聯合方法的層次碼本結構設計方法
【專利摘要】本發明提供了一種聯合方法的層次碼本結構設計方法，用于無線通信技術。本發明設計的碼本滿足兩個設計原則：同一層中的全體碼字需要能夠覆蓋整個空間；碼本的任意一層中任意一個碼字的空間覆蓋范圍必須是下一層中數個碼字的集合；同時還滿足第k層的波瓣寬度為2/2k，并且最后一層的碼本將采用信道指向向量的表達形式。在生成每層的碼字時，先生成每層的第一個碼字，進而旋轉該碼字，將其指向不同方向，就能夠構建出該層的全部碼字。采用本發明設計的層次碼本進行搜索，搜索方法的收斂速率更快，搜索成功率更高，波束成型的增益更高，在任意階段接收功率較大，發射功率利用率較高，在存在多徑的情況下魯棒性更好。
【專利說明】
聯合方法的層次碼本結構設計方法
技術領域
[0001] 本發明屬于無線通信技術領域，具體是指一種應用于子陣式和開關天線式聯合方 法的層次碼本結構設計方法。
【背景技術】
[0002] 毫米通信技術是具有非凡前景的下一代無線通信技術。因為毫米波段具有極其豐 富的頻譜資源，這使得毫米波通信技術可以提供比當前的通信技術高的多的信道容量。所 以近年來，對于毫米波無線局域網絡和毫米波移動通信網絡的研究正如火如荼的展開。然 而毫米波通信技術所面臨的巨大技術難題是在毫米波段信號的傳輸衰減非常大。為了克服 傳輸衰減，一般需要采用天線陣列的陣列增益加以彌補。由于毫米波波長很短，所以可以在 單一設備中集中大量天線單元，這使得毫米波通信成為可能。
[0003] 在毫米波領域，射頻器件的極高能量開銷和射頻元件的高昂制造成本，使得幾乎 不可能在毫米波領域采用傳統多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIM0)中 的數字波束成形技術。而采用單數據流的模擬波束成形技術，更為適用于毫米波波束成形。 這種結構中，所有的天線都鏈接到同一個射頻鏈路，每個天線幅度增益相同，相位增益可 調。由于在天線數目非常多的毫米波通信領域，信道信息（Channel State Information， CSI)的估計極為耗時并且非常困難，所以業界一般采用以下兩種方式來實現毫米波模擬波 束成形，即迭代波束成形方法和波束切換的方法。前者是在訓練過程中，固定一方的波束， 然后另一端不斷進行迭代，從而找最優波束。后者則是從預定義的碼本中查找出最優的碼 字進行通{目。
[0004] 對于波束切換方法，窮舉搜索是一種比較便利的搜索方法，只需要遍歷整個碼本 查找出最優的碼字即可，但是這種方法耗費的搜索時間非常長，特別是當天線陣列很大的 時候。為了提高碼本搜索效率，可以采用層次化碼本搜索方法。將碼本依據碼字的覆蓋范圍 的不同，劃分為不同的層次，上一層的碼字的覆蓋范圍是下一層數個相鄰碼字覆蓋范圍的 集合。通過構建這樣的碼本可以大大提高碼本搜索效率。公開號為104935366的中國專利申 請在2015年9月23日公開了一種毫米波通信中的波束搜索方法，利用開關天線的方式設計 了一種層次化碼本設計結構，大大提高了碼本搜索效率。Samsung公司的Sr idhar Ra jasopal設計了 一種基于子陣式的層次化碼本設計（參考文獻：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。但這種方法的設計實質上組成了四叉樹，在碼本 搜索的時間復雜度太高，并且，該文獻僅僅提出了碼字設計方法并沒有討論碼本搜索方法。

【發明內容】

[0005] 本發明為了解決碼本搜索的效率問題，以使得總發射功率更小、功率利用率更高、 抗干擾性能更好，提供了一種基于聯合方法的層次碼本結構設計方法。
[0006] 本發明提供的聯合方法的層次碼本結構設計方法，實現過程為:設發送端或接收 端的天線單元為N個，碼本被劃分為log2(N)+l層，層序號k = 0，l,. . .，log2(N)，則：
[0007] (1 ? 1)當k=log2(N)時，k層中的第n個碼字
，其中，n =1，2, ? ? ?，N;a( ?)表示信道指向向量；
[0008] (1.2)當k = log2(N)-l時，1 = 1,2, ? ? ?，log2(N)，k層中的第n個碼字w(k，n)根據下 面過程產生：
[0009] (1.2.1)將《仏，1)劃分為11個子陣，財=2[<_ /2」,其中第111個子陣的天線權重向量匕 為：
[0011]其中，Na表示開啟的子陣數目；
[0012] (1.2.2)當1為偶數時，設置Na=M/2，當1為奇數時，設置Na=M;
[0013] (1.2.3)根據第一個天線單元<1^，1)，獲得1^層的其他天線單元￥(1^，11)為 ：
[0015] 其中，"〇"代表Hadamard算子；
[0016] (1.2.4)將所有碼字歸一化。
[0017] 基于本發明提供的層次碼本結構，采用了二叉樹的查找算法搜索最優的碼字，實 現本發明的聯合波束搜索方法。在每一層的搜索中，比較當前父碼字所覆蓋的兩個子碼字 所對應的接收信號的信噪比SNR，將SNR較大的子碼字設為下一層搜索的父碼字，然后進入 下一層搜索。重復搜索過程，直到搜索到最后一層，在最后一層搜索得出的碼字就是整個碼 本的最優碼字，將最優碼字用于數據通信。
[0018]本發明的優點與積極效果在于：
[0019] (1)采用本發明設計的層次碼本進行聯合搜索，在每次搜索過程中，所使用的天線 單元數目要遠遠大于DEACT方法，從而本發明方法的信號發射和接收能量也要遠大于DEACT 方法，也就是說本發明的搜索方法能夠比DEACT方法提供更大的增益。仿真實驗表明，本發 明提出的碼本相比于子陣式和開關天線式碼本具有顯著的優點。
[0020] (2)采用本發明設計的層次碼本進行搜索，搜索方法的收斂速率更快，搜索成功率 更高;波束成型的增益更高，在任意階段接收功率較大，發射功率利用率較高，在存在多徑 的情況下魯棒性更好，而且系統設計相對簡單。
【附圖說明】
[0021] 圖1是毫米波通信中的收發端均勻天線陣列模型示意圖；
[0022] 圖2是層次碼本覆蓋關系示意圖；
[0023]圖3是DEACT方法的波束示意圖；
[0024]圖4是本發明的所生成的層次碼字波束示意圖；
[0025]圖5是2-D平面天線陣系統模型；
[0026] 圖6是整體傳輸模型中在LOS信道模型和NL0S信道模型情況下，本發明波束搜索方 法和DEACT方法接收能量的對比示意圖；
[0027] 圖7是單天線傳輸模型中在L0S信道模型和NL0S信道模型情況下，本發明波束搜索 方法和DEACT方法接收能量的對比示意圖；
[0028]圖8是整體傳輸模型中本發明波束搜索方法、DEACT和Sparse方法在L0S信道模型 下的搜索成功率對比示意圖；
[0029]圖9是整體傳輸模型中本發明波束搜索方法、DEACT和Sparse方法在NL0S信道模型 下的搜索成功率對比示意圖；
[0030] 圖10是單天線傳輸模型中本發明波束搜索方法、DEACT和Sparse方法在L0S信道模 型下的搜索成功率對比示意圖；
[0031] 圖11是單天線傳輸模型中本發明波束搜索方法、DEACT和Sparse方法在NL0S信道 模型下的搜索成功率對比示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面將結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的詳細說明。
[0033]不失一般性，本發明設毫米波通信模型中的收發端均勾天線陣列（Uniformly Linear Antenna，ULA)中的天線單元之間間距均為半波長，收發端天線數目分別為Nr和Nt。 如圖1所示，僅有一條射頻鏈路(RF Chain)連接到ULA上。在發送端，每個天線單元都和移相 器和放大器(PA)連接，而在接收端，每個天線和低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA) 連接。此外，需要注意的是，每個天線單元都可以被單獨開啟或者關閉，并且每個天線單元 都具有相同的放大倍數。
[0034]設s為發送的信號，接收信號y表達式為：
[0035] y = HwT,y + w^n (1)
[0036] 其中，Ptclt表示所有使用的天線的總發送功率。WT和WR分別表示發送和接收的天線 權重向量(Antenna Weight Vector JWV)。!!表示信道矩陣，n表示高斯白噪聲，噪聲能量為 No。上角標H表示共輒轉置。
[0037] W(N)表示N個天線權重向量集合，其表達式如下所示。
[0038] = ]' e[(X2,T)./ = K2..--.yvj (2)
[0039] 其中，u是歸一化因子，從而可以使每個向量的能量都歸一。可以看到，W(N)中的每 一個AWV的增益要么是u，要么是〇。&表示第i個天線單元的幅度增益，0i表示第i個天線單元 的相位。上角標j表示虛符號。此外定義wtGW(Nt)和wrGW(Nr)。
[0040] 定義發送信噪比y tot = Ptot/No,接收信噪比ntot可以表示為：
[0041 ] :n〇t IwlHw:「 （3)
[0042] 此模型下的能量增益，即陣列增益Gtot為：
(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。單天線傳輸模型在現 實中也是非常有必要存在的。也就是接收信號可表示為：
[0045] v = ^AT>?Hwr? + w?n (5)
[0046] 其中，PpM?是每個天線的傳輸能量，NTart是WT中參與信號傳輸的天線數目。
[0047] 單天線傳輸模型中的每根天線的發送信噪比SNR為：丫 per = Pper/No,接收信噪比 Hpery% ：
[0048] (6)
[0049] 此模型的能量增益為：
(7)
[0051] 需要注意的是，整體傳輸模型和單天線傳輸模型分別用于描述信號放大器(Power Amplifier，PA)具有足夠放大能力和放大能力有限兩種情況。魯棒性較好的碼本設計并不 需要針對兩種不同情況進行優化。
[0052] 毫米波信道具有高反射、低散射的特點，其信道中的多徑效應主要是由于反射產 生的，即毫米波具有方向性。不同點傳輸路徑具有不同的發射角度(Angle of Departure， AoD)和到達角度(Angle of Arrival，AoA)。依據前述的系統模型，毫米波信道矩陣可以表 示為： _
[0053] H = ^NtNk^ /1^(^, nt )a(NT, y/,f (8) 1=1
[0054] 其中，Ai表示第1條路徑的信道系數，L表示多徑（Multiple Propagation Component，MPC)的總數。a( ?)表示信道指向向量，Qi和ih分別表示第1條路徑AoD和AoA的 余弦，它們的取值范圍為[-1，1]。為了方便，下面將Q 1和ih分別稱為AoD和AoA。信道參數Ai 為瑞利分布。a( ?)的表達式為：
[0056] 其中，N表示接收端或者發送端的天線陣列單元數目，n表示AoD或者AoA。從a( ?) 的表達式可以看出a( ?)是周期函數，a(N，Q )=a(N，Q+2)。信道矩陣同樣需要歸一化，表 達式為：
[0057] ZE(W) = 1 (l〇j /=1
[0058] 進行波束搜索可以用數學表達式表述為： 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，如果收發端能夠知道H，并且收發天線的增益不是固定而是可變 的，那么可以利用矩陣的奇異值(Singular Value Decomposition，SVD)分解來求得最優的 AWV。然而在毫米波通信當中，對每個天線面對的信道都進行信道估計極其耗費時間，此外 天線陣列一般是固定的幅度，增益是恒定的。所以SVD方法幾乎不可行。
[0061] 依據公式(8)，毫米波通信信道主要不確定因素在于AoD和AoA，所以在本發明討論 的信道模型中，問題可以簡化為在多徑中尋找一條最想的路徑并將AWV指向這個路徑方向。
[0062] 從這個角度出發，最簡單的解決問題的方法是將AoD和AoA在[-1，1 ]依照1/N步長 進行采樣，并利用得到的AWV測試出最大的MPC方向。可見這種方法的碼本就是由信道指向 向量組成的。盡管窮舉搜索總能搜索到最優路徑，但是隨之而來的代價是搜索時間的增加。 窮舉搜索的時間復雜度為〇(N 2)，這對于毫米波通信系統而言太高的，所以目前分層搜索算 法廣為采用。不同的分層搜索算法性能主要依靠碼本W T和WR的設計，這也是本發明關注的重 點。
[0063] 在介紹兩種原則之前，首先引入兩種定義。定義A(w，Q)為w沿著角度為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表示發送或接收的天線權重向量，N表示w的非零單元數目，[w]n是向量的 第n個單元。
[0066] CV(w)定義為w的覆蓋范圍，數學定義為：
[0067] CF(w) = |〇 | !^(w,Q)| >/?max|.4(w,(?)|| ()3)
[0068] 其中，p為定義w的覆蓋范圍的參數，取值范圍為(0，1)。隨著p的變大，w的覆蓋范圍 就會隨之變小。當/>=1/衣時，w的覆蓋寬度剛好是3dB帶寬覆蓋范圍。不同的碼本設計方法 所設計的波束覆蓋范圍是不同的，也就是P是不同的。即使在同一碼本中不同的碼字的波束 覆蓋范圍也是不同的。A(w，co)表示向量 w沿著角度為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] 層次搜索簡單來說就是分層搜索，碼本中的各個碼字依據各自波束覆蓋范圍的不 同劃分成不同的層級。設w(k，n)為碼本中第k層碼本中的第n個碼字。
[0070] 層次碼本的兩個設計原則為： Nk
[0071 ] 1.同一層中的全體碼字需要能夠覆蓋整個空間，也即：LJCRwA/?)) = [-1,1],其中 n=\ k = 0，l，. . .，K-1;其中Nk表示序號為k的一層碼本中的碼字數目，K表示碼本的層數。
[0072] 2.碼本的任意一層中任意一個碼字的空間覆蓋范圍必須是下一層中數個碼字的 集合。也就是：（Hw('/f，/7))L 廠(w(/<r +丨，"〇)，二(以…，人-其中Ikjk+l層碼本中 mdk n 碼字的序號集合。為了方便起見，稱w(k，n)為父碼字，相應的{?仏+1，111)|111￡1 1^}為子碼字。 [0073] 顯而易見，原則一保證了碼本的全覆蓋特性，沒有任何角度是此碼本無法覆蓋到 的。原則二則在不同的碼字之間構建了一種樹形結構關系，這樣就可以采用結構化的搜索 方法。如果任何一個父碼字包含了 M個子碼字，那么就可以利用天線覆蓋關系設計M叉樹搜 索算法。
[0074]在搜索時，首先，發送端采用全向天線發送信號，接收端采用M叉樹搜索方法搜索 最優碼字，這個過程需要l〇gM(NR)次搜索。然后接收端采用最優碼字向發送端發送信號，發 送端采用相同的碼本搜索算法，經過l〇gM(NT)次搜索找到最優碼字。在每次搜索中，都需要 采用窮舉搜索從M個子碼字中挑選出最優的碼字作為下次搜索的父碼字。這樣總的層次搜 索算法的搜索次數Ts為：
[0075] Ts=M logM(NT)+M logM(NR) (14)
[0076] 因為現實中的天線陣列中天線單元數目一般都是2的指數，因此本發明方法基于 二叉樹的搜索方法。本發明方法的基礎是開關天線式(DEACT)方法，因此首先介紹基于二分 查找樹的DEACT方法，其層次碼本的波束覆蓋關系如圖2所示。此處以參考文件(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)的記載來 說明DEACT方法。
[0077] DEACT方法中的碼本被劃分為log2(N) + l層，序號分別為0,1，? ? ?，log2(N)。而序號 為k的碼本層的碼字總數為Nk = 2k。這里的N對應接收端的天線單元數目Nr或發送端的天線 單元數目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] 定義
(16)
[0081]也就是信道指向向量的波束寬度為2/N，指向方向為。這就是天線數目為N時最 窄的波束寬度了。這種碼本的碼字的參數P可以表達為：
(1乃
[0083] 當N很大時P~0.64。
[0084] 由于最后一層碼本中有N個碼字，并且這些碼字的集合覆蓋了 [_1，1]的全部角度。 所以每個碼字的波瓣寬度應該是2/N，并且分別指向N個不同的角度方向。所以，最后一層碼 本的碼字覆蓋范圍可以表示為：
(18)
[0086]同理，對于其他層的碼本的覆蓋范圍可以表示為：
(19)
[0088]與前述對比可以得到w(k，n)的表達式為：
(20)
[0090]采用DEACT方法，k層中激活的天線數目為2k，其余的天線都被關閉。圖3給出了天 線單元數目為64時的波束覆蓋方式。
[0091 ]對于DEACT方法，當碼本層序號k比較小時，激活的天線數目非常少，這就限制了總 的發送能量。因為在毫米波通信中每個天線的傳輸能量是有限的，如果激活的天線數目很 小，那么總的傳輸能量就會變小。為了讓總的發送能量盡可能的變大，本發明結合子陣式和 開關天線式的方法，提出了一種聯合方法的層次碼本結構設計方法。
[0092] 此外，希望能夠設計的碼本能夠滿足前述的兩種碼本設計準則，同時還需要滿足 條件為，k層的波瓣寬度為2/2k，并且最后一層的碼本將采用信道指向向量的表達形式。由 于每層碼本中的碼字具有同樣的波束寬度，但是指向方向不同，所以，可以先設計每一層的 第一個碼字，進而旋轉該碼字，將其指向不同方向，就能夠構建出該層的全部碼字了。通過 展寬該層碼字的波瓣寬度并重復以上過程，就可以得到下一層的碼字集合。
[0093] 為了實現這種設計思路，首先引入波束轉動公式及其推論。
[0094] 波束轉動的公式一屮
[0095]其中。代表Hadamard算子，N是w中天線單元的數目，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] 公式一說明，如果得到了第k層中指向某一方向的波瓣寬度為2/2k的天線權重向 量時，可以利用公式一來得到指向其他方向的碼字。
[0097] 波束轉動的推論一:假設序號為k的碼本層的第一個天線單元為w(k，l)，那么該層 的其他天線單元表達式為
[0098] 證明：
[0099] 由于
(2.1)
[0101]從而有 | [w(k，n)]i| = | [w(k，l)]i|，且界（1^，1)，'\￥(1^，11)￡10)。由于
(22)
[0103] 本發明通過波束展寬和前述的兩個碼本設計準則，就能構建整個層次碼本。更直 觀的說，如果將整個天線陣列劃分成不同的子陣，這些子陣分別指向不同的方向，那么這些 子陣波瓣的聯合就能夠構成更寬的波束。
[0104] 設將天線單元數目N陣列天線劃分為M個子陣，每個子陣的天線數目為Ns，其中第m 個子陣的天線權重向量為4 ，其中第m個子陣的第n個天線單元的權值向量為 W, m = …，。將AWV的增益可以改寫為下式： ("）
[0106] 這說明w的增益可以表示為所有子陣增益的集合。
[0107] 如果子陣的AWV可以表示為
其中6夂是子陣AWV的天線系 數，0m表示第m個子陣的相位。那么第m個子陣的波束覆蓋范圍CV(fm)如下：
[0109] 從而w的覆蓋范圍可以表達為：
(23)
[0111] 也即原本的波束寬度被擴展了 M2倍。
[0112] 然而，上面并沒有考慮到不同子陣之間的相互相干作用。設子陣表達式為
(24)
[0114] 上角標H表示共輒轉置。由于信道指向向量具有相互獨立的特性，任意兩個子陣的 天線權重相鄰之間的增益不會發生互相干擾。
[0115] 此外，為了減少波束的波動效應，需要保證，相鄰子陣波束覆蓋的交叉區域的天線 增益必須足夠大。這一點可以通過調整子陣天線系數來實現。為了確定合理的子陣天線 系數，可以通過求解下面的無約束最優化問題來解決：
[0116] maximize |/(, A0)|" (25)
[0117] 其中，A 0表示相鄰兩個子陣的相位差，f(Ns，A 0)表示增益。
[0118] 求解過程如下：
L0120J 其中（a)用到了信道指向向量間相互獨立的特性，（b)假設天線陣列單元數目Ns是 偶數。從而可以得到結果為從=(2々_+1);7^^名表示整數集合。所以選擇#=6>-來減 少波束的波動效應。
[0121] 綜上，通過采用子陣結構，可以得到波束覆蓋范圍為
_的碼字，如果結合 子陣和DEACT方法，那么就可以得到波束覆蓋范圍為'
_的碼字，進而可實現二分 法查找。其中，Na表示開啟的子陣數目。
[0122] 如前述的兩個碼本設計準測，設計的層次碼本結構特點應該是，第k層的碼字的波 束覆蓋寬度為2/2k。本發明用于聯合方法的層次碼本結構的具體實施方法為:設發送端或 接收端的天線單元為N個，碼本被劃分為log2(N)+l層，層序號k = 0，l,. . .，log2(N)，則：
[0123] (1.1)當k=log2(N)時，該層中的第n個碼字
，其中， n = l，2,…，N;
[0124] (1.2)當k=log2(N)-l時，1 = 1,2,. . .，log2(N)，根據下面過程產生k層中的第n個 碼字w(k，n);
[0125] (1 ? 2 ? 1)將w(k, 1)劃分為M = 2@in」個子陣，每個子陣表達式為(，
[0126] 第m個子陣的天線權重向量匕如下：
(27)
[0128] 其中，Na表示開啟的子陣數目；
[0129] (1.2.2)按照公式(28)確定子陣表達式，其中當1為偶數時，開啟的子陣數目Na = M/2,當1為奇數時，開啟的子陣數據Na=M;
[0130] (1.2.3)利用波束轉動的推論一，生成本層碼本的其他碼字；
[0131] (1.2.4)將所有碼字歸一化。
[0132] 圖4給出了當天線單元數目N=128時，本發明設計的層次碼字的波束圖。從圖中可 以看出，w(0，l)的覆蓋范圍是w(l，l)和w(l，2)覆蓋范圍的聯合。
[0133] 基于本發明所實現的層次碼本結構，采用二叉樹的查找算法搜索最優的碼字，實 現聯合波束搜索方法。在每一層的搜索中，比較當前父碼字所覆蓋的兩個子碼字所對應的 接收信號信噪比SNR，將SNR較大的子碼字設為下次搜索的父碼字，然后進入下一次搜索。重 復搜索步驟，直到搜索到最后一層。在最后一層搜索得出的碼字就是整個碼本的最優碼字， 將最優碼字用于數據通信。接收端和發送端均采用該方法進行最優碼字搜索以進行數據通 {目。
[0134] 將本發明的聯合搜索方法和DEACT方法進行比較，可以看出，本發明方法在接收信 號能量上具有明顯優勢。如果每個天線單元的能量是有限的，那么每次搜索過程中，本發明 方法所使用的天線單元數目要遠遠大于DEACT方法，從而本發明的聯合搜索方法的信號發 射和接收能量也要遠大于DEACT方法，也就是說本發明的聯合搜索方法能夠比DEACT方法提 供更大的增益。
[0135] 此外，在波速搜索過程結束后，收發雙發都將從最后一層碼本中找出各自最優的 碼字進行通信。由于最后一層碼本的波束覆蓋范圍為2/N。這樣的精度或許在某些情況下不 能滿足實際應用需求，為此，還可以專門設計一個波束覆蓋范圍小于2/N的碼本，為更為苛 刻的通信條件提供支持。
[0136] 進一步地，本發明實現針對平面天線陣的層次碼本結構設計及聯合搜索。將本發 明適用于均勾線天線(Uniformly Linear Antenna，ULAs)的層次碼本結構設計及聯合搜索 方法擴展到均勾面天線(Uniformly Planar Antenna，UPAs)，從而可實現將一維的層次碼 本結構設計及聯合搜索方法擴展為二維的聯合波束搜索方法。UPAs系統模型如圖5所示，窄 帶平坦衰落的UPAs的信道模型為：
[0137] H = la.raf (2：8)
[0138] 其中at和ar分別是收發兩端對應的信道指向向量，具體表達式為：
[0140] 其中，A為載波波長，d為UPAs中相鄰天線單元的距離。Nx和Ny分別是UPAs沿X軸和Y 軸方向的天線單元數目。到達UPAs的信號相對于X軸和Y軸的角度分別為0、0，它們的余弦分 別為O和?。ax和a y分別為沿X軸方向和Y軸方向的信道指向向量。
[0141] 通過將UPAs信道指向向量分解為沿X軸和Y軸的ax和ay，可以將UPAs的碼本及其搜 索過程分解為X軸向和Y軸向的兩個獨立的ULA的碼本和搜索過程，在X軸向和Y軸向兩個方 向分別采用一維的聯合搜索方法，就得到了適用于UPAs的碼本和相應的搜索方法，得到X軸 向和Y軸向的碼字表達式為：
[0142] 、~(k',kY，i'人、-二、、? Ak、J?、、、{k、J0 (30)
[0143] 其中，Wx(kx, ix)和Wy(ky, iy)分別是X軸向的位于kx層的第ix個碼字和Y軸向的位于 ky層的第iy個碼字。Wx(kx，ix)和 Wy(ky，iy)均采用本發明所述的層次碼本結構設計方法生成。 kx、ky分別為X軸向、Y軸向的碼本的層序號。ix、iy為正整數。
[0144] 搜索最優的二維層次碼本的過程是:首先保持X軸向的碼字表達式為wx(l，1 )，在Y 軸向上采用二叉樹的查找算法搜索最優的碼字，設查找到Y軸向的最優碼字><(A?、乂）；然后 保持Y軸向的碼字表達式為><(<乂.)不變，在x軸向上同樣采用二叉樹的查找算法搜索最優 的碼字，查找X軸向的最優碼字wl(Ux)，最終可以得到UPAs系統的最優碼字如下： (夂，A'、，/', /;)二 W; (A、，/J ? w;(夂,/;)。
[0145] 圖6是整體傳輸模型（指UPAs系統模型）中在L0S信道模型和NL0S信道模型情況下， 本發明波束搜索方法和DEACT方法接收能量的對比。將本發明波速搜索方法簡記為BMW-SS。 其中收發端天線單元數目Nt=Nr = 64,信道模型中多徑數目L = 3,發射總功率為Ptclt=lW，噪 聲功率為N〇= 10、。其中1到6步為發射端訓練，7到12步為接收端訓練。圖6和圖7中，橫坐標 表示搜索步數，縱坐標表示信號接收功率。
[0146] 圖7是單天線傳輸模型中在L0S信道模型和NL0S信道模型情況下，BMW-SS和DEACT 方法接收能量的對比。其中收發端天線單元數目Nt = Nr = 64,信道模型中多徑數目L = 3,發 射總功率為Pper=lW，噪聲功率為N〇=l(T4W。其中1到6步為發射端訓練，7到12步為接收端訓 練。
[0147] 圖8是整體傳輸模型中BMW-SS，DEACT和Sparse方法在L0S信道模型下的搜索成功 率。其中收發端天線單元數目Nt = Nr = 64,信道模型中多徑數目L = 3,發射總功率為Ptclt = 1W，噪聲功率為N〇 = 10_4W。!!為LOS徑和NL0S徑信號功率的比。圖8~圖11中，橫坐標表示接收 信號的信噪比，縱坐標表示成功率。
[0148] Sparse方法為參考文件（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?)記 載的波束成形方法。
[0149] 圖9是整體傳輸模型中BMW-SS，DEACT和Sparse方法在NL0S信道模型下的搜索成功 率。其中收發端天線單元數目Nt = Nr = 64,信道模型中多徑數目L = 3,發射總功率為Ptclt = 1W，噪聲功率為N〇= 1(T4W。!!為L0S徑和NL0S徑信號功率的比。
[0150] 圖10是單天線傳輸模型中BMW-SS，DEACT和Sparse方法在L0S信道模型下的搜索成 功率。其中收發端天線單元數目Nt = Nr = 64,信道模型中多徑數目L = 3,發射總功率為Pper = 1W，噪聲功率為N〇= 1(T4W。!!為L0S徑和NL0S徑信號功率的比。
[0151] 圖11是單天線傳輸模型中BMW-SS，DEACT和Sparse方法在NL0S信道模型下的搜索 成功率。其中收發端天線單元數目Nt = Nr = 64,信道模型中多徑數目L = 3,發射總功率為Pper =1W，噪聲功率為N〇= 10、。11為L0S徑和NL0S徑信號功率的比。
[0152] 通過實驗性能測試表明，在天線陣總能量約束和單個天線能量約束條件下，本發 明波束搜索方法的性能都要比DEACT方法更具有優勢。具體體現在本發明方法具有更平坦 的波束和更多的參與通信的天線數目。這兩個優點使得本發明方法的搜索成功率和接收 SNR要比其他方法、尤其是DEACT方法有顯著提升，并且搜索的收斂速率更快。
【主權項】
1. 一種聯合方法的層次碼本結構設計方法，其特征在于，實現步驟如下:設發送端或接 收端的天線單元為N個，碼本被劃分為log2(N)+l層，層序號k = 0，l,. . .，log2(N)，則： (1 · 1)當k = log2(N)時，k層中的第η個碼字，其中，η = 1， 2, · · ·，N;a( ·)表示信道指向向量； (1.2) 當k=log2(N)-l時，1 = 1,2, . . .，log2(N)，k層中的第η個碼字w(k，n)根據下面過 程產生： (1 · 2 · 1)將w(k，1)劃分為Μ個子陣，M = 2L(/+IV2」，其中第m個子陣的天線權重向量fm為：其中，Να表示開啟的子陣數目； (1.2.2) 當1為偶數時，設置Να=Μ/2，當1為奇數時，設置Να=Μ ; (1.2.3) 根據第一個天線單元w(k，l)，獲得k層的其他天線單元w(k，n)為：其中，"〇"代表Hadamard算子； (1.2.4) 將所有碼字歸一化。2. 根據權利要求1所述的聯合方法的層次碼本結構設計方法，其特征在于，采用了二叉 樹的查找算法搜索最優的碼字，實現聯合波束搜索;在每一層的搜索中，比較當前父碼字所 覆蓋的兩個子碼字所對應的接收信號的信噪比SNR，將SNR較大的子碼字設為下一層搜索的 父碼字，然后進入下一層搜索；重復搜索過程，直到搜索到最后一層，在最后一層搜索得出 的碼字就是整個碼本的最優碼字，將最優碼字用于數據通信。3. 根據權利要求1所述的聯合方法的層次碼本結構設計方法，其特征在于，應用于均勻 面天線時，將信道指向向量分解為沿X軸和Y軸的分量a x和ay，在X軸向和Y軸向上分別采用所 述的層次碼本結構設計方法生成碼字，設X軸向的位于k x層的第ix個碼字為Wx(kx，ix)，Y軸向 的位于k y層的第iy個碼字為^(1^山），1^、1^分別為父軸向、￥軸向的碼本的層序號，則得到二 維的碼字如下：在搜索最優的碼字時，首先保持X軸向的碼字Wx(l，l)不變，采用了二叉樹的查找算法搜 索在Y軸向上的最優的碼字，設查找到Y軸向的最優碼字(Uy);然后保持Y軸向的碼字 ><(々、乂）小變，在X軸向上采用了二叉樹的查找算法搜索最優的碼字，設查找X軸向的最優 碼字wx(/cx,/x)，最終得到最優的碼字為：
【文檔編號】H04B7/06GK105959044SQ201610251727
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月21日
【發明人】肖振宇, 賀同, 白琳
【申請人】北京航空航天大學