[发明专利]一种用于多波束切换天线系统中的波束搜索方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，使用多波束切换天线的无线通信系统尤其是60GHz通信系统中的波束搜索方法及装置，具体提供一种用于多波束切换天线系统中的波束搜索方法及装置。

背景技术

60GHz通信作为毫米波通信的一个重要分支，主要具有以下优点：通信量大，具有超过5GHz的免许可带宽，如果再加上空分、正交极化等复用技术，则其同时支持的信道容量还要大的多，因此特别适用于传输高速宽带视频信息等综合业务；方向性好，安全保密性强，大气对电磁波传播的衰减在60GHz频段附近出现极大值，约高达15dB/km，而墙壁对毫米波的衰减也很大，使窃听或干扰的难度增强，而且在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多，具有很好的方向性，因此非常适用于点到点的短距离通信；传输质量高，可进行全天候通信，由于频段高，干扰源少，电磁频谱比较干净，因此信道非常稳定可靠，与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候特性；具有良好的国际通用性和免许可特性，欧美日等国相继在57GHz-66GHz范围内划分7GHz连续的免许可频谱资源，各国的频谱分配在60GHz附近存在约5GHz的共用频率，因此，60GHz无线通信产品具有良好的国际通用性，并且60GHz的频谱资源完全免费，使60GHz无线通信在经济上具有很大优势。

60GHz多天线技术应用的必要性主要包括两点。

1.一方面，60GHz频段正好处于氧气吸收作用所造成的衰减峰，无线信号在60GHz频段附近衰减锐增，无法用于传统的毫米波远距离无线传输。另一方面，在室内环境中墙体等障碍物对毫米波信号的衰减作用显著。尽管这一特性对于减少系统之间相互干扰以实现可靠共存、并对通信保密性具有极其重要的意义，然而巨大的路径损耗也使得通信双方之间可靠的信号传输与接收变得困难，接收机依然很难有效检测到抵达接收端并经历了巨大传输衰减的微弱信号。

2.一般来说，天线尺寸大小的数量级大致与其工作频率对应的波长的数量级相比拟，由于60GHz信号的波长只有毫米级别，因此天线的尺寸相对于低频段的天线也大为减少，且根据天线增益公式G＝4πA/λ²，信号波长越小天线增益越大，在60GHz频段可利用4GHz频段天线尺寸的l/225来达到同样链路增益。60GHz天线这一特点使得集成多天线技术并实现波束赋形(波束形成)为可能，而波束赋形所带来的传输增益也正好可以弥补传播过程中巨大路径损耗，同时鉴于毫米波多天线易于进行小尺寸硬件集成，因而在天线尺寸小型化的同时，60GHz频段关键电路也朝着小型化的方向发展。随着目前电路集成技术的不断发展成熟，毫米波器件的低成本、低功耗和小型化实现已成为可能。

通常而言，波束赋形技术要求通信双方依据信道状态信息(Channel State Information，CSI)动态地更新天线权值向量(Antenna Weighting Vector，AWA)，实现最优方向的波束调整(Beam Steering)。一般地，常用的动态自适应调整算法主要包括LMS算法和RLS算法。然而，一方面此类自适应调整算法需要耗费可观的时间方可收敛于稳定解，这无疑极大地影响了60GHz毫米波通信设备传输效率；另一方面，算法所包含的复杂矩阵运算为多天线前端硬件实现带来巨大困难，从而严重违背了60GHz设备低复杂度、低功耗特性的要求。

基于上述考虑，可预先设计好波束模式(Beam Pattern)，编辑为波束码本(Codebook)，在实际应用中直接从波束码本中挑选最优收-发波束对。这种基于码本的波束赋形(或称波束切换或波束搜索，Beam-switching or Beam-searching)技术受到60GHz通信技术的广泛青睐。因此，在给定波束模式集的前提下，波束赋形则简化为寻找最优波束对(Beam Pair)，以使通信链路性能达到最佳。一种简单而直观的方式即为采用穷举搜索，通信双方尝试每一种可能的波束对组合，直至发现最优波束对。但这种搜索方案具有较高的搜索复杂度，约为0(N²)，其中N为码本空间长度。当码本长度较小时，上述搜索策略不失为一种可行方案，但随着码本空间的进一步增大，上述搜索方法将产生巨大传输包头，并消耗客观的能量，因而在实际中难以取得长足的应用。