在步骤S110中，发送端为基站，接收端为单用户，本申请适用于基站与单用户之间的通信，并可轻易扩展至多用户场景。
发送端和接收端均采用了部分连接子阵结构，发送端和接收端构建出模拟数字混合处理下行单小区系统。
发送端包括RF链路后端的数字预编码部分和RF链路前端的模拟预编码部分，接收端包括RF链路前端的模拟合并部分和RF链路后端的数字合并部分。基站部署了Nt根天线，以固定子阵的方式连接至
Figure BDA0003811762690000081
条RF链路上服务单一用户，每条RF链路上连接Mt根天线
Figure BDA0003811762690000082
在发送端(基站侧)，复值符号
Figure BDA0003811762690000083
先经过数字预编码矩阵
Figure BDA0003811762690000084
完成数字预编码，再通过模拟预编码矩阵
Figure BDA0003811762690000085
Figure BDA0003811762690000086
编码后由Nt根天线以波束形式发送。因此，发送端传输的信号为：
x＝FRFFBBs
其中发送信号s须满足
Figure BDA0003811762690000087
P0为平均发送功率。
在步骤S120中，最佳发送波束和备用发送波束可根据对应的参考信号接收功率的大小排序。参考信号接收功率RSRP的计算公式如下：
RSRP＝E[‖y‖2]
其中，y为接收端收到的信号。
在步骤S130中，对每一个备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵中的每一个发送端子阵的最佳发送波束。
可以理解的是，本申请首先确定第一个子阵的最佳波束，然后通过相位补偿确定其余子阵的最佳波束，只需搜索一个子阵对，无需搜索确定所有子阵的最佳波束，降低了搜索复杂度，减小时延，满足实际系统在大规模MIMO场景下低时延的需求。
在上述实施例的基础上，作为一个优选的实施例，所述基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索，包括：
基于所有发送端子阵的阵列间距离和所述最佳发送波束的方向角依次对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。
其中，阵列间距离是已知的，得到第一个发送端子阵的最佳发送波束和其他发送端子阵的最佳发送波束后，完成波束搜索。
本申请实施例中，最佳发送波束和备用发送波束以码字进行表征，相位补偿的计算公式如下：
Figure BDA0003811762690000091
其中，MSAKj表示发送端的第j个子阵，
Figure BDA0003811762690000092
代表对应发送端子阵的最佳发送波束，dm为阵列间距离，最佳发送波束的方向角为
Figure BDA0003811762690000093
Figure BDA0003811762690000094
为发送波束搜索结果中第j个发送波束对应的码字，当j＝1时，为最佳发送波束对应的码字，当j>1时，为备用发送波束对应的码字。
可选的，在所述基于所有发送端子阵的阵列间距离和所述最佳发送波束的方向角依次对所述备用发送波束进行相位补偿后，还包括：
将相位补偿后的所述备用发送波束与所述第一个发送端子阵的码本中的码字进行相关性计算。
对相位补偿后的所述备用发送波束进行相关性计算后，可以对应离散傅里叶变换码本。
可以理解的是，本申请实施例通过相位补偿计算出其他发送端子阵的最佳发送波束，减少了搜索量，降低了时延。
在上述实施例的基础上，参照图2，本发明提供一种单用户模拟波束搜索方法，包括：
S210，遍历接收端的第一个接收端子阵的码本，接收发送端的第一个发送端子阵发送的参考信号；
S220，根据所述参考信号的接收功率，确定接收波束搜索结果和发送波束搜索结果，所述接收波束搜索结果包括一个最佳接收波束和多个备用接收波束，所述最佳接收波束对应的参考信号接收功率大于所述备用接收波束对应的参考信号接收功率；所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
S230，将所述发送波束搜索结果发送至所述发送端；
S240，基于所述最佳接收波束对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。
在步骤S210中，接收端的结构与基站一致，配备的Nr根天线连接至
Figure BDA0003811762690000101
条RF链路上，每条RF链路上连接Mr根天线
Figure BDA0003811762690000102
支持Ns条数据流的传输(Ns≥1)。
在步骤S220中，在接收端(用户侧)收到的信号首先通过模拟合并器
Figure BDA0003811762690000103
进行模拟合并，之后通过数字合并器
Figure BDA0003811762690000104
后可得到发送端所发数据。接收到的数据y可由下式给出：
Figure BDA0003811762690000105
其中H是维度为Nr×Nt的信道矩阵，定义用户的等效基带信道为
Figure BDA0003811762690000111
加性高斯白噪声
Figure BDA0003811762690000112
此处信道矩阵为基于传统SV信道扩展而来的窄带MIMO SV信道模型，其归一化表示如下：
Figure BDA0003811762690000113
其中Ncluster代表簇的个数，Nray表示每个簇内包含的子径个数；αk,l为第k个簇内第l个子径的复增益系数，且αk,l～CN(0,1)。
Figure BDA0003811762690000114
分别代表发送端每个子径的离开方位角和俯仰角；而
Figure BDA0003811762690000115
则代表每个子径的到达方位角和俯仰角。每个子径的AoA和AoD均服从拉普拉斯分布，其方差为子径的角度扩展。a为天线阵列响应，均匀线阵的阵列响应表达式如下
Figure BDA0003811762690000116
其中，M表示天线单元数，d为天线单元间隔，一般取λ/2；θ表示方位角。
在部分连接结构下，
Figure BDA0003811762690000117
其中
Figure BDA0003811762690000118
为非零模拟预编码向量，
Figure BDA0003811762690000119
受功率的限制，FRF内的元素须满足
Figure BDA00038117626900001110
且
Figure BDA00038117626900001111
‖·‖F为Frobenius范数。类似地，
Figure BDA00038117626900001112
wj是维度为Mr×1的非零模拟合并向量，
Figure BDA00038117626900001113
且WRF中的每一个元素须满足
Figure BDA00038117626900001114
Figure BDA00038117626900001115
混合波束成形的频谱效率表示为
Figure BDA0003811762690000121
混合波束成形器由上述的数字预编码矩阵WRF/合并矩阵WBB和RF端的模拟预编码矩阵FRF/合并矩阵FBB构成。混合波束成形器的具体实现过程大致为：首先根据实际信道H设计发端模拟预编码矩阵FRF和收端模拟合并矩阵WRF，然后根据等效基带信道
Figure BDA0003811762690000123
设计发端数字预编码矩阵FBB和收端数字合并矩阵WBB。模拟预编码矩阵FRF与合并矩阵WRF的设计，通常是采用基于码本的波束搜索方法实现。本发明采用的波束成形码本集合是离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)码本，码本中的第m个码字中第n根天线的加权系数Qm,n的计算公式如下：
Figure BDA0003811762690000122
其中M为码字的数量，N为天线的数量，码本集合为包含了码本所有码字的集合。
在步骤S220中，接收波束搜索结果和发送波束搜索结果均根据对应的参考信号接收功率的大小排序。参考信号接收功率RSRP的计算公式如下：
RSRP＝E[‖y‖2]
其中，y为接收端收到的信号。
在步骤S240中，对每一个备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵中的每一个接收端子阵的最佳接收波束。
在上述实施例的基础上，作为一个优选的实施例，所述基于所述最佳接收波束对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索，包括：
基于所有接收端子阵的阵列间距离和所述最佳接收波束的方向角依次对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。其中，阵列间距离是已知的，得到第一个接收端子阵的最佳接收波束和其他接收端子阵的最佳接收波束后，完成接收端的波束搜索。
本申请实施例中，最佳接收波束和备用接收波束以码字进行表征，相位补偿的计算公式如下：
Figure BDA0003811762690000131
其中，MSAKj表示接收端的第j个子阵，
Figure BDA0003811762690000132
代表接收端子阵的最佳接收波束，dm为阵列间距离，最佳接收波束的方向角为
Figure BDA0003811762690000133
Figure BDA0003811762690000134
为接收波束搜索结果中第j个接收波束对应的码字，当j＝1时，为最佳接收波束对应的码字，当j>1为备用接收波束对应的码字。
可选的，在所述基于所有接收端子阵的阵列间距离和所述最佳接收波束的方向角依次对所述备用接收波束进行相位补偿后，还包括：
将相位补偿后的所述备用接收波束与所述第一个接收端子阵的码本中的码字进行相关性计算，可以适用于离散傅里叶变换码本。
在上述实施例的基础上，参照图3，本发明提供一种单用户模拟波束搜索方法，包括：
S310，发送端和接收端对第一个子阵对进行波束遍历搜索，具体的，发送端遍历第一个发送端子阵的码本发送参考信号，接收端遍历第一个接收端子阵的码本接收参考信号；
S320，接收端根据参考信号的接收功率确定波束组合，波束组合包括第一个子阵对的最佳接收波束和最佳发送波束，其余为备用波束对。
S330，接收端将发送波束搜索结果发送至发送端，发送端根据发送波束搜索结果确定第一个发送端子阵的最佳发送波束和多个备用发送波束；
S340，发送端基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，接收端基于所述最佳接收波束对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。
下面以一个具体的实施例对本发明实施例提供的单用户模拟波束搜索方法进行详细说明。
如图4和图5所示，基站遍历第一个子阵
Figure BDA0003811762690000141
的码本发送参考信号，用户遍历第一个子阵
Figure BDA0003811762690000142
的码本进行接收。
在步骤S320中，假定
Figure BDA0003811762690000143
确定使得参考信号接收功率(ReferenceSignal Received Power，RSRP)最大的
Figure BDA0003811762690000144
对波束组合
Figure BDA0003811762690000145
和
Figure BDA0003811762690000146
其中
Figure BDA0003811762690000147
和
Figure BDA0003811762690000148
Figure BDA0003811762690000149
和
Figure BDA00038117626900001410
分别为第一个子阵对的最佳接收波束和最佳发送波束，其余为备用波束对。
在确定WUE和FBS后，用户通过物理上行控制信道(Physical Uplink ControlChannel,PUCCH)将FBS的波束信息上传至基站。至此，基站能确定第一个子阵的最佳发送波束及
Figure BDA00038117626900001411
个备用发送波束。
基站和用户根据第一个子阵的波束搜索结果，可得到最佳波束
Figure BDA00038117626900001412
对应的方位角
Figure BDA00038117626900001413
和
Figure BDA00038117626900001414
由于阵列间距离dm为已知信息，可得到用户其余子阵对应的最佳码字
Figure BDA00038117626900001415
及基站侧其余子阵的最佳码字
Figure BDA00038117626900001416
Figure BDA00038117626900001417
其中MSAKj表示用户或基站的第j个子阵，
Figure BDA00038117626900001418
为WUE集合中的第j个码字，
Figure BDA00038117626900001419
为FBS集合中的第j个码字。通常情况下，计算得到的最佳码字无法完全对应DFT码本中的码字，因此需要进行相关性计算，选取DFT码本中与计算得到的矢量相关性最强的码字为最佳码字。基于上述步骤，最终可确定FRF矩阵和WRF矩阵。
下面对上述
Figure BDA0003811762690000151
和
Figure BDA0003811762690000152
计算公式的推导过程进行详细说明。
对于基站与用户，最佳的
Figure BDA0003811762690000153
对收发波束方向组合主要取决于信号在传播过程中经过的各个散射体位置，一条信号传播路径对应一对收发波束方向。毫米波稀疏信道中散射体个数有限，因此收发端进行波束搜索后，最终获得的
Figure BDA0003811762690000154
对最佳波束对应的信号传播路径都是基本确定的。只不过由于不同子阵间存在一定的相位差，导致同一条路径通过不同子阵对搜索得到时对应的波束方向有所差别。这种相位差是由天线阵列结构所致，可以精确计算出来，故可在波束搜索过程加以利用，基于单对子阵的波束搜索结果进行相位差补偿，从而获得多对子阵间的最佳通信波束对组合。
将本申请信道模型用矩阵的形式表示，其信道归一化矩阵为：
Figure BDA0003811762690000155
其中
Figure BDA0003811762690000156
为信道复增益矩阵，L＝NcNp表示所有子径的数量，
Figure BDA0003811762690000157
和
Figure BDA0003811762690000158
分别表示收发端的阵列响应矩阵。以收发端各两个子阵为例，当天线单元间隔为ds，子阵间距离dm时，矩阵B、Ar的具体表达式为：
Figure BDA0003811762690000159
Figure BDA00038117626900001510
其中
Figure BDA00038117626900001511
表示第i个簇j条径AoA的方位角。只有两个子阵时，Mr＝Nr/2。通过观察可将Ar计算公式简化为
Figure BDA0003811762690000161
其中
Figure BDA0003811762690000162
和
Figure BDA0003811762690000163
分别为第一、第二个子阵的阵列响应矩阵。
Figure BDA0003811762690000164
的维度为L×L，且只有对角线上有元素，可表示为
Figure BDA0003811762690000165
同理可得At的化简表达式为
Figure BDA0003811762690000166
其中
Figure BDA0003811762690000167
表示第i个簇j条径AoD的方位角，
Figure BDA0003811762690000168
和
Figure BDA0003811762690000169
分别为第一、第二个子阵的阵列响应矩阵，只有两个子阵时，Mt＝Nt/2。可得
Figure BDA00038117626900001610
假设波束搜索后得到的模拟合并矩阵为
Figure BDA00038117626900001611
其中，
Figure BDA00038117626900001612
分别表示第一、第二个子阵所选取的最优波束。模拟预编码矩阵为
Figure BDA00038117626900001614
Figure BDA00038117626900001613
分别表示第一、第二个子阵所选择的最佳波束，则等效信道的表达式为
Figure BDA0003811762690000171
对比第一个子阵波束搜索结果w1 HAr1BAt1 Hf1和第二个子阵波束搜索结果
Figure BDA0003811762690000172
可知，若要通过第一个子阵的搜索结果获取第二个子阵的最佳波束，则需对收端的相位差
Figure BDA0003811762690000173
和发端的相位差
Figure BDA0003811762690000174
进行相位补偿。而获取所有子径的相位
Figure BDA0003811762690000175
和
Figure BDA0003811762690000176
在未知信道信息的情况下显然难以实现。考虑到每条子径的复增益不同，并且复增益越大，对波束的选择影响越大，即选择的最佳波束对应的角度与复增益最大的子径的角度最接近。因此，对相位差进行近似处理，令
Figure BDA0003811762690000177
Figure BDA0003811762690000178
其中
Figure BDA0003811762690000179
和
Figure BDA00038117626900001710
分别表示收端第一个子阵搜索出的最佳波束对应的角度和发端第一个子阵搜索的最佳波束对应的角度。将
Figure BDA00038117626900001711
和
Figure BDA00038117626900001712
的系数提出来后可表示为
Figure BDA00038117626900001713
和
Figure BDA00038117626900001714
则第二个子阵波束搜索结果可近似表示为
Figure BDA00038117626900001715
故可得固定子阵相位补偿的公式为
Figure BDA00038117626900001716
即
Figure BDA00038117626900001717
为了减轻多径的干扰及避免波束重叠，对上式进行优化改进，即对第一个子阵的次佳波束进行相位补偿得到第二个子阵的最佳波束。同理，第三个子阵的最佳波束由排序为第三的波束对进行相位补偿。因此，可得最终的相位补偿公式。
下面对本申请实施例的仿真效果进行具体说明。
参照图6a和图6b，图6a和图6b为单用户传输方案在毫米波信道下与联合子阵搜索(两端所有子阵的码本进行联合遍历搜索)方案、独立子阵搜索(两端每对子阵逐一独立遍历搜索)、两级波束搜索(进行粗波束和细波束搜索)的频谱效率比较仿真图，其中图6a、图6b分别为收发天线数为32×64、64×128架构下仿真图。对于两级波束搜索，其发端一个粗波束中有8个细波束，收端一个粗波束中有4个细波束。仿真中，发送端基站配备2条RF链路，即每条RF链路配备32或64根天线；接收端用户配备2条RF链路，即每条RF链路配备16根天线或32根天线。载波频率为28GHz，簇的数量为4，每个簇内包含两条径，采用ULA天线阵列结构。图中横坐标是信噪比，单位为分贝；纵坐标是频谱效率，单位比特每秒每赫兹。根据仿真结果，可看出本专利提出的相位补偿辅助搜索方案的性能接近联合子阵搜索的性能。从图6a中可以看出：在收发天线数为32×64时，与联合子阵搜索相比，在信噪比为20dB时，本申请的性能损失为7.1％，但与两级波束搜索相比，性能提高了19.3％，与独立子阵搜索相比，提升了33.5％；在收发天线数为64×128时，与联合子阵搜索相比，在信噪比为20dB时，本申请性能损失为6.2％，但与两级波束搜索相比，性能提高了26％，与独立子阵搜索相比，提升了47.5％。随着天线数量的增加，相位补偿辅助搜索方案的性能也会有所提升。
图7a和图7b的仿真结果表明，本专利提出方案的搜索次数远小于联合子阵搜索的搜索次数。在图7a中，接收端天线数固定为32，由于采用DFT码本，子阵的码本容量与对应的天线数相同，随着发送端码本数量的提升，本申请在相同配置下具有最低搜索复杂度，当码本数量为64时，复杂度仅约为联合子阵搜索算法的0.2％。在图7b中，发端天线数固定为128，当码本数量为64时，复杂度仅约为联合子阵搜索算法的0.05％。
在配置相同的情况下，本发明方案均能在性能接近联合子阵搜索的同时保持较低的复杂度，是在部分连接子阵连接方式下一种有效的单用户模拟波束搜索方案。
下面对本发明提供的单用户模拟波束搜索装置进行描述，下文描述的单用户模拟波束搜索装置与上文描述的单用户模拟波束搜索方法可相互对应参照。
参照图8，本发明提供一种基站，包括：
发送模块810，用于遍历发送端的第一个发送端子阵的码本，向接收端的第一个接收端子阵发送参考信号；
获取模块820，用于获取所述接收端反馈的发送波束搜索结果，所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
发送波束确定模块830，用于基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。
在一个实施例中，发送波束确定模块830用于：
基于所有发送端子阵的阵列间距离和所述最佳发送波束的方向角依次对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。
在一个实施例中，发送波束确定模块830还用于：
在所述基于所有发送端子阵的阵列间距离和所述最佳发送波束的方向角依次对所述备用发送波束进行相位补偿后，将相位补偿后的所述备用发送波束与所述第一个发送端子阵的码本中的码字进行相关性计算。
参照图9，本发明提供一种终端，包括：
接收模块910，用于遍历接收端的第一个接收端子阵的码本，接收发送端的第一个发送端子阵发送的参考信号；
搜索结果确定模块920，用于根据所述参考信号的接收功率，确定接收波束搜索结果和发送波束搜索结果，所述接收波束搜索结果包括一个最佳接收波束和多个备用接收波束，所述最佳接收波束对应的参考信号接收功率大于所述备用接收波束对应的参考信号接收功率；所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
上报模块930，用于将所述发送波束搜索结果发送至所述发送端；
接收波束确定模块940，用于基于所述最佳接收波束对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。
在一个实施例中，接收波束确定模块940用于：
基于所有接收端子阵的阵列间距离和所述最佳接收波束的方向角依次对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。
在一个实施例中，接收波束确定模块940还用于：
在所述基于所有接收端子阵的阵列间距离和所述最佳接收波束的方向角依次对所述备用接收波束进行相位补偿后，将相位补偿后的所述备用接收波束与所述第一个接收端子阵的码本中的码字进行相关性计算。
本发明还提出了一种单用户模拟波束搜索装置，包括上述实施例所述的基站和终端。
本发明提供了一种电子设备，该电子设备可以包括：处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、存储器(memory)和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行单用户模拟波束搜索方法。
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的单用户模拟波束搜索方法。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的单用户模拟波束搜索方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种单用户模拟波束搜索方法，其特征在于，包括：
遍历发送端的第一个发送端子阵的码本，向接收端的第一个接收端子阵发送参考信号；
获取所述接收端反馈的发送波束搜索结果，所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。
2.根据权利要求1所述的单用户模拟波束搜索方法，其特征在于，所述基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索，包括：
基于所有发送端子阵的阵列间距离和所述最佳发送波束的方向角依次对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。
3.根据权利要求2所述的单用户模拟波束搜索方法，其特征在于，在所述基于所有发送端子阵的阵列间距离和所述最佳发送波束的方向角依次对所述备用发送波束进行相位补偿后，还包括：
将相位补偿后的所述备用发送波束与所述第一个发送端子阵的码本中的码字进行相关性计算。
4.一种单用户模拟波束搜索方法，其特征在于，包括：
遍历接收端的第一个接收端子阵的码本，接收发送端的第一个发送端子阵发送的参考信号；
根据所述参考信号的接收功率，确定接收波束搜索结果和发送波束搜索结果，所述接收波束搜索结果包括一个最佳接收波束和多个备用接收波束，所述最佳接收波束对应的参考信号接收功率大于所述备用接收波束对应的参考信号接收功率；所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
将所述发送波束搜索结果发送至所述发送端；
基于所述最佳接收波束对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。
5.根据权利要求4所述的单用户模拟波束搜索方法，其特征在于，所述基于所述最佳接收波束对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索，包括：
基于所有接收端子阵的阵列间距离和所述最佳接收波束的方向角依次对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。
6.根据权利要求5所述的单用户模拟波束搜索方法，其特征在于，在所述基于所有接收端子阵的阵列间距离和所述最佳接收波束的方向角依次对所述备用接收波束进行相位补偿后，还包括：
将相位补偿后的所述备用接收波束与所述第一个接收端子阵的码本中的码字进行相关性计算。
7.一种基站，其特征在于，包括：
发送模块，用于遍历发送端的第一个发送端子阵的码本，向接收端的第一个接收端子阵发送参考信号；
获取模块，用于获取所述接收端反馈的发送波束搜索结果，所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
发送波束确定模块，用于基于所述最佳发送波束对所述备用发送波束进行相位补偿，得到其余发送端子阵的最佳发送波束，完成波束搜索。
8.一种终端，其特征在于，包括：
接收模块，用于遍历接收端的第一个接收端子阵的码本，接收发送端的第一个发送端子阵发送的参考信号；
搜索结果确定模块，用于根据所述参考信号的接收功率，确定接收波束搜索结果和发送波束搜索结果，所述接收波束搜索结果包括一个最佳接收波束和多个备用接收波束，所述最佳接收波束对应的参考信号接收功率大于所述备用接收波束对应的参考信号接收功率；所述发送波束搜索结果包括一个最佳发送波束和多个备用发送波束，所述最佳发送波束对应的参考信号接收功率大于所述备用发送波束对应的参考信号接收功率；
上报模块，用于将所述发送波束搜索结果发送至所述发送端；
接收波束确定模块，用于基于所述最佳接收波束对所述备用接收波束进行相位补偿，得到其余接收端子阵的最佳接收波束，完成波束搜索。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述单用户模拟波束搜索方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述单用户模拟波束搜索方法。
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