毫米波系統快速信道估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線通信系統技術領域，具體設及一種毫米波系統快速信道估計方 法。
【背景技術】
[0002] 目前高速業務的迅速增長，使得下一代通信技術的目標是能夠提供化psW上的傳 輸速率，顯然中低頻段的通信系統難W滿足需求，且此頻段業務眾多，頻譜擁擠不堪，于是 業界將目光投向毫米波段。該頻段的特點是波長較短，使得設備可W集成更多的天線，不但 可W大大提高頻譜利用率，而且可W獲得陣列增益，正好彌補毫米波段由于衰減大導致覆 蓋距離不夠的缺陷。但是，當未來毫米波通信系統集成的天線數目多達上百根時，便會帶來 許多問題，其中最突出的問題是信道信息的快速獲取。因為隨著天線數量的上升，所需要的 信道信息量也急劇上升，導致其獲取復雜度及反饋信息量隨之加大，因此當發射機獲得該 信道信息時，信道已經發生變化，即信道已經老化（channel aging)[參考文件1 =Truong, K.T.,&Heath,R.W.(2013).EffectS of channel aging in massive MIMO systems. Communications and Networks ,Journal of, 15(4) ,338-351.]。故為了保證信道 信息的時效性，隨著天線數量的上升，需要設計一種更加高效、快速地信道估計方案。
[0003] 對于波束切換系統的模擬波束賦形結構來講，信道信息的獲取實際上是一個波束 捜索問題。該系統通常預先設計好若干個合適的波束，并將所需的天線陣列加權向量(即波 束碼本)儲存起來，在使用時從中選取最合適的波束進行通信。為了兼顧實現復雜度與覆蓋 效果，目前的毫米波無線局域網標準多采用此結構。而在第五代移動通信網及未來的超高 速無線局域網中則可能采用混合數模結構波束賦形技術，其中也設及到快速波束捜索問 題。目前802.15.3c標準中采用扇區級和波束級的兩級捜索方案，復雜度與天線數目的平方 成正比[參考文件 2:Gilb，J.P.K.(Technical Editor).(2009).IEEE Standards 802.15.ScTM-Part 15.3:Wireless MediumAccess Control(MAC)and Physical Layer (PHY)Specifications for High Rate Wireless PersonalArea Networks(WPANs) Amendment 2:Mi11imeter-wave-based Alternative Physical Layer Extension.New 化rk, USA, I邸E Computer Society. ] ;802.1 lad標準中捜索復雜度則降低到與天線數目成 線性關系[參考文件3:Cordeiro，C. (Technical Editor). (2010). IE趾 P802. IladTM/ DO.I-化rt 11:Wireless LAN MediumAccess Cont;rol(MAC)and Physical Layer(PHY) Specifications-Amendment 6:Enhancements for Very High Throughput in the 60GHz Band.化W 化rk,USA, I 邸E 802.11 Committee of the IE邸 Computer Society.];參考文 件4中公開的二分捜索方案[參考文件4:Zou,Wei-Xia,Guang-Long Du,Bin Li,and Zheng Zhou."Step-Wisely Rfinement Based Beam Searching Scheme for 60 GHz Communications."Wireless personal communications 71,no.4(2013):2993-3010.]，復 雜度可降低到與天線數目成對數關系；參考文件5中提出利用旁瓣重疊的波束=分捜索的 方案，捜索復雜度進一步降低[參考文件5:Kokshoorn，M.，Wang，P.，Li，Y.，&Vucetic，B. (2015,June).Fast channel estimation for millimetre wave wireless systems using overl曰pped be曰m p曰tterns. In Communic曰tions(ICC),2015 IEEE Internstionsl Conference on(pp. 1304-1309). I邸E.]。但對于上百根天線來講，捜索復雜度仍然太高。
[0004] 對于收發雙方均采用多天線的毫米波通信系統來講。為獲得較好的通信質量，需 要尋找最優收發波束對用W通信。對發射機而言，需要估計信號的離開角A0D(Angle Of Departure)，并據此選取發射波束;對接收機而言，需要估計信號的到達角A0A(Angle of Arrival)，并據此選取接收波束。對于毫米波下的點對點靜態LOS信道，通常對于一個設備， 其發射信號的AOD與接收信號的AOA是一樣的。因此一個設備的接受波束與發射波束是一致 的，在信道估計時也只需估計出AOD或AOA其中的一個即可。目前普遍采用的方法，是通過不 同發射波束發射信號，根據反饋估計AOD。發射機在得到該AOD數據后，選擇在該AOD增益最 大的波束進行通信。
[0005] 假設某設備使用天線陣列，產生Q個用于通信的波束(簡稱通信波束)來覆蓋整個 空間范圍（-90°，+90°)。即將整個空間范圍劃分為Q個AOD區間，其中第q個區間記為Aq(q = 1，2,…，Q)。當發射機發現估計出的AOD隸屬于某個Aq，則選擇該區間對應的波束作為最優 通信波束，對應的編號q記為q-opt，即最優區間為Aq-opt。目前的波束切換系統中，AOD估計通 常與最優波束捜索一并進行。下面介紹各現有方法的機制和特點。
[0006] (1)基于遍歷的捜索方法需要發射機通過Q個不同通信波束發射信號，接收機檢測 并比較接收信號，將信號強度最高的時隙編號(或對應的波束編號）反饋給發射機，發射機 據此判斷AOD位于該波束的覆蓋區間。可見其反饋次數為1次，反饋信息量為logsQbit，需要 的訓練信號發射次數為Q。
[0007] (2)基于二分捜索的方法[參考文件4]，需要產生主瓣寬度比通信波束更寬的用于 訓練的波束（簡稱訓練波束），逐步細化AOD的顆粒度，最終找到Aq-DPtD二分捜索過程分為 IogsQ個階段，剛開始階段產生的訓練波束主瓣較寬，隨著捜索過程的繼續，訓練波束主瓣 將越來越窄。一般來講，下個階段的波束寬度近似是上個階段波束寬度的一半。在每個階 段，均將波束捜索范圍分為兩個細分區間，并用兩個波束分別覆蓋運兩個細分區間。發射機 依次通過運兩個波束發射訓練信號，接收機反饋信號強度較高的波束編號;發射機收到反 饋后，判斷Aq處于該波束覆蓋的細分區間內，并將該細分區間作為下一階段的波束捜索范 圍。通過運樣的循環操作，將AOD的顆粒度逐步細化，直至找到足夠精細的Aq-Wt,最終確定最 優的通信波束。每個階段，需要發射2次訓練信號，反饋信息量為化it。經過IogsQ次循環后， 反饋次數為log泌次，總反饋信息量為IogsQbit，所需的訓練信號發射次數為2*log2Q。
[0008] (3)參考文件5中利用波束旁瓣的重疊區域進行=分捜索，其總體過程與二分捜索 相似，分為IogsQ個階段。在每個階段，產生兩個波束覆蓋捜索范圍，但將捜索范圍一分為 =，兩個波束的主瓣各占一個區間，旁瓣的重疊區域占一個區間。在2個時隙內，通過運兩個 波束發射信號，接收機檢測信號強度，若其中一個波束的信號強度更高，則判定Aq-DPt處于該 波束主瓣覆蓋的角度區間內；若兩波束信號強度相當，則判定Aq-DPt處于兩波束的旁瓣重疊 區間內。判定過程可W在接收機處進行，只反饋所屬角度區間編號即可，信息量為l〇g23 bit,并將本階段Aq所屬區間作為下一階段的捜索范圍。經過IogsQ次循環后，反饋次數為 IogsQ次，總反饋信息量為l〇g23bit/次*log3Q次=IogsQ bit,所需要的訓練信號發射次數 為2*log3Q。
[0009] =種方法的總反饋信息量是一樣的，但各方法的復雜度不同，其原因在于對信息 的表示效率存在差異。為了確定Q個通信波束中最優的一個，無論采用哪種捜索方法，所需 要的信息量都為IogsQ bit。也就是說，用二進制表示該信息，所需要的位數為log泌位。遍歷 捜索不分階段，用Q位二進制數表示IogsQ bit信息；二分捜索的每個階段，用2位二進制數 表示化it信息;=分捜索的每個階段，用2位二進制數表示log23 bit信息。二分捜索與=分 捜索在每個階段都發射2次訓練信號，但=分捜索可W通過波束得到更多的方位信息。其原 因在于，波束疊加狀態在二分捜索中并未得到應用，但在=分捜索中得W使用。然而=分捜 索只利用了旁瓣的疊加，而主瓣的疊加并未得W利用。
[0010] 可見，如果通過每個波束得到的方位信息量越多，信息表示效率越高，那么所需要 的訓練信號發射次數也就越少，整個捜索過程的復雜度越小。而理論上，2位二進制數可W 表示化it信息。因此，二分法的表示效率較低，=分法雖然利用了波束旁瓣的疊加狀態，但 并未利用主瓣的疊加，說明效率仍然有提高的空間。
【發明內容】
[0011] 本發明提出利波束主瓣重疊的快速信道估計方法，旨在進一步減小捜索復雜度， 利用多個主瓣疊加的波束，對信道AOD進行快速估計。
[0012] 本發明提供的毫米波系統快速信道估計方法，實現步驟為：
[0013] 第一步，根據通信波束數目Q，對通信波束所覆蓋的空間范圍進行區間劃分，對各 區間進行編碼。
[0014] 將通信波束所覆蓋的空間范圍劃分為Q個AOD區間，第q個區間記為Aq，將區間Aq的 編碼表示為一個K位的二進制數;q = l，2,…，Q，K、Q均為正整