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CN109361433A - 子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法 - Google Patents

子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法，该方法包括两个阶段，第一阶段为多子阵列并行穷搜阶段，该阶段将用户接入点的所有多子阵列并行分时隙遍历整个角度域，使得所有被服务的用户在第一阶段搜索结束后反馈接收信号功率最大的时隙序号；第二阶段为单子阵列串行搜索子空间阶段，该阶段启动单个子阵列逐个为每个用户在第一阶段中对应的用户的角度子空间中搜索该用户所处角度。本发明对接入点多子阵列数目、每个子阵列内的天线数目及天线间距无特殊要求，适用于典型配置的室内多用户频分双工太兆赫兹通信系统，并能有效减少波束训练开销。

Description

子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法
技术领域
本发明无线通信技术，具体涉及一种子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法。
背景技术
智能移动设备种类的增加和移动业务类型的拓展，对移动通信接入容量的扩展呈现前所未有的需求。作为有效提高通信容量的手段之一，开拓新的高频段未开发的频谱资源——太兆赫兹(THz)吸引了业界和科研界的广泛兴趣。事实上，随着在该频段通信技术研究的深入和相关下游集成电路设计及加工工艺的发展，该频段的相关技术已经列入到了B5G和6G的选用技术。然而，在具备丰富的频谱资源的同时，该频段相对于当前运营的微波波段而已，其传输损耗变得非常严重。为克服其恶劣的传输条件，在通信收发两端架设大规模阵列显得不可避免。与此同时，随着天线数量的剧增，带来了硬件复杂度和信道估计等方面新的挑战。混合预编码结构的提出突破这两方面的技术瓶颈。
在信道估计方面，不同与传统信道估计技术对收发间每对天线进行明确的信道估计，混合预编码只要求获取维度较低的等效基带信道的信道信息，而高维度的模拟射频部分通过beam training进行收发两侧的波束对准即可。即便如此，在收发两侧架设成十上百根天线，进行精确的波束对准需要的训练时间开销仍难以接收，尤其在多用用户Wave和THz无线通信系统中。为解决时间开销的问题，TDD时分双工系统考虑了用户侧天线较少，利用上行发送导频进行beam training，然后根据上下行对称性进行下行数据传输。然后，FDD频分双工系统则不得不进行下行链路beam training和用户反馈进行波束对准。为解决FDD系统中beam training开销过大的原因，基于多精度码本的层次化beam training不失为一条有效措施。现存的基于多精度码本的FDD beam training存在逐级反馈时延开销较大、码本基于天线数目为2的幂次方、需要的射频链路较多等问题。本发明的训练方法对接入点多子阵列数目、每个子阵列内的天线数目及天线间距无特殊要求，适用于典型配置的室内多用户频分双工太兆赫兹通信系统，并能有效减少波束训练开销。
发明内容
发明目的：针对现有技术波束训练开销大问题，本发明提供一种子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法，有效减少波束训练开销。
技术方案：子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法，所述方法基于子阵列协作，包括以下两个阶段：
第一阶段：该阶段为多子阵列并行穷搜阶段，将用户接入点的所有多子阵列并行分时隙遍历整个角度域，所有被服务的用户在该阶段完成搜索后通过各自的反馈通道反馈接收信号功率最大的时隙序号给接入点；
第二阶段：该阶段为单子阵列串行搜索子空间阶段，启动单个子阵列逐个为每个用户在第一阶段中对应的用户的角度子空间中搜索该用户所处角度。
进一步的，所述方法包括如下步骤：
(1)初始化处理，并且确定第一阶段所需要的时隙数和基带预编码矩阵的维度；
(2)并行穷搜步骤(1)所确定时隙的子阵列的角域；
(3)根据用户反馈的时隙序号构造指示向量；
(4)单子阵列串行搜索子空间，确定用户所处角度和反馈第二阶段中接收信号功率最大时的时隙序号；
(5)根据第二阶段得到的反馈向量和第一阶段得到的指示向量构造用户角度索引向量，并配置模拟波束成形矩阵；
(6)完成算法，接入点用所述模拟波束成形矩阵控制其相移器为多个用户形成相应的多定向波束。
更进一步的，步骤(1)具体包括如下步骤：
(11)根据接入点的子阵列数和每个子阵列的天线数Nt确定第一阶段并行搜索所需要的时隙数
(12)根据用户数和子阵列数确定基带预编码矩阵的维度并将之初始化为
(13)根据公式构造码本其中d、λ和Φi依次为每个子阵列内的天线间距、载波波长和第i个码字中心角
步骤(2)包括对个时隙的个子阵列并行穷搜角度域，具体包括如下步骤：
(21)将接入点一侧将数字预编码矩阵和导频向量分别设置成
(22)接入点在个时隙内产生并行多波束，对个时隙内的任意第i个时隙，将模拟波束成形矩阵设置为其中每个用户独立接收信号，并找到各自接收信号功率最大时的时隙序号
步骤(3)具体包括将接入点根据所有用户反馈的时隙序号构造指示向量其中第k个元素代表第k个用户接收信号功率最大时的时隙序号。
步骤(4)为单子阵列串行搜索子空间阶段，该阶段中接入点启动单个子阵列逐个为每个用户在该用户对应的角度子空间内搜索该用户所处角度，具体包括如下步骤：
(41)对于任意第k个用户，接入点根据个时隙在由步骤(3)确定的第k个用户所对应的维子空间中串行搜索最强路径的离开角；
(42)将第k个用户的第j个时隙所对应的波束成形矢量设置成为同时将数字预编码矩阵设置成当k＝j时，和[FBB]j,k＝0，当k≠j时，并将导频向量设定为
(43)任意第k用户在接入点为该用户进行了个时隙训练后，反馈其第二阶段中接收信号功率最大时的时隙序号[jmax]k；
步骤(5)具体步骤包括在第二阶段结束后，接入点根据第二阶段训练得到的反馈向量和第一阶段训练得到的指示向量构造用户角度索引向量并用该向量配置模拟波束成形矩阵
有益效果：与现有技术相比，本发明通过两个阶段，使激活的子阵列的阵列加权矢量直接配置成为阵列响应矢量形式，进而获取在所导向方向上的最大波束增益；两个阶段各只反馈一次，减少了反馈开销；第一阶段的并行搜索提高了训练的效率，减少了开销。其显著的效果在于：第一，本发明既考虑了宽波束时信干噪比对角度估计的决定作用，也综合考虑了常规训练开销外的反馈开销：第一阶段采用并行多子波束既提高了训练效率，也减少了反馈次数；同时，多个子波束隔离成为多个独立波束，充分利用的波束增益，减少了子波束间的干扰；第二，本发明所述的训练方法对接入点多子阵列数目、每个子阵列内的天线数目及天线间距无特殊要求，适用于典型配置的室内多用户频分双工太兆赫兹通信系统。具有较高的系统鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的实施方式示意图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。该实施例作为本发明的优选方式，使本技术领域的人员更好地理解本发明方案。
本发明是在室内多用户太兆赫兹(THz)频分双工(FDD)大规模天线(MassiveMIMO)通信系统中，考虑波束训练(Beam training)时间开销和反馈时延的因素，实现提高传输有效传输速率的一种方法。
本实例中，AP端配置有4个子阵列，每个子阵列包含16根半波长间距天线；该AP服务4个单天线用户；4个用户{U1,U2,U3,U4}分别分布在{B4,3,B2,2,B2,1,B1,3}。
步骤1：初始化
根据接入点的子阵列数和每个子阵列的天线数Nt＝16确定第一阶段并行搜索所需要的时隙数根据用户数和子阵列数确定基带预编码矩阵的维度并将之初始化为FBB＝04×4；根据公式构造码本其中第i个码字中心角
步骤2：4个时隙的个子阵列并行穷搜角度域阶段
首先，接入点一侧将数字预编码矩阵和导频向量分别设置成和d＝[1]4×1；然后，接入点在个时隙内产生并行多波束，即对个时隙内的任意第i个时隙，将模拟波束成形矩阵设置为其中(结合此例：第一个时隙i＝1时，从码本中选出的码字序号依次为{4(j-1)+i＝1,5,9,13|i＝1,j＝1,2,3,4}，将此4个码字配置模拟波束成形矩阵，在上述数字预编码矩阵和导频向量的选择作用下，接入点形成如图1所示的4个并行子波束{B1,1,B2,1,B3,1,B4,1}，同理在后续的3个时隙内形成的并行波束依次为{B1,2,B2,2,B3,2,B4,2}、{B1,3,B2,3,B3,3,B4,3}和{B1,4,B2,4,B3,4,B4,4})；每个用户独立接收信号，并找到各自接收信号功率最大时的时隙序号(结合此例，4个用户{U1,U2,U3,U4}得到的时隙序号依次为{3,2,1,3})；
步骤3：接入点根据所有用户反馈的时隙序号构造指示向量[II]4×1＝[3,2,1,3]T，其中第k个元素代表第k个用户接收信号功率最大时的时隙序号；
步骤4：单子阵列串行搜索子空间阶段——接入点启动单个子阵列逐个为每个用户在该用户对应的角度子空间内搜索该用户所处角度：对于任意第k个用户，接入点用个时隙在由步骤3确定的第k个用户所对应的维子空间中串行搜索最强路径的离开角，为此，接入点将第k个用户的第j个时隙所对应的波束成形矢量设置成为同时将数字预编码矩阵设置成当k＝j时，和[FBB]j,k＝0，当k≠j时，并将导频向量设定为d＝[1]4×1；任意第k用户在接入点为该用户进行了个时隙训练后，反馈其第二阶段中接收信号功率最大时的时隙序号[jmax]k(结合此例，根据步骤3可知用户U1出现在第个时隙接入点成形波束的覆盖范围内，即{B1,3,B2,3,B3,3,B4,3}这四个子波束内，为此，第二阶段只需要用单个子阵列形成单个子波束顺序搜索该子空间，这样可以得到[jmax]1＝4)；
步骤5：第二阶段结束后，接入点根据第二阶段训练得到的反馈向量[jmax]4×1和第一阶段训练得到的指示向量[II]4×1构造用户角度索引向量(结合此例，用户U1的角度索引值为并用该向量配置模拟波束成形矩阵
算法结束。
通过上述的具体实施例，本发明适用于典型配置的室内多用户频分双工太兆赫兹通信系统，并考虑了反馈时延能有效减少波束训练开销。

Claims (7)

1.子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法，其特征在于：所述方法基于子阵列协作，包括以下两个阶段：
第一阶段：该阶段为多子阵列并行穷搜阶段，将用户接入点的所有多子阵列并行分时隙遍历整个角度域，所有被服务的用户在该阶段完成搜索后通过各自的反馈通道反馈接收信号功率最大的时隙序号给接入点；
第二阶段：该阶段为单子阵列串行搜索子空间阶段，启动单个子阵列逐个为每个用户在第一阶段中对应的用户的角度子空间中搜索该用户所处角度。
2.根据权利要求1所述的子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)初始化处理，并且确定第一阶段所需要的时隙数和基带预编码矩阵的维度；
(2)并行穷搜步骤(1)所确定时隙的子阵列的角域；
(3)根据用户反馈的时隙序号构造指示向量；
(4)单子阵列串行搜索子空间，确定用户所处角度和反馈第二阶段中接收信号功率最大时的时隙序号；
(5)根据第二阶段得到的反馈向量和第一阶段得到的指示向量构造用户角度索引向量，并配置模拟波束成形矩阵；
(6)将接入点用模拟波束成形矩阵控制其相移器为多个用户形成相应的多定向波束。
3.根据权利要求2所述的子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法，其特征在于：步骤(1)具体包括如下步骤：
(11)根据接入点的子阵列数和每个子阵列的天线数Nt确定第一阶段并行搜索所需要的时隙数
(12)根据用户数和子阵列数确定基带预编码矩阵的维度并将之初始化为
(13)根据公式构造码本其中d、λ和Φi依次为每个子阵列内的天线间距、载波波长和第i个码字中心角
4.根据权利要求2所述的子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法，其特征在于：步骤(2)包括对个时隙的个子阵列并行穷搜角度域，具体包括如下步骤：
(21)将接入点一侧将数字预编码矩阵和导频向量分别设置成和
(22)接入点在个时隙内产生并行多波束，对个时隙内的任意第i个时隙，将模拟波束成形矩阵设置为其中每个用户独立接收信号，并找到各自接收信号功率最大时的时隙序号
5.根据权利要求2所述的子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法，其特征在于：步骤(3)具体包括将接入点根据所有用户反馈的时隙序号构造指示向量其中第k个元素代表第k个用户接收信号功率最大时的时隙序号。
6.根据权利要求2所述的子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法，其特征在于：步骤(4)为单子阵列串行搜索子空间阶段，该阶段中接入点启动单个子阵列逐个为每个用户在该用户对应的角度子空间内搜索该用户所处角度，具体包括如下步骤：
(41)对于任意第k个用户，接入点根据个时隙在由步骤(3)确定的第k个用户所对应的维子空间中串行搜索最强路径的离开角；
(42)将第k个用户的第j个时隙所对应的波束成形矢量设置成为同时将数字预编码矩阵设置成当k＝j时，和[FBB]j,k＝0，当k≠j时，并将导频向量设定为
(43)任意第k用户在接入点为该用户进行了个时隙训练后，反馈其第二阶段中接收信号功率最大时的时隙序号[jmax]k。
7.根据权利要求2所述的子阵列协作的室内多用户太兆赫兹通信系统波束训练方法，其特征在于：步骤(5)具体步骤包括在第二阶段结束后，接入点根据第二阶段训练得到的反馈向量和第一阶段训练得到的指示向量构造用户角度索引向量并用该向量配置模拟波束成形矩阵
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101474732B1 (ko) * 2013-10-10 2014-12-22 중앙대학교 산학협력단 빔 id 전송 장치 및 방법
CN104980204A (zh) * 2010-04-08 2015-10-14 Lg电子株式会社 在支持多天线的无线通信系统中使用码本的信号传输方法和装置
CN105610476A (zh) * 2016-01-06 2016-05-25 东南大学 分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量优化方法
WO2017196246A2 (en) * 2016-05-13 2017-11-16 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Network architecture, methods, and devices for a wireless communications network
CN107370493A (zh) * 2017-06-08 2017-11-21 东南大学 低精度adc与混合预编码结合的毫米波传输方法及通信系统
CN108832971A (zh) * 2011-09-14 2018-11-16 李尔登公司 在无线系统中利用同调性区域的系统及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104980204A (zh) * 2010-04-08 2015-10-14 Lg电子株式会社 在支持多天线的无线通信系统中使用码本的信号传输方法和装置
CN108832971A (zh) * 2011-09-14 2018-11-16 李尔登公司 在无线系统中利用同调性区域的系统及方法
KR101474732B1 (ko) * 2013-10-10 2014-12-22 중앙대학교 산학협력단 빔 id 전송 장치 및 방법
CN105610476A (zh) * 2016-01-06 2016-05-25 东南大学 分离型数模混合收发通信系统中的模拟波束矢量优化方法
WO2017196246A2 (en) * 2016-05-13 2017-11-16 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Network architecture, methods, and devices for a wireless communications network
CN107370493A (zh) * 2017-06-08 2017-11-21 东南大学 低精度adc与混合预编码结合的毫米波传输方法及通信系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WEI HUANG: "Beam-Blocked Channel Estimation for FDD", 《IEEE ACCESS》 *
XIAOSHEN SONG: "An Efficient CS-Based and Statistically Robust Beam Alignment Scheme for mmWave Systems", 《IEEE》 *

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