[发明专利]一种部分连接架构下的多用户毫米波通信波束成形方法

说明书

本发明给出了一种部分连接架构下的多用户毫米波通信波束成形方法，能够在低信噪比时提供近似波束扫描的主径搜索成功率，并显著降低波束训练的时间复杂度。同时通过设计模拟波束成形和数字波束成形公开了一种部分连接架构下的多用户波束成形方法，能够向空间角度域临近的多个用户提供近似全连接架构的窄波束，与一个子阵服务一个用户的波束成形方法相比，一定程度上改善了用户的平均和速率。

技术领域

本发明涉及一种部分连接架构下的多用户毫米波通信波束成形方法，属于毫米波无线通信技术领域。

背景技术

毫米波通信由于其丰富的优质频谱资源，能够为无线网络提供千兆每秒的数据传输速率，是5G的关键技术之一。但毫米波段固有的高路径损失、障碍物周围的低衍射能力会对系统通信性能造成一定的影响，而大规模多输入多输出(Multiple Input and MultipleOutput，MIMO)技术在基站端使用包含数百根天线的天线阵列，通过波束成形技术提供具有高度方向性的波束，为解决毫米波段的高路径损失问题提供了可能性。但传统的MIMO技术采用全数字波束成形架构，每一根天线后接一个射频链路，若对大规模天线阵列仍采用这一硬件架构，将会带来高昂的硬件成本和巨大的功耗，为此文献[1]提出了混合波束成形架构来解决这一问题。

混合波束成形架构使用远小于天线阵列的阵元数目的射频链路，极大地降低了硬件成本，其通常由模拟波束成形和数字波束成形两部分组成，其中模拟波束成形用于形成高增益的定向波束，数字波束成形用于消除不同数据流之间的串扰。根据系统架构，混合波束成形架构主要分为全连接架构和部分连接架构两种，其中全连接架构中每个射频链路通过移相器和加法器与所有天线阵子相连接，而部分连接架构将天线阵列分为若干个子阵，每个射频链路通过移相器与一个子阵的天线相连接，由此所需的移相器远小于全连接架构，进一步降低了硬件成本和功耗，具有更广阔的商用前景。

混合波束成形架构下的毫米波信道的状态信息获取，通常利用毫米波方向性强及天线阵列增益大的优势，采用基于波束成形的毫米波通信波束训练方案来降低高维信道矩阵的训练开销。所谓的波束训练即为寻找最匹配信道的收发波束组合，若令v表示发送端的波束成形向量，w表示接收端的波束成形向量，H表示接收端与发送端之间的信道矩阵，发送端波束成形向量v和接收端波束成形向量w均符合功率约束，即则波束训练的本质为寻找使得接收端信号功率或信噪比(Signal-to-noise Ratio，SNR)最大化的收发波束成形向量，即

针对混合波束成形架构下的波束训练，一种经典的方法是对整个空间角度域进行波束扫描来获取准确的到达角(Angle of Arrival，AoA)和发送角信息，但波束扫描的训练开销会随着角度分辨率的提高而增长，为此基于分层码本的波束训练方法被广泛采用。文献[2]提出了一种两步码字设计法，该方法首先忽略移相器精度的限制设计理想码字，然后在此基础上，考虑硬件约束，利用基于快速搜索的交替最小化设计实际码字。但基于分层码本的波束训练在低SNR时的搜索成功率远低于波束扫描，为此本发明给出了一种基于部分连接混合波束成形架构的毫米波通信快速波束训练方法，在低SNR时，主径搜索成功率也极为接近波束扫描。同时本发明还公开了一种部分连接架构下的多用户毫米波通信波束成形方法，能够向在空间角度域临近的多个用户提供近似全连接架构下的窄波束，相比于典型的一个子阵服务一个用户的波束成形方法，一定程度上提高了用户的平均和速率。

[1]Heath R W，Nuria González-Prelcic，Rangan S，et al.An Overview ofSignal Processing Techniques for Millimeter Wave MIMO Systems[J].SelectedTopics in Signal Processing，IEEE Journal of，2017，10(3)：436-453.