[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

说明书

本发明公开了一种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，其中三维训练码书设计方法包括如下步骤：1、根据分辨率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；2、将等分为N个矩形区域记为集合有波束集合与之对应；树结构的根节点为与的组合；3、确定第s层第b个节点C_s,b，C_s,b为与波束集合的组合；依次确定2到S层中的各节点4、求解每个节点对应波束集合包含的波束成形向量得到三维训练码书，其中q＝1,…,N。该方法生成的三维训练码书可用于实现高精度的波束对准和信道估计，并且能够显著降低系统的训练开销。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及到收发端天线呈均匀面阵排布的毫米波通信系统的一种三维训练码书设计方法。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，高速数据业务以及无处不在的接入需求正呈现出一种爆炸式的增长。下一代5G移动通信技术，对容量、能耗和带宽的需求将越来越高。工作在30-300GHz相对空闲频段的毫米波通信技术，因其工作频段中包含的大量未授权的带宽被认为是下一代无线局域网和移动通信的关键技术之一，因为直接扩展频谱带宽对于提升系统容量来说既简单又有效。已有研究表明，毫米波通信能实现10Gbps的峰值传输速率。

然而，相较于传统微波频段，毫米波传输面临着更大的路径损耗，因此通信距离与覆盖范围十分有限。好在毫米波信号的波长极短，可以将大量天线以较小尺寸封装，进而大规模阵列天线与数模混合波束成形技术相结合，其提供的阵列增益和空分复用增益能弥补系统的部分衰减，提高系统传输速率和传输质量。除此之外，为更好地获取阵列增益，在通信开始时对收发波束进行波束对准也很有必要，高精度的波束对准在建立可靠的毫米波通信链路、获取所需的传输数据以及扩大小区通信覆盖范围方面发挥着关键作用。通过估计包括到达角(AoA)、离去角(AoD)以及路径增益等相关参数，准确的波束对准还可用于提高毫米波系统的信道估计性能。

在实际的毫米波通信系统中，要实现准确的波束对准有一定的困难。首先，毫米波段的高频带意味着信道可能在较短时间内快速变化，波束对准需要在极短的信道相干时间内完成，因此穷尽的波束搜索算法在此并不适用。第二，为充分利用大型天线阵列的阵列增益，训练波束应当足够窄，这无疑会增加波束对准的复杂度，因此提出高效的波束码本设计方法以及波束搜索算法很有必要。为减少波束对准的训练开销，一种有效的方法是使用基于分层多分辨率训练码书的树搜索算法。分层训练码书通常由不同级别的子码书组成，在高阶层上，子码书中包含少量低分辨率的训练波束，覆盖预定的角度范围；在低阶层上，子码书中包含的训练波束增多，分辨率也有了一定的提高。

虽然分层搜索能够显著降低系统的训练开销，但其性能在很大程度上取决于所使用的层次训练码书。针对层次码书设计方法的研究已有很多，但这些研究主要集中在均匀线性阵列(ULA)结构，而对均匀平面阵列(UPA)结构的研究非常少。为实现可变精度的三维波束覆盖，并且获得更大的波束成形增益，本发明提出了一种适用于毫米波通信系统的三维训练码书设计方法，该方法将训练波束的设计问题描述成波束图案的优化问题，并提出了一种有效的迭代算法来求解此优化问题。在本发明中，训练波束图案的过冲以及主旁瓣的纹波被适当地约束，因此每个训练波束都具有相对平坦的幅度响应以及较为理想的过渡频带。本发明设计的三维训练码书即使在低信噪比条件下，始终可以在毫米波通信系统中实现高精度的波束对准以及信道估计。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种用于毫米波通信系统的三维训练码书设计方法，该方法生成的三维训练码书可用于实现高精度的波束对准和信道估计，并且能够显著降低系统的训练开销。

技术方案：本发明一方面公开了一种用于毫米波通信系统的三维训练码书设计方法，包括如下步骤：

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