一种低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种低分辨率apss分层码本设计及搜索方法。

背景技术：

与第四代移动通信系统(4^thgeneration，4g)相比，第五代移动通信系统(5^thgeneration，5g)的提升是全方位的。按照第三代合作伙伴计划(3^thgenerationpartnershipproject，3gpp)的定义，5g具备高性能、低延迟与高容量的特性。5g的增强型移动宽带场景(enhancemobilebroadband,embb)主要提供3d/超高清视频等大流量移动宽带业务，这就需要数据传输速率达到gbps的量级；同时在海量大连接场景(massivemachinetypeofcommunication，mmtc)中，大规模物联网(internetofthings，iot)业务将会导致接入到无线网络上的设备数量呈现爆炸式增长，频谱资源短缺的问题日益突出。毫米波信号频率高，可以提供丰富的频谱资源，以28ghz频段为例，其可用频谱带宽达到了1ghz，而60ghz频段的可用频谱带宽为2ghz，这从根本上解决了频谱资源短缺的问题。然而，毫米波最大的缺点是穿透性差、路径损耗大，因此在室外进行毫米波通信并不容易。幸运的是，毫米波波长短，相应的天线尺寸小，这就意味着可以通过部署大规模多输入多输出(mimo)系统提供巨大的阵列增益，以抵消毫米波信号严重的路径损耗。所以毫米波和大规模mimo技术的结合是实现5g商用的关键。

毫米波大规模mimo技术联合预编码技术，可以进一步提高毫米波系统的频谱效率。在传统的低频系统中，发送信号的预处理通常在基带进行，基带预编码需要给每根天线单独配置射频(radiofrequency，rf)链。由于低频系统天线数量很少，rf链个数相对较少，因此其功耗和成本对整个系统来说是可接受的。但在毫米波大规模mimo系统中，由于天线数量的激增，如果沿用传统的基带预编码设计方案，将会导致功耗过高，同时使得硬件成本难以接受。为此，在毫米波大规模mimo系统中，考虑采用混合预编码架构。混合预编码架构将预编码处理分成数字基带预编码和由模拟移相器(analogphaseshifters，apss)构成的模拟预编码两部分。该方案只需少量rf链，从而解决了传统全数字基带预编码方案的高成本和高功耗问题。

相比于混合预编码中的数字部分，由于恒模约束，模拟预编码的设计更具挑战。为了有效设计模拟预编码矩阵，一种可行的方案是首先设计模拟预编码码本，进而通过最大化接收功率为准则在码本中寻找最优码字。基于有限反馈算法采用波束导向码本构造模拟预编码码本，接着在码本中进行穷举搜索寻找最优码字。为了降低增益损失，码本中码字数量需要大于等于天线数。由于大规模mimo系统中天线规模庞大，相应的码本中码字数量很多，则在码本中进行穷举搜索的复杂度很高。deact码本虽然给出了一种分层码本结构，降低了寻找最优码字的搜索复杂度，但是需要使用高分辨率apss，没有考虑在实际的通信场景中，apss分辨率有限的现实问题。综上所述，为了降低寻找最优码字的搜索复杂度，同时考虑apss分辨率有限问题，设计低分辨率apss分层码本显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低分辨率apss分层码本设计及搜索方法，解决在apss分辨率有限的情况下，如何降低寻找最优码字的搜索复杂度的问题。

本发明的具体技术方案为：

一种低分辨率apss分层码本设计及搜索方法，设计k比特分辨率apss分层码本及搜索方法包括以下处理步骤：

s1：将码本有效天线数m设为2^k+i-1，其中i表示码本的层数，i∈{1,2,3,......}，通过2^k+i-1相位码本构造方法设计第i层过渡码本gi，对gi进行归一化处理，可得第i层码本bi。

s2：得到过渡码本gi后，令对gi进行扩充，得到第层过渡码本对进行归一化处理可得第层码本再令此时码本有效天线数m为2^k+i-1。

s3：重复操作s2，通过过渡码本扩充及归一化的方式设计余下各层码本，直至码本有效天线数m等于通信设备配置的天线数n，即m＝2^k+i-1＝n；综合各层码本bi，最终构成分层码本b。

s4：分层码本b设计完成后，通过二叉树搜索寻找最优码字。

进一步，在所述的s1中当i＝1时，码本有效天线数为2^k，通过2^k相位码本构造方法设计第一层过渡码本g1，的具体设计方法如下：

其中过渡码本g1中的元素其中n表示矩阵g1的第n行，m表示矩阵g1的第m列。

进一步，所述的第i层码本bi表示为：

进一步，在所述的s2中，对gi进行扩充得到第层过渡码本具体的为：

进一步，所述的分层码本b共有log2n-k+1层，任意一层码本所有码字的波束范围的并集可覆盖整个角域；上一层码本称作下一层码本的父码本，下一层码本称作上一层码本的子码本，且任何一个父码字都可以在子码本中找到两个对应的子码字。

进一步，所述子码本对于父码本的码字数目加倍，子码本对应码字的波束宽度逐层细化，码字的波束宽度与有效天线数之间的关系如下：

其中bw表示码字的波束宽度，λ为信号波长，m表示有效天线数，d表示天线单元间距，通常设置d＝λ/2。

进一步，所述的s4中，分层码本b中的第i层的第t个码字bi(t)在第层对应的子码字分别为和第i层的码本中的一个码字与第层的码本中的两个码字对应，形成二叉树结构。

本发明的有益效果在于：本发明给出了一种低分辨率apss分层码本设计及搜索方法，通过逐层搜索，减小的不必要的搜索空间，极大降低了寻找最优码字的搜索复杂度；同时该码本考虑了apss分辨率有限的问题，并且可以根据不同的需要灵活配置不同分辨率apss，所以本发明在实际的通信场景中更具现实意义。

附图说明

图1为k比特分辨率apss分层码本设计流程图

图2为1比特分辨率apss分层码本结构图；

图3为2比特分辨率apss分层码本结构图；

图4为2比特分辨率apss分层码本搜索过程示意图；

图5为毫米波大规模mimo系统模拟预编码框图；

图6为毫米波大规模mimo系统模拟预编码设计流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明的具体实施过程做详细说明。

如图1所示，一种低分辨率apss分层码本设计及搜索方法，设计k比特分辨率apss分层码本及搜索方法包括以下处理步骤：

s1：将码本有效天线数m设为2^k+i-1，其中i表示码本的层数，i∈{1,2,3,......}，通过2^k+i-1相位码本构造方法设计第i层过渡码本gi，对gi进行归一化处理，可得第i层码本bi。当i＝1时，码本有效天线数为2^k，通过2^k相位码本构造方法设计第一层过渡码本g1，的具体设计方法如下：

其中过渡码本g1中的元素其中n表示矩阵g1的第n行，m表示矩阵g1的第m列。第i层码本bi表示为：

第一层码本可表示为：

此时第一层码本b1的有效天线数为2^k，对应的码字的个数为2^k。

s2：得到过渡码本gi后，令对gi进行扩充，得到第层过渡码本具体的为：

对进行归一化处理可得第层码本再令此时码本有效天线数m为2^k+i-1。对第i层过渡码本gi进行扩充以及归一化后，得到第层码本bi是的父码本，是bi的子码本，子码本对于父码本的码字数目加倍，子码本对应码字的波束宽度逐层细化。码字的波束宽度与有效天线数之间的关系如下：

其中，bw表示码字的波束宽度，λ为信号波长，m表示有效天线数，d表示天线单元间距，通常设置d＝λ/2。由上式可以看出，码字的波束宽度随着

有效天线数的增多而变细。

s3：重复操作s2，通过过渡码本扩充及归一化的方式设计余下各层码本，直至码本有效天线数m等于通信设备配置的天线数n，即m＝2^k+i-1＝n；综合各层码本bi，最终构成分层码本b，分层码本b共有log2n-k+1层。分层码本b满足下面两条准则：

a、任意一层码本所有码字的波束范围的并集可覆盖整个角域。

b、任何一个父码字都可以在子码本中找到两个对应的子码字。

s4：分层码本b设计完成后，通过二叉树搜索寻找最优码字。分层码本b中的第i层的第t个码字bi(t)在第层对应的子码字分别为和第i层的码本中的一个码字与第层的码本中的两个码字对应，形成二叉树结构。

分层码本b构造完成之后，首先在第一层码本中进行搜索，找出第一层码本中的最优码字b1(t)；按照上述的对应关系，接着在b1(t)对应的子码字b2(t)和b2(t+2^k)中进行搜索找出第二层的最优码字，以此类推，直到搜索到最后一层码本，即可找到最优码字。

如图2所示，当apss的分辨率k等于1比特时，此时码本有效天线数为2，通过2相位码本构造方法设计对应的第一层过渡码本g1可表示为：

第一层码本可表示为：

此时第一层码本b1的有效天线数为2，对应的码字的个数为2，分辨率k等于1比特。

第二层过渡码本g2可表示为：

如图3所示，当apss的分辨率k等于2比特时，此时码本有效天线数为4，通过4相位码本构造方法设计对应的第一层过渡码本g1可表示为(j表示虚数)：

接着对g1进行归一化处理，第一层码本可表示为：

此时第一层码本b1的有效天线数为4，对应的码字个数为4，分辨率k等于2比特。

第二层过渡码本g2可表示为：

接着对g2进行归一化处理，第二层码本可表示为：

码字的波束宽度与有效天线数之间的关系如下：

其中bw表示码字的波束宽度，λ为信号波长，m表示有效天线数，d表示天线单元间距，一般设置d＝λ/2。由上式可以看出，码字的波束宽度随着有效天线数的增多而变细。鉴于此，由于第二层码本的有效天线数加倍，相应的码字个数加倍，码字的波束宽度细化。

当apss分辨率等于2比特时，分层码本b共有log2n-1，第一层码本的个数为4，各层码本之间码字数逐层加倍，直到最后一层码本的码字数为n。

分层码本b构造完成之后，首先在第一层码本中进行搜索，找出第一层的最优码字b1(t)；按照上述的对应关系，接着在b1(t)对应的子码字b2(t)b2(t+2^k)中进行搜索找出第二层的最优码字，以此类推，直到搜索到最后一层码本，即可找到最优码字。如图4所示为2比特分辨率apss分层码本搜索过程示意图，首先在第一层的四个码字中进行搜索找出最优码字b1(t)，接着在b1(t)对应的子码字b2(t)和b2(t+4)中进行搜索找出第二层的最优码字，以此类推，直到搜索到最后一层码本，即可找到最优码字。

本发明适用于毫米波大规模mimo系统模拟预编码设计，系统模型如图5所示。值得指出的是，模拟预编码可以看作是混合预编码的一部分，本发明同样适用于混合预编码架构以及推广到多用户场景。图5的系统模型参数为：发射端配置1个射频链和nt根发射天线，以及2比特分辨率apss；接收端配置1个射频链和nr根接收天线，以及1比特分辨率apss。接收端的接收信号可表示为：

y＝w^*hfs+w^*n

其中表示接收端的模拟合成矢量，w^*表示w的共轭转置，表示发射端的模拟预编码矢量，s表示原始的发射信号，表示信道矩阵，表示服从均值为0，协方差矩阵为的高斯白噪声，表示维度为nr×nr的单位阵。另外，w和f由模拟移相器实现，因此其元素满足恒模约束。系统的频谱效率可表示为：

其中r表示系统的频谱效率，σ²表示噪声功率。在w和f的元素满足恒模的条件下，为了获得较高的频谱效率，一种可行的方法是在发射端和接收端分别构建码本，通过码本搜索寻找最优的码字对来最大化接收功率，最优码字对即为模拟预编码矢量和模拟合成矢量。波束导向码本可以获得较好的性能，但是需要在码本中进行穷举搜索，且需要使用高分辨率apss；基于波束导向码本的分层码本解决了搜索复杂度高的问题，但是依然需要使用高分辨率apss。本发明中的低分辨率apss分层码本虽然不可避免的造成了一定的性能损失，但是避免了使用高分辨率apss，同时可以根据不同需求灵活配置不同分辨率apss，所以在实际的通信场景中更具优势。

如图6所示为毫米波大规模mimo系统模拟预编码设计流程图，详细描述如下：

步骤61：根据本发明提出的低分辨率apss分层码本设计方法，设计发射端的2比特分辨率apss分层码本f。由于apss分辨率为2比特，则此时码本有效天线数为4，通过4相位码本构造方法设计对应的第一层过渡码本可表示为：

接着对g1进行归一化处理，第一层码本可表示为：

接着对g1进行扩充得到第二层过渡码本g2可表示为：

接着对g2进行归一化处理，第二层码本可表示为：

通过过渡码本扩充及归一化的方式设计余下各层码本，直至码本有效天线数等于发射端配置的天线数nt，综合各层码本最终构成分层码本f。

步骤62：根据本发明提出的低分辨率apss分层码本设计方法，设计接收端的1比特分辨率apss分层码本w。由于apss分辨率为1比特，则此时码本有效天线数为2，通过2相位码本构造方法设计对应的第一层过渡码本可表示为：

接着对g1进行归一化处理，第一层码本可表示为：

接着对g1进行扩充得到第二层过渡码本g2可表示为：

接着对g2进行归一化处理，第二层码本可表示为：

通过过渡码本扩充及归一化的方式设计余下各层码本，直至码本有效天线数等于接收端配置的天线数nr，综合各层码本最终构成分层码本w。

步骤63：将发射端的模拟预编码矢量设置为在接收端的分层码本w中进行二叉树搜索，直至最后一层，找出使得接收功率最大化的码字，即为模拟合成矢量w；

步骤64：固定步骤63找出的模拟合成矢量w，在发射端的分层码本f中进行二叉树搜索，直至最后一层，找出使得接收功率最大化的码字，即为模拟预编码矢量f。