一种基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法与流程

本发明涉及无线通信系统中的收发技术领域，尤其是一种基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法。

背景技术：

基于大规模天线阵列的波束赋形技术是无线通信系统中的重要研究内容，它能提高数据传输速率，有效解决严重的传播损耗和雨衰问题。而且随着载波频率的提高，使得大规模天线便于小型化和集成化，为大规模天线阵列技术的发展提供了保证。

波束赋形是通过将信号集中在期望的方向上以增加系统的容量和性能。波束赋形作为无线通信系统中的一项关键技术，包括模拟波束赋形、数字波束赋形和混合波束赋形三种实现方式。模拟波束赋形利用移相器网络控制每根天线上信号的传播方向来调整波束方向；模拟波束赋形实现简单，但由于系统硬件的约束，性能受限。数字波束赋形可同时调制信号的幅度及传播方向，很大程度上提升了性能，而每副天线都需要配备一条射频链路，随着天线数的增加，射频链路亦随之增加，导致实现复杂，耗能严重不适用于实际系统。混合波束赋形则在性能和实现上进行折中，既提高了系统性能，又降低了实现复杂度和器件成本。混合波束赋形可以在模拟端应用移相器来进行波束选择。此外，少量的射频链路可以为空间复用提供必要的灵活性。基于正交匹配追踪(omp)算法的混合波束赋形利用部分信道状态信息来逼近最优波导矢量，不可避免的需要计算最优波导矢量以及获取信道状态信息。这就要求设计一种简单快速的波束赋形方法以逼近最佳性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法，能够在信道互易的情况下利用波束选择改善幂迭代算法的收敛速度，同时不需要计算最优波束矢量和信道状态信息，便能获得接近最优的性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法，包括如下步骤：

(1)无线通信系统收发端交换码本信息并保存；

(2)发射端通过训练序列将码本中所有可能的波束矢量pi进行发射，接收端以全向方式接收信号并记录信噪比接收端以同样的方式训练码本中的波束矢量qj，信噪比记为根据收发两侧射频链路数目和以及记录的信噪比，分别选择一组最好的发射波束和接收波束然后反馈索引值；

(3)发射端以模拟域波束赋形矩阵和非零初始数字域波束赋形矩阵发送数据流其中为单位矩阵；接收端以模拟域波束赋形矩阵对接收信号进行处理并归一化，得到接收端数字域波束赋形矩阵

(4)接收端通过步骤(2)和步骤(3)中得到的波束赋形矩阵和发送数据流其中为单位矩阵，发射端利用波束赋形矩阵处理信号并归一化，而后更新数字域波束赋形矩阵

(5)重复步骤(3)和步骤(4)的训练过程，直到达到预定的迭代次数，最后获得发射端混合波束赋形矩阵为和接收端混合波束赋形矩阵为和

优选的，步骤(1)中，无线通信系统收发端交换码本信息并保存具体包括如下步骤：

(11)根据收发端不同的系统结构设计波束选择的码本p和q；

(12)收发端通过天线的全向方式交换各自的码本信息并保存至本地。

优选的，步骤(2)中，发射端通过训练序列将码本中所有可能的波束矢量pi进行发射，接收端以全向方式接收信号并记录信噪比接收端以同样的方式训练码本中的波束矢量qj，信噪比记为根据收发两侧射频链路数目和以及记录的信噪比，分别选择一组最好的发射波束和接收波束然后反馈索引值具体包括如下步骤：

(21)发射端从码本p中选择波束矢量pi对参考信号的发射相位进行控制，接收端通过全向方式接收经过信道的参考信号，计算叠加了不同波束矢量的参考信号在接收端的信噪比选出个信噪比最大的参考信号，其中为发射端的射频链路数，并根据参考信号叠加的波束赋形矢量pi从码本p中获得对应的索引值

(22)接收端则从码本q中选择波束矢量qj对参考信号进行波束赋形并发射，发送端同样以全向方式对参考信号进行接收检测，计算信噪比选出个信噪比最大的参考信号，为接收端的射频链路数，同时从码本q获得对应的索引值

(23)收发端反馈索引值和从各自的码本中选择索引值对应的波束矢量组成模拟波束赋形矩阵和

优选的，步骤(3)中，发射端以模拟域波束赋形矩阵和非零初始数字域波束赋形矩阵发送数据流其中为单位矩阵；接收端以模拟域波束赋形矩阵对接收信号进行处理并归一化，得到接收端数字域波束赋形矩阵具体包括如下步骤：

(31)发射端随机生成非零初始数字域波束赋形矩阵的维度为其中是发送数据流数目，并结合步骤(2)中得到的模拟域波束赋形矩阵发送数据流为单位矩阵，ns为数据流个数；

(32)接收端以步骤(2)中的模拟域波束赋形矩阵处理信号，同时归一化列矢量，并对列矢量做投影处理，公式如下：

vj＝vj-v1^hvjv1-…-vj-1^hvjvj-1；

最后更新接收端数字域波束赋形矩阵

优选的，步骤(4)中，接收端通过步骤(2)和步骤(3)中得到的波束赋形矩阵和发送数据流其中为单位矩阵，发射端利用波束赋形矩阵处理信号并归一化，而后更新数字域波束赋形矩阵具体包括如下步骤：

(41)接收端应用步骤(2)中的模拟域波束赋形矩阵和步骤(3)中得到的数字域波束赋形矩阵发送数据流为单位矩阵，ns为数据流个数；

(42)发射端通过模拟域波束赋形矩阵对信号进行整合，归一化列矢量并进行投影映射，过程如下：

ui＝ui-u1^huiu1-…-ui-1^huiui-1；

更新发射端数字域波束赋形矩阵

本发明的有益效果为：本发明公开了一种基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法，相比于模拟波束赋形本发明性能更好，与纯数字波束赋形比较实现复杂度更低；基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法利用模拟端的波束选择减少计算数字域波束赋形矩阵的迭代次数，利用信道的互易性和迭代逼近的方法避免计算复杂的最佳波束赋形矢量和信道状态信息，同时波束选择使信号传播方向受限，有效解决全数字自适应波束赋形中随机初始波束赋形矩阵导致信号无法接收的问题；本发明适用于基于大规模天线阵列的无线通信系统，与传统混合波束赋形方法相比，实现复杂度低，性能逼近数字波束赋形，具有很强的应用价值。

附图说明

图1为混合波束赋形系统框图。

图2为本发明的波束赋形训练时序图。

图3为本发明的可达速率示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法，能够保证性能与正交匹配追踪(omp)算法一样逼近数字波束赋形，同时降低实现复杂度。

参考图1系统框图，本发明实施例提供了一种基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法，应用于无线通信系统中，所述混合波束赋形方法包括以下步骤：

步骤1、无线通信系统收发端交换码本信息并保存；

该步骤包括以下子步骤：

步骤1-1、根据收发端不同的系统结构设计波束选择的码本p和q；

步骤1-2、收发端通过天线的全向方式交换各自的码本信息并保存至本地。

例如，基于802.15.3c协议中的公式生成16波束的码本，发送端和接收端采用16天线数的线性天线阵列，即图1中ntx＝16，nrx＝16。同时设定收发端的射频链路数和

步骤2、发射端通过训练序列将码本中所有可能的波束矢量pi进行发射，接收端以全向方式接收信号并记录信噪比接收端以同样的方式训练码本中的波束矢量qj，信噪比记为根据收发两侧射频链路数目和以及记录的信噪比，分别选择一组最好的发射波束和接收波束然后反馈索引值；

该步骤包括以下子步骤：

步骤2-1、发射端从码本p中选择波束矢量pi对参考信号的发射相位进行控制，接收端通过全向方式接收经过信道的参考信号，计算叠加了不同波束矢量的参考信号在接收端的信噪比选出个信噪比最大的参考信号，其中为发射端的射频链路数，并根据参考信号叠加的波束赋形矢量pi从码本p中获得对应的索引值

步骤2-2、接收端则从码本q中选择波束矢量qj对参考信号进行波束赋形并发射，发射端同样以全向方式对参考信号进行接收检测，计算信噪比选出个信噪比最大的参考信号，为接收端的射频链路数，同时从码本q获得对应的索引值

步骤2-3、收发端反馈索引值和从各自的码本中选择索引值对应的波束矢量组成模拟域波束赋形矩阵和

步骤3、发射端以模拟波束域赋形矩阵和非零初始数字域波束赋形矩阵送数据流其中为单位矩阵。接收端以模拟域波束赋形矩阵对接收信号进行处理并归一化，得到接收端数字域波束赋形矩阵

该步骤包括以下子步骤：

步骤3-1、发射端随机生成非零初始数字域波束赋形矩阵的维度为其中发送数据流数目，并结合步骤2中得到的模拟域波束赋形矩阵发送数据流为单位矩阵，ns为数据流个数；

步骤3-2、接收端以步骤2中的模拟域波束赋形矩阵处理信号，同时归一化列矢量，并对列矢量做投影处理，公式如下：

vj＝vj-v1^hvjv1-…-vj-1^hvjvj-1；

最后更新接收端数字域波束赋形矩阵

步骤4、接收端通过步骤2和步骤3中得到的波束赋形矩阵和发送数据流其中为单位矩阵。发送端利用波束赋形矩阵处理信号并归一化，而后更新数字域波束赋形矩阵

该步骤包括以下子步骤：

步骤4-1：接收端应用步骤2中的模拟域波束赋形矩阵和步骤3中得到的数字域波束赋形矩阵发送数据流为单位矩阵，ns为数据流个数；

步骤4-2：发射端通过模拟域波束赋形矩阵对信号进行整合，归一化列矢量并进行投影映射，过程如下：

ui＝ui-u1^huiu1-…-ui-1^huiui-1；

更新发射端数字域波束赋形矩阵

步骤5、重复步骤3和步骤4的训练过程，直到达到预定的迭代次数，最后获得发射端混合波束赋形矩阵为和接收端混合波束赋形矩阵为和

具体的，参考图2，基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法的训练时序图，

针对步骤1中所设参数，根据具体的信道特征，训练码本中的波束矢量，收发端分别选择4个最优的波束矢量组成模拟域波束赋形矩阵，然后训练数字域波束赋形矩阵，当数字域波束赋形矩阵趋于稳定或达到预设的迭代次数，则训练完成，之后开始数据传输。

结合图3，本发明提出的混合波束赋形方法与正交匹配追踪(omp)方法以及数字波束赋形和模拟波束赋形在相同信道特征下的可达速率比较，其中横坐标为信噪比snr，纵坐标为可达速率，数据流数目分别是ns＝1和ns＝2。可以看出，提出的混合波束赋形方法在性能上介于模拟波束赋形和数字波束赋形之间，同时基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法与omp方法有着一致的性能且略优于omp方法。但由于其不需要有复杂的信道状态信息的计算和svd分解，基于波束选择的幂迭代混合波束赋形方法实现复杂度更低。

本发明的优点在于利用波束选择来获取模拟域波束赋形矩阵，从而降低了数字域波束赋形矩阵训练的幂迭代次数，运用信道互易性以及迭代逼近的方法，降低系统实现的复杂度。