毫米波系统快速信道估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信系统技术领域，具体设及一种毫米波系统快速信道估计方 法。
【背景技术】
[0002] 目前高速业务的迅速增长，使得下一代通信技术的目标是能够提供化psW上的传 输速率，显然中低频段的通信系统难W满足需求，且此频段业务众多，频谱拥挤不堪，于是 业界将目光投向毫米波段。该频段的特点是波长较短，使得设备可W集成更多的天线，不但 可W大大提高频谱利用率，而且可W获得阵列增益，正好弥补毫米波段由于衰减大导致覆 盖距离不够的缺陷。但是，当未来毫米波通信系统集成的天线数目多达上百根时，便会带来 许多问题，其中最突出的问题是信道信息的快速获取。因为随着天线数量的上升，所需要的 信道信息量也急剧上升，导致其获取复杂度及反馈信息量随之加大，因此当发射机获得该 信道信息时，信道已经发生变化，即信道已经老化（channel aging)[参考文件1 =Truong, K.T.,&Heath,R.W.(2013).EffectS of channel aging in massive MIMO systems. Communications and Networks ,Journal of, 15(4) ,338-351.]。故为了保证信道 信息的时效性，随着天线数量的上升，需要设计一种更加高效、快速地信道估计方案。
[0003] 对于波束切换系统的模拟波束赋形结构来讲，信道信息的获取实际上是一个波束 捜索问题。该系统通常预先设计好若干个合适的波束，并将所需的天线阵列加权向量(即波 束码本)储存起来，在使用时从中选取最合适的波束进行通信。为了兼顾实现复杂度与覆盖 效果，目前的毫米波无线局域网标准多采用此结构。而在第五代移动通信网及未来的超高 速无线局域网中则可能采用混合数模结构波束赋形技术，其中也设及到快速波束捜索问 题。目前802.15.3c标准中采用扇区级和波束级的两级捜索方案，复杂度与天线数目的平方 成正比[参考文件 2:Gilb，J.P.K.(Technical Editor).(2009).IEEE Standards 802.15.ScTM-Part 15.3:Wireless MediumAccess Control(MAC)and Physical Layer (PHY)Specifications for High Rate Wireless PersonalArea Networks(WPANs) Amendment 2:Mi11imeter-wave-based Alternative Physical Layer Extension.New 化rk, USA, I邸E Computer Society. ] ;802.1 lad标准中捜索复杂度则降低到与天线数目成 线性关系[参考文件3:Cordeiro，C. (Technical Editor). (2010). IE趾 P802. IladTM/ DO.I-化rt 11:Wireless LAN MediumAccess Cont;rol(MAC)and Physical Layer(PHY) Specifications-Amendment 6:Enhancements for Very High Throughput in the 60GHz Band.化W 化rk,USA, I 邸E 802.11 Committee of the IE邸 Computer Society.];参考文 件4中公开的二分捜索方案[参考文件4:Zou,Wei-Xia,Guang-Long Du,Bin Li,and Zheng Zhou."Step-Wisely Rfinement Based Beam Searching Scheme for 60 GHz Communications."Wireless personal communications 71,no.4(2013):2993-3010.]，复 杂度可降低到与天线数目成对数关系；参考文件5中提出利用旁瓣重叠的波束=分捜索的 方案，捜索复杂度进一步降低[参考文件5:Kokshoorn，M.，Wang，P.，Li，Y.，&Vucetic，B. (2015,June).Fast channel estimation for millimetre wave wireless systems using overl曰pped be曰m p曰tterns. In Communic曰tions(ICC),2015 IEEE Internstionsl Conference on(pp. 1304-1309). I邸E.]。但对于上百根天线来讲，捜索复杂度仍然太高。
[0004] 对于收发双方均采用多天线的毫米波通信系统来讲。为获得较好的通信质量，需 要寻找最优收发波束对用W通信。对发射机而言，需要估计信号的离开角A0D(Angle Of Departure)，并据此选取发射波束;对接收机而言，需要估计信号的到达角A0A(Angle of Arrival)，并据此选取接收波束。对于毫米波下的点对点静态LOS信道，通常对于一个设备， 其发射信号的AOD与接收信号的AOA是一样的。因此一个设备的接受波束与发射波束是一致 的，在信道估计时也只需估计出AOD或AOA其中的一个即可。目前普遍采用的方法，是通过不 同发射波束发射信号，根据反馈估计AOD。发射机在得到该AOD数据后，选择在该AOD增益最 大的波束进行通信。
[0005] 假设某设备使用天线阵列，产生Q个用于通信的波束(简称通信波束)来覆盖整个 空间范围（-90°，+90°)。即将整个空间范围划分为Q个AOD区间，其中第q个区间记为Aq(q = 1，2,…，Q)。当发射机发现估计出的AOD隶属于某个Aq，则选择该区间对应的波束作为最优 通信波束，对应的编号q记为q-opt，即最优区间为Aq-opt。目前的波束切换系统中，AOD估计通 常与最优波束捜索一并进行。下面介绍各现有方法的机制和特点。
[0006] (1)基于遍历的捜索方法需要发射机通过Q个不同通信波束发射信号，接收机检测 并比较接收信号，将信号强度最高的时隙编号(或对应的波束编号）反馈给发射机，发射机 据此判断AOD位于该波束的覆盖区间。可见其反馈次数为1次，反馈信息量为logsQbit，需要 的训练信号发射次数为Q。
[0007] (2)基于二分捜索的方法[参考文件4]，需要产生主瓣宽度比通信波束更宽的用于 训练的波束（简称训练波束），逐步细化AOD的颗粒度，最终找到Aq-DPtD二分捜索过程分为 IogsQ个阶段，刚开始阶段产生的训练波束主瓣较宽，随着捜索过程的继续，训练波束主瓣 将越来越窄。一般来讲，下个阶段的波束宽度近似是上个阶段波束宽度的一半。在每个阶 段，均将波束捜索范围分为两个细分区间，并用两个波束分别覆盖运两个细分区间。发射机 依次通过运两个波束发射训练信号，接收机反馈信号强度较高的波束编号;发射机收到反 馈后，判断Aq处于该波束覆盖的细分区间内，并将该细分区间作为下一阶段的波束捜索范 围。通过运样的循环操作，将AOD的颗粒度逐步细化，直至找到足够精细的Aq-Wt,最终确定最 优的通信波束。每个阶段，需要发射2次训练信号，反馈信息量为化it。经过IogsQ次循环后， 反馈次数为log泌次，总反馈信息量为IogsQbit，所需的训练信号发射次数为2*log2Q。
[0008] (3)参考文件5中利用波束旁瓣的重叠区域进行=分捜索，其总体过程与二分捜索 相似，分为IogsQ个阶段。在每个阶段，产生两个波束覆盖捜索范围，但将捜索范围一分为 =，两个波束的主瓣各占一个区间，旁瓣的重叠区域占一个区间。在2个时隙内，通过运两个 波束发射信号，接收机检测信号强度，若其中一个波束的信号强度更高，则判定Aq-DPt处于该 波束主瓣覆盖的角度区间内；若两波束信号强度相当，则判定Aq-DPt处于两波束的旁瓣重叠 区间内。判定过程可W在接收机处进行，只反馈所属角度区间编号即可，信息量为l〇g23 bit,并将本阶段Aq所属区间作为下一阶段的捜索范围。经过IogsQ次循环后，反馈次数为 IogsQ次，总反馈信息量为l〇g23bit/次*log3Q次=IogsQ bit,所需要的训练信号发射次数 为2*log3Q。
[0009] =种方法的总反馈信息量是一样的，但各方法的复杂度不同，其原因在于对信息 的表示效率存在差异。为了确定Q个通信波束中最优的一个，无论采用哪种捜索方法，所需 要的信息量都为IogsQ bit。也就是说，用二进制表示该信息，所需要的位数为log泌位。遍历 捜索不分阶段，用Q位二进制数表示IogsQ bit信息；二分捜索的每个阶段，用2位二进制数 表示化it信息;=分捜索的每个阶段，用2位二进制数表示log23 bit信息。二分捜索与=分 捜索在每个阶段都发射2次训练信号，但=分捜索可W通过波束得到更多的方位信息。其原 因在于，波束叠加状态在二分捜索中并未得到应用，但在=分捜索中得W使用。然而=分捜 索只利用了旁瓣的叠加，而主瓣的叠加并未得W利用。
[0010] 可见，如果通过每个波束得到的方位信息量越多，信息表示效率越高，那么所需要 的训练信号发射次数也就越少，整个捜索过程的复杂度越小。而理论上，2位二进制数可W 表示化it信息。因此，二分法的表示效率较低，=分法虽然利用了波束旁瓣的叠加状态，但 并未利用主瓣的叠加，说明效率仍然有提高的空间。
【发明内容】
[0011] 本发明提出利波束主瓣重叠的快速信道估计方法，旨在进一步减小捜索复杂度， 利用多个主瓣叠加的波束，对信道AOD进行快速估计。
[0012] 本发明提供的毫米波系统快速信道估计方法，实现步骤为：
[0013] 第一步，根据通信波束数目Q，对通信波束所覆盖的空间范围进行区间划分，对各 区间进行编码。
[0014] 将通信波束所覆盖的空间范围划分为Q个AOD区间，第q个区间记为Aq，将区间Aq的 编码表示为一个K位的二进制数;q = l，2,…，Q，K、Q均为正整