[发明专利]一种自适应毫米波波束分层搜索方法

权利要求书

1.一种自适应毫米波波束分层搜索方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、波束搜索场景假设和多层波束码本建模；

步骤2、波束分层搜索导频信号建模；

步骤3、自适应波束分层任一层，使用广义似然比检验判断接收到的导频信号信噪比是否达到目标值；如达到该目标值或该层波束搜索时间达到预设最大值，则停止该层搜索；反之，则继续该层搜索；

步骤4、分层搜索最后一层之外的任一层，满足步骤3的单层停止搜索条件后，选择下一层待搜索的角度空间；

步骤5、最后一层搜索停止后，选择最终的波束方向；

进一步的，步骤1具体如下：

考虑单个发射端Tx和单个接收端Rx的毫米波通信场景，发射端Tx有N_t个天线、接收端Rx有N_r个天线；在波束搜索过程中，Tx采用能够覆盖Tx端所有方向的一个固定波束发送导频信号，Rx使用预置的K层波束码本进行空间扫描；Rx的第k层码本的波束数量L_k满足：(1)覆盖相同宽度角度区间，(2)联合覆盖整个角度空间，(3)任意两个波束主瓣覆盖的角度区间交集为空，L_k＝2^k，k＝1，...，K；即：

其中Ω_k(l)表示第k层第l个波束主瓣的覆盖空间，|Ω_k(l)|表示覆盖空间的宽度，Ω表示整个角度空间；符号∪表示集合的并集，∩表示集合的交集；

在分层搜索中，且满足k＜K时，Rx从k＝1层开始搜索，其搜索空间为在第k层搜索结束后，Rx根据波束扫描采集到的信号将第k+1层的搜索范围减半，即因为第k+1层的搜索范围减半并且每个波束的覆盖范围是第k层的一半，因此第k+1层需要搜索的波束数与第k层相等，即N_k+1＝N_k＝2；所以Rx总共需要检索的波束数为2K；

进一步的，步骤2具体如下：

考虑窄带导频信号和块衰落信道模型，则系统的信道矩阵可以表示为令w_t为发射端Tx采用的波束矢量，和为Rx在第k层扫描的两个波束矢量，则使用波束矢量后的等效信道表示为：接收端Rx采用快速、多次扫描的方式交替扫描波束矢量和将m次扫描对应的导频信号表示为其中n_k是Rx每次扫描单个波束所用的符号周期数，且P_T是Tx的发射功率；则Rx接采集到的导频符号表示为：

这里是均值为0、方差为σ²的加性复高斯噪声；经过匹配滤波的导频信号表示为：

其中m表示扫描迭代次数。

2.根据权利要求1中所述的自适应毫米波波束分层搜索方法，其特征在于步骤3具体如下：

采用广义似然比检验方法来判断任一匹配滤波信号的信噪比是否达到目标值β；广义似然比检验公式可以写成：

为接收信号的匹配滤波输出设定一个信噪比目标值β，以及一个似然比门限值γ；

在迭代中，Rx在每次迭代中采集并根据公式(5)更新匹配滤波信号并计算检验统计量当时 ，终止第k层的扫描；反之，则继续第k层的扫描；

信道强度较弱会导致触发需要的时间大于系统分配给波束搜索的总时间上限；为了保证波束搜索能给进行到最后一层，算法为每层搜索设置了最大的导频符号数当时，停止第k层的波束搜索；因此，第k层波束搜索的终止条件表述成：

此外当k较小时，波束宽度较大，波束成形增益较低，其对应的等效信道强度也较小，需要的扫描时间较长，因此设定：

其中为总的搜索时间限制。