毫米波mimo通信多子阵协作波束对准方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及毫米波MMO中波束对准技术，考虑收发端多个子阵之间如何协作快速 完成训练，并据此高效地实现波束对准，属于无线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 由于毫米波通信系统具有较大的带宽，能够提供数G-bps的数据传输速率，因而具 有非常广阔的应用前景。但是，与微波通信系统相比，毫米波通信系统设计与实现也存在很 多问题。一方面，毫米波信号的频率高波长短，信号衰减非常严重，因而通信距离与覆盖范 围十分有限；另一方面，由于信号波长短，所以可以在较小的区域内排列更多的天线，利用 天线阵列提供的阵列增益可以增加通信距离及覆盖范围。
[0003] 众所周知，MIMO技术通过提供分集增益可以提高通信的可靠性，通过多路复用可 以大幅度提高数据传输速率。在毫米波通信系统中，实现MBTO的一种有效的形式是通过收 发端配置多个子阵，如图1所示。由于模拟波束形成技术在硬件上相对简单，无论在学术界 还是工业界，均引起广泛重视并获得深入研究，在相控阵雷达、无线通信等诸多领域均获得 广泛应用。
[0004]由于毫米波通信系统依赖于大规模天线阵列提供的阵列增益，为了建立可靠的通 信链路必须首先进行波束对准。由于毫米波信号传输的特点，在获取阵列增益前，信噪比往 往很低，而收发端多子阵技术的引入，使这一问题变得更加困难，主要表现在两个方面：（1) 由于收发端均配置多个子阵，多子阵波束对准需要的训练开销非常大。（2)由于训练过程中 获得的数据非常多，如何处理获得的信息，完成最终的波束对准任务，需要很高的计算复杂 度。
[0005] 应该指出，以上两个问题并不是相互独立的，这是因为：（1)如果能够压缩波束对 准需要的训练信息，则可以有针对性地进行波束训练，从而可以有效地降低训练开销。（2) 如果能够考虑到毫米波信道的特点，并有针对性地训练，则可以大大减少需要处理的信息。 由于现行的研究多数集中在获取训练数据后的处理，没有考虑到如何减小训练开销，因而 相应的算法均具有较高的复杂度。
[0006] 本发明充分挖掘并利用毫米波信道稀疏性特点，提出了多子阵协作的思想及相应 的训练框架，基于此框架提出具体的多子阵协作波束训练与对准算法。分析与实验均表明， 提出的算法不仅极大地降低了训练开销和波束对准的计算复杂度，而且与穷尽算法(最优 但是实现极其困难)相比，性能损失很低。
【发明内容】
[0007] 发明目的：为了提高毫米波多子阵波束对准的效率，降低多子阵波束对准的训练 开销及实现复杂度。本发明充分利用多子阵空间划分特性、毫米波信道的稀疏特性、多天线 阵列的定向性，提出了一种多子阵协作波束对准方法及装置。
[0008] 技术方案:为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案:毫米波MMO通信多子 阵协作波束对准方法，包括如下步骤：
[0009] (1)发送端和接收端分别根据其子阵数量和码书特点进行空间划分，并从各子阵 所对应的原码书中抽取出训练阶段使用的子码书，要求抽取形成的子码书的并集覆盖原空 间；
[0010] (2)收发两端基于抽取的子码书，每轮训练中发送端各子阵从各自子码书中选择 一个码字发送导频信号，接收端各子阵从各自子码书中选择一个码字接收导频信号，直至 收发端各子阵均完成子码书的遍历；
[0011] (3)利用训练阶段获取的信息计算信道的主方向，并据此进一步实现高效率、低复 杂度的波束选择。
[0012] 所述步骤(1)中空间划分与子码书构造操作:收发两端的操作类似，收(发)端将原 空间划分为子空间并记为
，表示收(发)端第i个子阵第j个覆盖区域，对于区
1从第i个子阵对应的码书中选择1个码字进行覆盖，为覆盖收(发)端第i个 子阵第j个区域抽取的码字记为 <(<)，对应于第i个子阵全部覆盖区域的码字的全体 构成子码书( M,.)，其满足：⑴在收(发)端各子码书的并集UM.,. ( UiMi.)覆盖原 空间的前提下，最小化各子码书叫_;(叫_,)的大小；（2)各个子码书大小相等，以I · I表示 集合中元素大小，则有
[0014] 其中，Lr与Lt分另瞭不收(发)端子阵数。
[0015] 所述步骤(2)中收(发)端首先对各子阵的子码书Mi,. 进行接收(发送)编 码，具体而言，对于子码书(衫1)，将其编码为'，（&)，其中仏，（^)如下所示
[0017]其中，收(发)端子码书大小分别为J和I。
[0018]基于上述编码，发送端共需要I轮训练，针对每一轮训练接收端需要J个时隙。设当 前训练轮次为m，则对于发送端的第i个子阵，使用第(i-l)I+m号码字发送导频信号，且发送 端所有子阵同时发送;在第m轮中第k个时隙，接收端第j个子阵使用第(j_l)J+k号波束接收 信号，且接收端所有子阵同时接收。
[0019 ]显然，'/( & )中每个元素对应于子码书Mii )中一个码字或波束，所以在 对波束进行编码时需要满足：（1)收(发)端各子阵的波束应覆盖不同的区域；（2)发送端/接 收端各子阵同时使用的波束主瓣之间的相互影响最小。
[0020]所述步骤(3)中首先依据训练阶段感知的信道信息采用Top-N策略或先取平均再 采用Top-N策略估计出N个信道强度较强的方向对，作为信道的主方向对;然后在压缩的搜 索空间中采用穷尽搜索或贪婪搜索或其他算法进行波束选择。
[0021 ]毫米波MBTO通信多子阵协作波束对准发送端装置，包括：
[0022]发送子码书抽取模块，用于根据发送端拥有子阵数量和码书特点进行空间划分， 并从各子阵所对应的原码书中抽取出训练阶段使用的子码书，各子阵抽取形成的子码书的 并集覆盖原空间；
[0023] 发送多子阵协作训练模块，用于基于发送子码书抽取模块抽取的子码书，通过多 个子阵同时发送信号进行多子阵协作训练，每轮训练中发送端各子阵从各自子码书中选择 一个码字同时发送导频信号，直至各子阵均完成子码书的遍历；
[0024] 以及，发送波束选择模块，用于基于感知的信道信息计算出信道的主方向，并基于 压缩的搜索空间配合接收端进行波束选择。
[0025] 毫米波MBTO通信多子阵协作波束对准接收端装置，包括：
[0026] 接收子码书抽取模块，用于根据接收端拥有子阵数量和码书特点进行空间划分， 并从各子阵所对应的原码书中抽取出训练阶段使用的子码书，各子阵抽取形成的子码书的 并集覆盖原空间；
[0027] 接收多子阵协作训练模块，用于基于接收子码书抽取模块抽取的子码书，通过多 个子阵同时接收信号进行多子阵协作训练，针对发送端的每次发送，各子阵从各自子码书 中选择一个码字同时接收导频信号，直至各子阵均完成子码书的遍历；
[0028] 以及，接收波束选择模块，用于基于感知的信道信息计算出信道的主方向，并基于 压缩的搜索空间配合发送端进行波束选择。
[0029] 有益效果:本发明提供的多子阵协作波束对准方法及装置，充分利用毫米波信道 具有稀疏性这一特点，采用多个子阵协作实现空间划分及训练。由于采用多个子阵协作进 行信道感知，从而训练开销大大阵低(和收发送端子阵数乘积成反比）。由于训练次数降低， 从而波束选择需要处理的信息大大减小，因而波束对准的复杂度也大大降低。由于充分利 用了毫米波信道稀疏性的特点，尽管训练开销及可供处理的信息空间减小，但是最终损失 的性能仍非常小。
【附图说明】
[0030] 图1为收发端均配置多个子阵形成的毫米波MBTO通信系统示意图。
[0031 ]图2为本发明的多子阵协作波束对准方法的流程图。
[0032] 图3为本发明中发送端(对应于左图）及接收端(对应于右图）各子阵划分或覆盖空 间各个方向示意图。
[0033] 图4为本发明中发送端(对应于左图）及接收端(对应于右图）对应码书中各码字波 束方向图。
[0034] 图5为本发明中发送端两个子阵对应的子码书的波束方向图，子阵1对应于原码书 中1-6号码字，子阵2对应于原码书中7-12号码字。
[0035] 图6为本发明中接收端两个子阵对应的子码书的波束方向图，子阵1对应于原码书 中1-4号码字，子阵2对应于原码书中5-8号码字。
[0036] 图7为2X2阵列，即收发端均有2个子阵，不同方案的数据速率比较结