[发明专利]用于毫米波通信系统的三维训练码书设计方法及波束对准方法

权利要求书

1.一种用于毫米波通信系统的三维训练码书设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据分辨率rs和波束空间的范围建立深度为S、度为N的三维训练码书树结构；

设分辨率rs＝v_e×v_a，波束空间为矩形区域，e方向与a方向为垂直的两个方向；在e方向的宽度为W_e，在a方向的宽度为W_a，即为W_e×W_a的矩形区域，树结构的度N＝N_e×N_a，深度S和度N满足条件：且

所述三维训练码书树结构中1到S-1层中每一个节点都有N个子节点；

(2)将波束空间在e方向进行N_e等分，在a方向进行N_a等分，即将等分为N个矩形区域N＝N_e×N_a，记为集合每个矩形区域有波束成形向量与之对应，i＝1，…，N，N个波束成形向量组成波束集合即

所述三维训练码书树结构的根节点C_1，1为矩形区域集合与波束集合的组合

(3)确定所述三维训练码书树结构的第s层第b个节点C_s，b，C_s，b为矩形区域集合与波束集合的组合

其中与第s-1层的节点具有如下关系：

其中s＝2，…，S，b＝1，…，N^s-1，为向上取整运算，％为取余运算；

对在c方向进行N_e等分，在a方向进行N_a等分，得到N个子矩形区域每个子矩形区域有波束成形向量与之对应，i＝1，…，N，N个波束成形向量组成波束集合即

按上述步骤依次确定2到S层中的各节点

(4)求解所述三维训练码书树结构中每个节点包含的波束成形向量得到三维训练码书，其中q＝1，…，N；所述三维训练码书树结构中每个节点包含的波束成形向量在主瓣和旁瓣具有恒定但不相同的幅度响应值，即

其中ψ＝(ψ_e，ψ_a)＝(sin(θ_e)，sin(θ_a))是俯仰角θ_e与方位角θ_a的正弦值的组合，为水平方向上的天线阵列响应矢量a_h(2π/λd_h sin(θ_e)cos(θ_a))与垂直方向上的天线阵列响应矢量a_v(2π/λd_vsin(θ_a))的Kronecker乘积，是波束成形向量的幅度响应值；其中q＝1，...，N；d_n和d_v分别为水平方向、垂直方向上相邻两根天线之间的间距；

对主旁瓣对应区域和进行采样离散化为离散波束主、旁瓣对应区域和区域；

求解波束成形向量为求解优化问题：

其中ε为训练波束主旁瓣的纹波，是一个极小的正实数；E_s为常数，取值随着s的增大而减小；和分别为离散波束主、旁瓣对应区域；

将约束条件松弛化，采用约束凹凸过程迭代算法求解优化问题，步骤如下：

(6.1)确定迭代初始值f₀：

初始值f₀通过求解如下优化问题来确定：

构建如下约束优化问题：

其中表示取括号内数值的实部，分别表示离散化的主旁瓣对应区域；

(6.2)迭代求解步骤(6.1)中的优化问题，检查本次迭代得到的r值是否满足收敛标准，若满足，本次迭代的最优解f_n即为最终解f^＊；若不满足，根据本次迭代的最优解f_n，再次求解步骤(6.1)中的优化问题；

(6.3)输出最终解f^＊，获得所需的三维训练波束。

2.一种波束对准方法，其特征在于，包括如下步骤：

(8.1)参数配置与初始化：收发端按照权利要求1中所述的方法设计三维训练码书；

设所设计的三维训练码书含有S个训练子码书分别对应S个训练阶段；所设计的三维训练码书树结构的度为N；波束成形向量中的下标值初始化为：s＝1，b_f＝1；

(8.2)发射端连续使用第一层子码书中的低分辨率训练波束向量来传输训练信号z，且每个训练波束重复训练M_s次以增加系统的接收信噪比；

(8.3)接收端根据对应的接收信号选择产生最高接收能量的波束成形向量，即

其中p为发送功率，h为信道矩阵，h^H为h的共轭转置矩阵，为加性高斯噪声；

接收端将索引值q^＊反馈给发射端，由此，发射端根据及其对应的矩形区域初步确定最强波束对应的离去角AoD所在区域；

(8.4)发射端根据索引值q^＊，在三维码书的下一层子码书中选择一组具有较高分辨率的波束成形矢量来传输训练信号，从而进一步更精确地确定AoD所在区域；

其中b_f+1＝b_f*N-N+q^＊；

(8.5)重复步骤(8.3)～(8.4)，直到查找到满足最高分辨率要求的波束成形向量，该向量对应的矩形域即为AoD所在区域。