联合方法的层次码本结构设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种联合方法的层次码本结构设计方法，用于无线通信技术。本发明设计的码本满足两个设计原则：同一层中的全体码字需要能够覆盖整个空间；码本的任意一层中任意一个码字的空间覆盖范围必须是下一层中数个码字的集合；同时还满足第k层的波瓣宽度为2/2k，并且最后一层的码本将采用信道指向向量的表达形式。在生成每层的码字时，先生成每层的第一个码字，进而旋转该码字，将其指向不同方向，就能够构建出该层的全部码字。采用本发明设计的层次码本进行搜索，搜索方法的收敛速率更快，搜索成功率更高，波束成型的增益更高，在任意阶段接收功率较大，发射功率利用率较高，在存在多径的情况下鲁棒性更好。
【专利说明】
联合方法的层次码本结构设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体是指一种应用于子阵式和开关天线式联合方 法的层次码本结构设计方法。
【背景技术】
[0002] 毫米通信技术是具有非凡前景的下一代无线通信技术。因为毫米波段具有极其丰 富的频谱资源，这使得毫米波通信技术可以提供比当前的通信技术高的多的信道容量。所 以近年来，对于毫米波无线局域网络和毫米波移动通信网络的研究正如火如荼的展开。然 而毫米波通信技术所面临的巨大技术难题是在毫米波段信号的传输衰减非常大。为了克服 传输衰减，一般需要采用天线阵列的阵列增益加以弥补。由于毫米波波长很短，所以可以在 单一设备中集中大量天线单元，这使得毫米波通信成为可能。
[0003] 在毫米波领域，射频器件的极高能量开销和射频元件的高昂制造成本，使得几乎 不可能在毫米波领域采用传统多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIM0)中 的数字波束成形技术。而采用单数据流的模拟波束成形技术，更为适用于毫米波波束成形。 这种结构中，所有的天线都链接到同一个射频链路，每个天线幅度增益相同，相位增益可 调。由于在天线数目非常多的毫米波通信领域，信道信息（Channel State Information， CSI)的估计极为耗时并且非常困难，所以业界一般采用以下两种方式来实现毫米波模拟波 束成形，即迭代波束成形方法和波束切换的方法。前者是在训练过程中，固定一方的波束， 然后另一端不断进行迭代，从而找最优波束。后者则是从预定义的码本中查找出最优的码 字进行通{目。
[0004] 对于波束切换方法，穷举搜索是一种比较便利的搜索方法，只需要遍历整个码本 查找出最优的码字即可，但是这种方法耗费的搜索时间非常长，特别是当天线阵列很大的 时候。为了提高码本搜索效率，可以采用层次化码本搜索方法。将码本依据码字的覆盖范围 的不同，划分为不同的层次，上一层的码字的覆盖范围是下一层数个相邻码字覆盖范围的 集合。通过构建这样的码本可以大大提高码本搜索效率。公开号为104935366的中国专利申 请在2015年9月23日公开了一种毫米波通信中的波束搜索方法，利用开关天线的方式设计 了一种层次化码本设计结构，大大提高了码本搜索效率。Samsung公司的Sr idhar Ra jasopal设计了 一种基于子阵式的层次化码本设计（参考文献：Ra jagopal S ? Beam broadening for phased antenna arrays using multi-beam subarrays[C]// Communications(ICC),2012IEEE International Conference on.IEEE,2012:3637-3642.)，有效的提高了毫米波通信的容量。但这种方法的设计实质上组成了四叉树，在码本 搜索的时间复杂度太高，并且，该文献仅仅提出了码字设计方法并没有讨论码本搜索方法。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决码本搜索的效率问题，以使得总发射功率更小、功率利用率更高、 抗干扰性能更好，提供了一种基于联合方法的层次码本结构设计方法。
[0006] 本发明提供的联合方法的层次码本结构设计方法，实现过程为:设发送端或接收 端的天线单元为N个，码本被划分为log2(N)+l层，层序号k = 0，l,. . .，log2(N)，则：
[0007] (1 ? 1)当k=log2(N)时，k层中的第n个码字
，其中，n =1，2, ? ? ?，N;a( ?)表示信道指向向量；
[0008] (1.2)当k = log2(N)-l时，1 = 1,2, ? ? ?，log2(N)，k层中的第n个码字w(k，n)根据下 面过程产生：
[0009] (1.2.1)将《仏，1)划分为11个子阵，财=2[<_ /2」,其中第111个子阵的天线权重向量匕 为：
[0011]其中，Na表示开启的子阵数目；
[0012] (1.2.2)当1为偶数时，设置Na=M/2，当1为奇数时，设置Na=M;
[0013] (1.2.3)根据第一个天线单元<1^，1)，获得1^层的其他天线单元￥(1^，11)为 ：
[0015] 其中，"〇"代表Hadamard算子；
[0016] (1.2.4)将所有码字归一化。
[0017] 基于本发明提供的层次码本结构，采用了二叉树的查找算法搜索最优的码字，实 现本发明的联合波束搜索方法。在每一层的搜索中，比较当前父码字所覆盖的两个子码字 所对应的接收信号的信噪比SNR，将SNR较大的子码字设为下一层搜索的父码字，然后进入 下一层搜索。重复搜索过程，直到搜索到最后一层，在最后一层搜索得出的码字就是整个码 本的最优码字，将最优码字用于数据通信。
[0018]本发明的优点与积极效果在于：
[0019] (1)采用本发明设计的层次码本进行联合搜索，在每次搜索过程中，所使用的天线 单元数目要远远大于DEACT方法，从而本发明方法的信号发射和接收能量也要远大于DEACT 方法，也就是说本发明的搜索方法能够比DEACT方法提供更大的增益。仿真实验表明，本发 明提出的码本相比于子阵式和开关天线式码本具有显著的优点。
[0020] (2)采用本发明设计的层次码本进行搜索，搜索方法的收敛速率更快，搜索成功率 更高;波束成型的增益更高，在任意阶段接收功率较大，发射功率利用率较高，在存在多径 的情况下鲁棒性更好，而且系统设计相对简单。
【附图说明】
[0021] 图1是毫米波通信中的收发端均匀天线阵列模型示意图；
[0022] 图2是层次码本覆盖关系示意图；
[0023]图3是DEACT方法的波束示意图；
[0024]图4是本发明的所生成的层次码字波束示意图；
[0025]图5是2-D平面天线阵系统模型；
[0026] 图6是整体传输模型中在LOS信道模型和NL0S信道模型情况下，本发明波束搜索方 法和DEACT方法接收能量的对比示意图；
[0027] 图7是单天线传输模型中在L0S信道模型和NL0S信道模型情况下，本发明波束搜索 方法和DEACT方法接收能量的对比示意图；
[0028]图8是整体传输模型中本发明波束搜索方法、DEACT和Sparse方法在L0S信道模型 下的搜索成功率对比示意图；
[0029]图9是整体传输模型中本发明波束搜索方法、DEACT和Sparse方法在NL0S信道模型 下的搜索成功率对比示意图；
[0030] 图10是单天线传输模型中本发明波束搜索方法、DEACT和Sparse方法在L0S信道模 型下的搜索成功率对比示意图；
[0031] 图11是单天线传输模型中本发明波束搜索方法、DEACT和Sparse方法在NL0S信道 模型下的搜索成功率对比示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
[0033]不失一般性，本发明设毫米波通信模型中的收发端均勾天线阵列（Uniformly Linear Antenna，ULA)中的天线单元之间间距均为半波长，收发端天线数目分别为Nr和Nt。 如图1所示，仅有一条射频链路(RF Chain)连接到ULA上。在发送端，每个天线单元都和移相 器和放大器(PA)连接，而在接收端，每个天线和低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA) 连接。此外，需要注意的是，每个天线单元都可以被单独开启或者关闭，并且每个天线单元 都具有相同的放大倍数。
[0034]设s为发送的信号，接收信号y表达式为：
[0035] y = HwT,y + w^n (1)
[0036] 其中，Ptclt表示所有使用的天线的总发送功率。WT和WR分别表示发送和接收的天线 权重向量(Antenna Weight Vector JWV)。!!表示信道矩阵，n表示高斯白噪声，噪声能量为 No。上角标H表示共辄转置。
[0037] W(N)表示N个天线权重向量集合，其表达式如下所示。
[0038] = ]' e[(X2,T)./ = K2..--.yvj (2)
[0039] 其中，u是归一化因子，从而可以使每个向量的能量都归一。可以看到，W(N)中的每 一个AWV的增益要么是u，要么是〇。&表示第i个天线单元的幅度增益，0i表示第i个天线单元 的相位。上角标j表示虚符号。此外定义wtGW(Nt)和wrGW(Nr)。
[0040] 定义发送信噪比y tot = Ptot/No,接收信噪比ntot可以表示为：
[0041 ] :n〇t IwlHw:「 （3)
[0042] 此模型下的能量增益，即阵列增益Gtot为：
(4)
[0044]在另一方面，毫米波通信中的增益放大器的能力是有限的。单天线传输模型在现 实中也是非常有必要存在的。也就是接收信号可表示为：
[0045] v = ^AT>?Hwr? + w?n (5)
[0046] 其中，PpM?是每个天线的传输能量，NTart是WT中参与信号传输的天线数目。
[0047] 单天线传输模型中的每根天线的发送信噪比SNR为：丫 per = Pper/No,接收信噪比 Hpery% ：
[0048] (6)
[0049] 此模型的能量增益为：
(7)
[0051] 需要注意的是，整体传输模型和单天线传输模型分别用于描述信号放大器(Power Amplifier，PA)具有足够放大能力和放大能力有限两种情况。鲁棒性较好的码本设计并不 需要针对两种不同情况进行优化。
[0052] 毫米波信道具有高反射、低散射的特点，其信道中的多径效应主要是由于反射产 生的，即毫米波具有方向性。不同点传输路径具有不同的发射角度(Angle of Departure， AoD)和到达角度(Angle of Arrival，AoA)。依据前述的系统模型，毫米波信道矩阵可以表 示为： _
[0053] H = ^NtNk^ /1^(^, nt )a(NT, y/,f (8) 1=1
[0054] 其中，Ai表示第1条路径的信道系数，L表示多径（Multiple Propagation Component，MPC)的总数。a( ?)表示信道指向向量，Qi和ih分别表示第1条路径AoD和AoA的 余弦，它们的取值范围为[-1，1]。为了方便，下面将Q 1和ih分别称为AoD和AoA。信道参数Ai 为瑞利分布。a( ?)的表达式为：
[0056] 其中，N表示接收端或者发送端的天线阵列单元数目，n表示AoD或者AoA。从a( ?) 的表达式可以看出a( ?)是周期函数，a(N，Q )=a(N，Q+2)。信道矩阵同样需要归一化，表 达式为：
[0057] ZE(W) = 1 (l〇j /=1
[0058] 进行波束搜索可以用数学表达式表述为： Maximize //lut = ytot |w^HwT |"
[_] nPeAact|<HwT|2 (11) Subject to wK e ),w , e IV(Nt)
[0060]可以清楚的看出，如果收发端能够知道H，并且收发天线的增益不是固定而是可变 的，那么可以利用矩阵的奇异值(Singular Value Decomposition，SVD)分解来求得最优的 AWV。然而在毫米波通信当中，对每个天线面对的信道都进行信道估计极其耗费时间，此外 天线阵列一般是固定的幅度，增益是恒定的。所以SVD方法几乎不可行。
[0061] 依据公式(8)，毫米波通信信道主要不确定因素在于AoD和AoA，所以在本发明讨论 的信道模型中，问题可以简化为在多径中寻找一条最想的路径并将AWV指向这个路径方向。
[0062] 从这个角度出发，最简单的解决问题的方法是将AoD和AoA在[-1，1 ]依照1/N步长 进行采样，并利用得到的AWV测试出最大的MPC方向。可见这种方法的码本就是由信道指向 向量组成的。尽管穷举搜索总能搜索到最优路径，但是随之而来的代价是搜索时间的增加。 穷举搜索的时间复杂度为〇(N 2)，这对于毫米波通信系统而言太高的，所以目前分层搜索算 法广为采用。不同的分层搜索算法性能主要依靠码本W T和WR的设计，这也是本发明关注的重 点。
[0063] 在介绍两种原则之前，首先引入两种定义。定义A(w，Q)为w沿着角度为Q的信道 指向向量方向的增益，表示如下：
[0064] A(ys\n)^^(ALDfw = y{^l：e ri" (12) H=1
[0065] 其中，w表示发送或接收的天线权重向量，N表示w的非零单元数目，[w]n是向量的 第n个单元。
[0066] CV(w)定义为w的覆盖范围，数学定义为：
[0067] CF(w) = |〇 | !^(w,Q)| >/?max|.4(w,(?)|| ()3)
[0068] 其中，p为定义w的覆盖范围的参数，取值范围为(0，1)。随着p的变大，w的覆盖范围 就会随之变小。当/>=1/衣时，w的覆盖宽度刚好是3dB带宽覆盖范围。不同的码本设计方法 所设计的波束覆盖范围是不同的，也就是P是不同的。即使在同一码本中不同的码字的波束 覆盖范围也是不同的。A(w，co)表示向量 w沿着角度为co的信道指向向量方向增益，co是角 度的余弦值，maxMwOl表示求取增益最大值。 0)
[0069] 层次搜索简单来说就是分层搜索，码本中的各个码字依据各自波束覆盖范围的不 同划分成不同的层级。设w(k，n)为码本中第k层码本中的第n个码字。
[0070] 层次码本的两个设计原则为： Nk
[0071 ] 1.同一层中的全体码字需要能够覆盖整个空间，也即：LJCRwA/?)) = [-1,1],其中 n=\ k = 0，l，. . .，K-1;其中Nk表示序号为k的一层码本中的码字数目，K表示码本的层数。
[0072] 2.码本的任意一层中任意一个码字的空间覆盖范围必须是下一层中数个码字的 集合。也就是：（Hw('/f，/7))L 厂(w(/<r +丨，"〇)，二(以…，人-其中Ikjk+l层码本中 mdk n 码字的序号集合。为了方便起见，称w(k，n)为父码字，相应的{?仏+1，111)|111￡1 1^}为子码字。 [0073] 显而易见，原则一保证了码本的全覆盖特性，没有任何角度是此码本无法覆盖到 的。原则二则在不同的码字之间构建了一种树形结构关系，这样就可以采用结构化的搜索 方法。如果任何一个父码字包含了 M个子码字，那么就可以利用天线覆盖关系设计M叉树搜 索算法。
[0074]在搜索时，首先，发送端采用全向天线发送信号，接收端采用M叉树搜索方法搜索 最优码字，这个过程需要l〇gM(NR)次搜索。然后接收端采用最优码字向发送端发送信号，发 送端采用相同的码本搜索算法，经过l〇gM(NT)次搜索找到最优码字。在每次搜索中，都需要 采用穷举搜索从M个子码字中挑选出最优的码字作为下次搜索的父码字。这样总的层次搜 索算法的搜索次数Ts为：
[0075] Ts=M logM(NT)+M logM(NR) (14)
[0076] 因为现实中的天线阵列中天线单元数目一般都是2的指数，因此本发明方法基于 二叉树的搜索方法。本发明方法的基础是开关天线式(DEACT)方法，因此首先介绍基于二分 查找树的DEACT方法，其层次码本的波束覆盖关系如图2所示。此处以参考文件(He T，Xiao Z.Suboptimal Beam Search Algorithm and Codebook Design for Millimeter-ffave Communications[J] .Mobile Networks and Applications，2015,20(l):86_97)的记载来 说明DEACT方法。
[0077] DEACT方法中的码本被划分为log2(N) + l层，序号分别为0,1，? ? ?，log2(N)。而序号 为k的码本层的码字总数为Nk = 2k。这里的N对应接收端的天线单元数目Nr或发送端的天线 单元数目Nt。那么有： CV(\\( k,n)) = CV(\\(k + 1,2// -1)) u CF (\v(/r + 1,2n)),
[0078] …， (15) k = 0,1…(log2(；V)-!), /? = 1.2,3，…，2"
[0079] 定义
(16)
[0081]也就是信道指向向量的波束宽度为2/N，指向方向为。这就是天线数目为N时最 窄的波束宽度了。这种码本的码字的参数P可以表达为：
(1乃
[0083] 当N很大时P~0.64。
[0084] 由于最后一层码本中有N个码字，并且这些码字的集合覆盖了 [_1，1]的全部角度。 所以每个码字的波瓣宽度应该是2/N，并且分别指向N个不同的角度方向。所以，最后一层码 本的码字覆盖范围可以表示为：
(18)
[0086]同理，对于其他层的码本的覆盖范围可以表示为：
(19)
[0088]与前述对比可以得到w(k，n)的表达式为：
(20)
[0090]采用DEACT方法，k层中激活的天线数目为2k，其余的天线都被关闭。图3给出了天 线单元数目为64时的波束覆盖方式。
[0091 ]对于DEACT方法，当码本层序号k比较小时，激活的天线数目非常少，这就限制了总 的发送能量。因为在毫米波通信中每个天线的传输能量是有限的，如果激活的天线数目很 小，那么总的传输能量就会变小。为了让总的发送能量尽可能的变大，本发明结合子阵式和 开关天线式的方法，提出了一种联合方法的层次码本结构设计方法。
[0092] 此外，希望能够设计的码本能够满足前述的两种码本设计准则，同时还需要满足 条件为，k层的波瓣宽度为2/2k，并且最后一层的码本将采用信道指向向量的表达形式。由 于每层码本中的码字具有同样的波束宽度，但是指向方向不同，所以，可以先设计每一层的 第一个码字，进而旋转该码字，将其指向不同方向，就能够构建出该层的全部码字了。通过 展宽该层码字的波瓣宽度并重复以上过程，就可以得到下一层的码字集合。
[0093] 为了实现这种设计思路，首先引入波束转动公式及其推论。
[0094] 波束转动的公式一屮
[0095]其中。代表Hadamard算子，N是w中天线单元的数目，也是任意角度，A+it是集合A中所 有元素加了也之后得到的新的集合。
[0096] 公式一说明，如果得到了第k层中指向某一方向的波瓣宽度为2/2k的天线权重向 量时，可以利用公式一来得到指向其他方向的码字。
[0097] 波束转动的推论一:假设序号为k的码本层的第一个天线单元为w(k，l)，那么该层 的其他天线单元表达式为
[0098] 证明：
[0099] 由于
(2.1)
[0101]从而有 | [w(k，n)]i| = | [w(k，l)]i|，且界（1^，1)，'\￥(1^，11)￡10)。由于
(22)
[0103] 本发明通过波束展宽和前述的两个码本设计准则，就能构建整个层次码本。更直 观的说，如果将整个天线阵列划分成不同的子阵，这些子阵分别指向不同的方向，那么这些 子阵波瓣的联合就能够构成更宽的波束。
[0104] 设将天线单元数目N阵列天线划分为M个子阵，每个子阵的天线数目为Ns，其中第m 个子阵的天线权重向量为4 ，其中第m个子阵的第n个天线单元的权值向量为 W, m = …，。将AWV的增益可以改写为下式： ("）
[0106] 这说明w的增益可以表示为所有子阵增益的集合。
[0107] 如果子阵的AWV可以表示为
其中6夂是子阵AWV的天线系 数，0m表示第m个子阵的相位。那么第m个子阵的波束覆盖范围CV(fm)如下：
[0109] 从而w的覆盖范围可以表达为：
(23)
[0111] 也即原本的波束宽度被扩展了 M2倍。
[0112] 然而，上面并没有考虑到不同子阵之间的相互相干作用。设子阵表达式为
(24)
[0114] 上角标H表示共辄转置。由于信道指向向量具有相互独立的特性，任意两个子阵的 天线权重相邻之间的增益不会发生互相干扰。
[0115] 此外，为了减少波束的波动效应，需要保证，相邻子阵波束覆盖的交叉区域的天线 增益必须足够大。这一点可以通过调整子阵天线系数来实现。为了确定合理的子阵天线 系数，可以通过求解下面的无约束最优化问题来解决：
[0116] maximize |/(, A0)|" (25)
[0117] 其中，A 0表示相邻两个子阵的相位差，f(Ns，A 0)表示增益。
[0118] 求解过程如下：
L0120J 其中（a)用到了信道指向向量间相互独立的特性，（b)假设天线阵列单元数目Ns是 偶数。从而可以得到结果为从=(2々_+1);7^^名表示整数集合。所以选择#=6>-来减 少波束的波动效应。
[0121] 综上，通过采用子阵结构，可以得到波束覆盖范围为
_的码字，如果结合 子阵和DEACT方法，那么就可以得到波束覆盖范围为'
_的码字，进而可实现二分 法查找。其中，Na表示开启的子阵数目。
[0122] 如前述的两个码本设计准测，设计的层次码本结构特点应该是，第k层的码字的波 束覆盖宽度为2/2k。本发明用于联合方法的层次码本结构的具体实施方法为:设发送端或 接收端的天线单元为N个，码本被划分为log2(N)+l层，层序号k = 0，l,. . .，log2(N)，则：
[0123] (1.1)当k=log2(N)时，该层中的第n个码字
，其中， n = l，2,…，N;
[0124] (1.2)当k=log2(N)-l时，1 = 1,2,. . .，log2(N)，根据下面过程产生k层中的第n个 码字w(k，n);
[0125] (1 ? 2 ? 1)将w(k, 1)划分为M = 2@in」个子阵，每个子阵表达式为(，
[0126] 第m个子阵的天线权重向量匕如下：
(27)
[0128] 其中，Na表示开启的子阵数目；
[0129] (1.2.2)按照公式(28)确定子阵表达式，其中当1为偶数时，开启的子阵数目Na = M/2,当1为奇数时，开启的子阵数据Na=M;
[0130] (1.2.3)利用波束转动的推论一，生成本层码本的其他码字；
[0131] (1.2.4)将所有码字归一化。
[0132] 图4给出了当天线单元数目N=128时，本发明设计的层次码字的波束图。从图中可 以看出，w(0，l)的覆盖范围是w(l，l)和w(l，2)覆盖范围的联合。
[0133] 基于本发明所实现的层次码本结构，采用二叉树的查找算法搜索最优的码字，实 现联合波束搜索方法。在每一层的搜索中，比较当前父码字所覆盖的两个子码字所对应的 接收信号信噪比SNR，将SNR较大的子码字设为下次搜索的父码字，然后进入下一次搜索。重 复搜索步骤，直到搜索到最后一层。在最后一层搜索得出的码字就是整个码本的最优码字， 将最优码字用于数据通信。接收端和发送端均采用该方法进行最优码字搜索以进行数据通 {目。
[0134] 将本发明的联合搜索方法和DEACT方法进行比较，可以看出，本发明方法在接收信 号能量上具有明显优势。如果每个天线单元的能量是有限的，那么每次搜索过程中，本发明 方法所使用的天线单元数目要远远大于DEACT方法，从而本发明的联合搜索方法的信号发 射和接收能量也要远大于DEACT方法，也就是说本发明的联合搜索方法能够比DEACT方法提 供更大的增益。
[0135] 此外，在波速搜索过程结束后，收发双发都将从最后一层码本中找出各自最优的 码字进行通信。由于最后一层码本的波束覆盖范围为2/N。这样的精度或许在某些情况下不 能满足实际应用需求，为此，还可以专门设计一个波束覆盖范围小于2/N的码本，为更为苛 刻的通信条件提供支持。
[0136] 进一步地，本发明实现针对平面天线阵的层次码本结构设计及联合搜索。将本发 明适用于均勾线天线(Uniformly Linear Antenna，ULAs)的层次码本结构设计及联合搜索 方法扩展到均勾面天线(Uniformly Planar Antenna，UPAs)，从而可实现将一维的层次码 本结构设计及联合搜索方法扩展为二维的联合波束搜索方法。UPAs系统模型如图5所示，窄 带平坦衰落的UPAs的信道模型为：
[0137] H = la.raf (2：8)
[0138] 其中at和ar分别是收发两端对应的信道指向向量，具体表达式为：
[0140] 其中，A为载波波长，d为UPAs中相邻天线单元的距离。Nx和Ny分别是UPAs沿X轴和Y 轴方向的天线单元数目。到达UPAs的信号相对于X轴和Y轴的角度分别为0、0，它们的余弦分 别为O和?。ax和a y分别为沿X轴方向和Y轴方向的信道指向向量。
[0141] 通过将UPAs信道指向向量分解为沿X轴和Y轴的ax和ay，可以将UPAs的码本及其搜 索过程分解为X轴向和Y轴向的两个独立的ULA的码本和搜索过程，在X轴向和Y轴向两个方 向分别采用一维的联合搜索方法，就得到了适用于UPAs的码本和相应的搜索方法，得到X轴 向和Y轴向的码字表达式为：
[0142] 、~(k',kY，i'人、-二、、? Ak、J?、、、{k、J0 (30)
[0143] 其中，Wx(kx, ix)和Wy(ky, iy)分别是X轴向的位于kx层的第ix个码字和Y轴向的位于 ky层的第iy个码字。Wx(kx，ix)和 Wy(ky，iy)均采用本发明所述的层次码本结构设计方法生成。 kx、ky分别为X轴向、Y轴向的码本的层序号。ix、iy为正整数。
[0144] 搜索最优的二维层次码本的过程是:首先保持X轴向的码字表达式为wx(l，1 )，在Y 轴向上采用二叉树的查找算法搜索最优的码字，设查找到Y轴向的最优码字><(A?、乂）；然后 保持Y轴向的码字表达式为><(<乂.)不变，在x轴向上同样采用二叉树的查找算法搜索最优 的码字，查找X轴向的最优码字wl(Ux)，最终可以得到UPAs系统的最优码字如下： (夂，A'、，/', /;)二 W; (A、，/J ? w;(夂,/;)。
[0145] 图6是整体传输模型（指UPAs系统模型）中在L0S信道模型和NL0S信道模型情况下， 本发明波束搜索方法和DEACT方法接收能量的对比。将本发明波速搜索方法简记为BMW-SS。 其中收发端天线单元数目Nt=Nr = 64,信道模型中多径数目L = 3,发射总功率为Ptclt=lW，噪 声功率为N〇= 10、。其中1到6步为发射端训练，7到12步为接收端训练。图6和图7中，横坐标 表示搜索步数，纵坐标表示信号接收功率。
[0146] 图7是单天线传输模型中在L0S信道模型和NL0S信道模型情况下，BMW-SS和DEACT 方法接收能量的对比。其中收发端天线单元数目Nt = Nr = 64,信道模型中多径数目L = 3,发 射总功率为Pper=lW，噪声功率为N〇=l(T4W。其中1到6步为发射端训练，7到12步为接收端训 练。
[0147] 图8是整体传输模型中BMW-SS，DEACT和Sparse方法在L0S信道模型下的搜索成功 率。其中收发端天线单元数目Nt = Nr = 64,信道模型中多径数目L = 3,发射总功率为Ptclt = 1W，噪声功率为N〇 = 10_4W。!!为LOS径和NL0S径信号功率的比。图8~图11中，横坐标表示接收 信号的信噪比，纵坐标表示成功率。
[0148] Sparse方法为参考文件（Alkhateeb，A ?，Ayach，0 ? El，Leus，G ?，&Jr，R ? W ? H ? (2014).Channel Estimation and Hybrid Precoding for Millimeter Wave Cellular Systems.IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,4553(c)，1-1?)记 载的波束成形方法。
[0149] 图9是整体传输模型中BMW-SS，DEACT和Sparse方法在NL0S信道模型下的搜索成功 率。其中收发端天线单元数目Nt = Nr = 64,信道模型中多径数目L = 3,发射总功率为Ptclt = 1W，噪声功率为N〇= 1(T4W。!!为L0S径和NL0S径信号功率的比。
[0150] 图10是单天线传输模型中BMW-SS，DEACT和Sparse方法在L0S信道模型下的搜索成 功率。其中收发端天线单元数目Nt = Nr = 64,信道模型中多径数目L = 3,发射总功率为Pper = 1W，噪声功率为N〇= 1(T4W。!!为L0S径和NL0S径信号功率的比。
[0151] 图11是单天线传输模型中BMW-SS，DEACT和Sparse方法在NL0S信道模型下的搜索 成功率。其中收发端天线单元数目Nt = Nr = 64,信道模型中多径数目L = 3,发射总功率为Pper =1W，噪声功率为N〇= 10、。11为L0S径和NL0S径信号功率的比。
[0152] 通过实验性能测试表明，在天线阵总能量约束和单个天线能量约束条件下，本发 明波束搜索方法的性能都要比DEACT方法更具有优势。具体体现在本发明方法具有更平坦 的波束和更多的参与通信的天线数目。这两个优点使得本发明方法的搜索成功率和接收 SNR要比其他方法、尤其是DEACT方法有显著提升，并且搜索的收敛速率更快。
【主权项】
1. 一种联合方法的层次码本结构设计方法，其特征在于，实现步骤如下:设发送端或接 收端的天线单元为N个，码本被划分为log2(N)+l层，层序号k = 0，l,. . .，log2(N)，则： (1 · 1)当k = log2(N)时，k层中的第η个码字，其中，η = 1， 2, · · ·，N;a( ·)表示信道指向向量； (1.2) 当k=log2(N)-l时，1 = 1,2, . . .，log2(N)，k层中的第η个码字w(k，n)根据下面过 程产生： (1 · 2 · 1)将w(k，1)划分为Μ个子阵，M = 2L(/+IV2」，其中第m个子阵的天线权重向量fm为：其中，Να表示开启的子阵数目； (1.2.2) 当1为偶数时，设置Να=Μ/2，当1为奇数时，设置Να=Μ ; (1.2.3) 根据第一个天线单元w(k，l)，获得k层的其他天线单元w(k，n)为：其中，"〇"代表Hadamard算子； (1.2.4) 将所有码字归一化。2. 根据权利要求1所述的联合方法的层次码本结构设计方法，其特征在于，采用了二叉 树的查找算法搜索最优的码字，实现联合波束搜索;在每一层的搜索中，比较当前父码字所 覆盖的两个子码字所对应的接收信号的信噪比SNR，将SNR较大的子码字设为下一层搜索的 父码字，然后进入下一层搜索；重复搜索过程，直到搜索到最后一层，在最后一层搜索得出 的码字就是整个码本的最优码字，将最优码字用于数据通信。3. 根据权利要求1所述的联合方法的层次码本结构设计方法，其特征在于，应用于均匀 面天线时，将信道指向向量分解为沿X轴和Y轴的分量a x和ay，在X轴向和Y轴向上分别采用所 述的层次码本结构设计方法生成码字，设X轴向的位于k x层的第ix个码字为Wx(kx，ix)，Y轴向 的位于k y层的第iy个码字为^(1^山），1^、1^分别为父轴向、￥轴向的码本的层序号，则得到二 维的码字如下：在搜索最优的码字时，首先保持X轴向的码字Wx(l，l)不变，采用了二叉树的查找算法搜 索在Y轴向上的最优的码字，设查找到Y轴向的最优码字(Uy);然后保持Y轴向的码字 ><(々、乂）小变，在X轴向上采用了二叉树的查找算法搜索最优的码字，设查找X轴向的最优 码字wx(/cx,/x)，最终得到最优的码字为：
【文档编号】H04B7/06GK105959044SQ201610251727
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】肖振宇, 贺同, 白琳
【申请人】北京航空航天大学