[发明专利]一种毫米波通信多径信道动态波束训练方法

权利要求书

1.一种毫米波通信多径信道动态波束训练方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)设计毫米波通信接收端的信号接收模型；

(2)设计毫米波通信中的传输信道模型；

(3)设计动态可调且具有闭合表达式的发送端和接收端的分层码本；

(4)搜索分层码本，估计多径信道的第一条路径；

(5)基于前L_f条已估计的路径，对第L_f+1条路径进行估计，L_f≥1；

(6)预设L_d条路径，重复步骤(5)计算，直到所有的L_d条路径均已被找到；

步骤(1)中的信号接收模型设计如下：

其中，f_BB、F_RF、H、W_RF和w_BB分别表示数字预编码向量、模拟预编码矩阵、信道矩阵、模拟合并矩阵和数字合并向量；y、P、x和η表示接收信号、发送功率、发送信号和加性高斯白噪声向量，(·)^H表示做共轭转置；

步骤(2)中，设计毫米波通信中的传输信道模型：

其中，L、λ_l、N_t和N_r分别表示路径数目、第l条路径的信道增益、信道接收角、信道发送角、发送天线数目和接收天线数目；α(N，Ω)表示信道引导向量，定义为：

其中，N为天线数目，Ω为信道发送角或接收角；

步骤(3)中，设计动态可调且具有闭合表达式的发送端和接收端的分层码本，方法如下：

(3.1)设发送端的天线数为N_t，当N_t设为2的指数次方时，码本具有如下特征：

①发送端的码本共有S+1层，S＝log₂N_t；

②码本的第s层共有2^s个码字，s＝0，1，2，…S；码本的最底层共有N_t个码字，每个码字均是一个信道引导向量，且第i个码字表示为f_i＝α(N_t，-1+(2i-1)/N_t)，i＝1，2，…，N_t；

③第s层每个码字覆盖的宽度为2/2^s，最底层码字覆盖的宽度为2/N_t；

④每个码字覆盖的宽度均可表示为多个最底层码字覆盖的宽度的集合；

(3.2)待设计码字假设为v＝V_t(s，m)，即待设计的码字是分层码本V_t的第s层的第m个码字，m＝1，2，…，2^s，则用于设计v的引导向量索引集合可以表示为未功率归一化的码字设计为：

其中，θ_i表示第i个引导向量f_i的加权相位；

(3.3)步骤(3.2)中的θ_i采用如下方法来设计：

(3.4)根据步骤(3.3)中获得的将步骤(3.2)中的写为：

对设计的码字进行归一化即可得到最终设计的码字：

其中，|| ||₂表示向量的l₂范数；

(3.5)对于发送端的码本V_t中所有码字V_t(s，m)均按照步骤(3.2)-(3.4)设计，即可得到发送端码本V_t，s＝0，1，2，…S，m＝1，2，…2^s；

(3.6)对于接收端，给定天线数目N_r，依照步骤(3.1)到步骤(3.5)，即可得到接收端码本V_r；

步骤(4)中，估计第一条路径的方法如下：

(4.1)在估计第一条径时，发送端和接收端分别使用步骤(3)中设计的分层码本V_t和V_r，记为和其中上标“1”表示用于估计第一条路径的码本，其第s层第m个码字分别表示为和s＝0，1，2，…，S，m＝0，1，2，…，2^s，步骤(3)中用于设计发端码字和收端码字的引导向量的索引的集合分别表示为和将和代入步骤(3.4)的公式中即可得到和

(4.2)将步骤(1)中的信号接收模型写为：

其中，表示发送的码字，表示接收的码字，给定初始层数S₀，其中S≥S₀≥1，分层波束训练从分层码本的第S₀层开始，发送端依次发送接收端依次使用接收；在发送端使用第p个码字发送、接收端使用第q个码字接收时，接收到的信号可表示为：

第S₀层最佳的一个收发码字索引组合可通过下式得到：

其中，表示|y(p，q)|取得最大值时的p和q的取值；和分别表示发送端和接收端在S₀层找到的最佳码字对的索引，即发送端和接收端找到的最佳码字分别为和

(4.3)基于步骤(4.2)假设第s-1层(s≥S₀+1)找到的收发码字索引组合为(p_s-1，q_s-1)，对应于发送端码字接收端码字在进行第s层搜索时，发送端分别发送和接收端分别使用和接收，在发送端使用第p个码字发送、接收端使用第q个码字接收，p＝1，2，q＝1，2，接收到的信号可表示为：

计算(c，d)如下：

其中，表示|y(p，q)|取得最大值时的p和q的取值，找到的第s层的最佳收发码字索引组合(p_s，q_s)＝(2(p_s-1-1)+c，2(q_s-1-1)+d)，即发送端和接收端在s层找到的最佳码字分别为和

(4.4)重复执行步骤(4.3)，直到s＝S，假设第S层的最佳收发码字索引组合为(p¹，q¹)，其中上标“1”表示第1条路径，将和分别作为信道的第一条路径的发送引导向量和接收引导向量的估计，将p¹和q¹分别存入集合T和R中：

T＝T∪p¹，R＝R∪q¹

其中，计算第一条路径之前，T和R均初始化为空集。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波通信多径信道动态波束训练方法，其特征在于，步骤(5)中，基于前L_f条已估计的路径，对第L_f+1条路径进行估计，方法如下：

(5.1)发送端和接收端使用的分层码本分别表示为和其第s层第m个码字分别表示为和s＝0，1，2，…，S；m＝0，1，2，…，2^s，对应的引导向量索引集合分别表示为和计算和其中，A\B表示从集合A中删除在集合B中的元素，将和代入步骤(3.4)的公式中计算和从而将L_f条已估计的信道路径信息分别从和中移除，最终可得到和

(5.2)估计第L_f+1条径时，发送端和接收端分别使用步骤(5.1)中获得的码本和执行步骤(4.2)至(4.4)的波束训练得到第L_f+1条径的发送角和接收角信息分别表示为阳将和存入信道发送角和接收角信息存储集合T和R中：