[发明专利]等功率约束下大规模天线训练码本的设计方法及训练方法

说明书

等功率约束下大规模天线训练码本的设计方法及训练方法，属于无线通信技术领域，适用于采用模拟收发结构的等规模约束下大规模天线阵系统，解决基于多分辨率码本的层次化搜索方案下，如何提高码本性能的问题，本发明多分辨率码本设计方法综合运用了虚拟子阵列技术和多波束空间合成技术，通过相位补偿技术解决了虚拟子阵列间的耦合带来的波束增益起伏问题，本发明在提高码本生成效率的同时也为自适应波束对齐奠定了基础；相移阵列的每根天线上施加等功率约束，在克服传统模拟码本生成方法中需要配置射频开关的缺陷的同时充分利用了阵列增益；码字主带内的波束增益起伏问题通过相位补偿技术得到了有效遏制，具有较平坦的波束样式。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，为一种等功率约束下的基于子阵列的多分辨率码本产生及自适应波束训练方法。

背景技术

移动通信的容量呈现爆发式的增长，为了满足这一需求，无线通信的频段越来越高，目前已经从微波频段向毫米波甚至太赫兹波段发展以获得足够的频谱资源。然而，相对于现有运营在低频段的移动通信系统而言，高频段无线传输存在严重的传输损耗。然而对于高频段无线通信系统，在严重高频传输损耗的同时，较短的波长使得在相同尺寸下集成更多数量的天线成为可能。因此，通过在通信收发射机两侧架设大规模天线阵列获取大的波束成形（Beamforming）增益来对抗高频传输损耗成为一个有效的解决方案。

大规模天线阵列的瓶颈在于信道估计。传统多输入多输出（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）系统中采用的对逐根天线进行信道信息获取的信道估计方法由于估计开销过大而无法直接应用到高频段系统中。目前学术界和业界提出的降低开销的信道估计方案可以概括成如下两类：一是基于稀疏空间重构的压缩感知技术（CompressingSensing，CS）；二是基于码本的波束切换（Switched-Beamforming）扫描方案。前者用以较复杂的技术为代价可以较为准确的估计出信道中的多径分量（MPCs），而后者虽难以准确的获取MPCs的信息，但可以以简单的技术手段抓取最强单径。

为进一步减少搜索码本的开销，业界和学术界提出了基于多分辨率码本的层次化搜索方案，可以将波束对齐的时间开销减少到天线数目的对数级。层次化搜索的准确度主要取决于多分辨率码本的性能，如带内平坦度、带外泄露、主旁瓣比和带内增益等。然而，当射频链（Radio-Frequency chain，RF chain）受限时，同时追求这些技术指标存在极大的技术难度，这是由于不同相移器组的相位调整结果无法在阵列上直接相加，只能在空间角度域上合成，进而导致了子阵列间耦合问题。

参考文献

[1] Wang J, Lan Z, Baykas T, et al. “Beam Codebook Based BeamformingProtocol for Multi-Gbps Millimeter-Wave WPAN Systems” IEEE J. Sel. AreasCommun., 2009, 27(8):1390–1399.

[2]Xiao Z, He T, Xia P, et al. “Hierarchical Codebook Design forBeamforming Training in Millimeter-Wave Communication”IEEE Trans. WirelessCommun., 2016, 15(5):3380–3392.。

发明内容

本发明要解决的问题是：大规模天线阵列的信道估计需要搜索码本的开销，但目前的基于多分辨率码本的层次化搜索方案在射频链受限时，码本性能受到影响，进而影响层次化搜索的准确度。

本发明的技术方案为：等功率约束下大规模天线训练码本的设计方法，在采用模拟阵列结构下的点对点大规模天线系统中，在等功率约束下设计多分辨率码本，天线系统收发两侧均配置有N个均匀线性半波长天线阵列，包括以下步骤：