[发明专利]基于黎曼流形的分层码本设计方法

说明书

本发明公开了一种基于黎曼流形的分层码本设计方法，主要解决现有分层码本设计无法精确地进行信道估计，生成码本时间复杂度高的问题。其实现方案为：将毫米波信道离开角在网格中均匀量化，得到离开角度集合；根据信道路径数目和分层码本参数设计分层码本结构；利用量化后的角度和分层码本中的波束赋形向量推导得出目标函数；计算目标函数的微分和梯度，得到目标函数最快优化方向，利用Armijo‑Goldstein准则确定黎曼流形优化的步长；使用Retraction函数找到下一个优化的点，重复此步骤得到目标函数的最优解；利用最优解得到所有的码字，组成最终的分层码本。本发明的分层码本精度高，生成时间复杂度低，可用于信道估计。

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别适用于一种分层码本的设计方法，可用于5G场景中对毫米波信道的估计。

背景技术

毫米波由于在高频段具有大量空闲频谱被广泛运用到第五代移动通信系统中，然而毫米波也有其不可忽视的缺点。因为毫米波的波长很短，就带来了更高的路径损耗。除此之外，毫米波的穿透能力很差，非常容易受到障碍物的影响，从而造成了毫米波覆盖范围较小，影响传输质量。其次，毫米波在大气中传播时，由于空气和雨水具有很强的吸收效果，会造成毫米波信号的衰减。鉴于毫米波系统的这些缺点，目前主要通过部署大规模天线系统和利用波束赋形技术来补偿毫米波的路径损耗。目前，主要使用的波束赋形架构包括全数字波束赋形架构，模拟波束赋形架构和混合波束赋形架构。其中全数字波束赋形架构，其需要对每一个天线配置一套完整的射频链路，这将带来了巨大的能量损耗和硬件成本开支；模拟波束赋形架构，其仅对信号相位进行调整，并不适用与现今的毫米波系统；混合波束赋形架构，综合了全数字波束赋形和模拟波束赋性各自的优点，即利用模拟波束赋形的低功耗和全数字波束赋形的高性能，显著平衡了对波束赋形增益的高需求和降低功耗硬件成本的需要。

目前大多数混合波束赋形研究大多考虑了在完美已知的信道状态信息下进行波束赋形设计，然而实际中信道状态信息并不是完美已知的，因此在进行混合波束赋形设计前，需要进行信道估计来获取信道状态信息。

现有信道估计方法主要分为以下两大类：

一是基于导频的信道估计，其包括基于最小二乘法的信道估计和基于结合信道与噪声信息的最小均方误差信道估计算法。这种信道估计算法由于导频占用了信息比特，因而降低了信道传输的有效性，浪费了带宽。同时由于在接收端要将整帧的信号接收后才能提取出参考信号进行信道估计，故又带来了不必要的时延。

二是使用少量导频或者不使用导频的半盲/盲信道估计算法，其包括基于特征值分解和广义线性信道估计。近些年来，根据在大规模多输入多输出系统中，发送端和接收端有许多能量为0或者接近于0的传播路径，仅有部分传播路径具有能量的特性，有学者利用毫米波信道的稀疏特性，提出基于压缩感知的信道估计算法，将信道估计问题转换为稀疏重构问题。还有一种信道估计算法是基于分层码本来实现的，通过将平面角度逐层细分，提高码本的分辨率，得到毫米波信道的主要传播路径。

基于分层码本的信道估计算法主要包括基于离散傅里叶变换的分层码本设计和正交匹配追踪算法。

传统的基于离散傅里叶变换的分层码本是利用离散傅里叶变换对码本中的每一个码字分别进行设计，其使用更高的相移分辨率提供更加灵活的波束，使得每个波束都能达到相同的最大增益。这种码本的设计优点是思路简单，而缺点则是在逐步分层的过程中，会存在估计误差，从而导致信道估计性能的降低。