利用壓縮感知的單端時(shí)域波束搜索方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及在多天線波束成形通信系統(tǒng)中的采用壓縮感知來搜索最優(yōu)波束矢量的方法。本發(fā)明提供了一種在多天線波束成形通信系統(tǒng)中的一種利用壓縮感知的單端時(shí)域波束來搜索最優(yōu)波束矢量的方法。該方法利用離開角、到達(dá)角的稀疏性將波束搜索的問題轉(zhuǎn)化為壓縮感知的問題，通過發(fā)射端和接收端使用不同的發(fā)射和接收矢量，由接收端單獨(dú)確定最優(yōu)的發(fā)射/接收波束矢量。本發(fā)明使用范圍極廣，可用于所有的慢衰落視距或者非視距信道。
【專利說明】利用壓縮感知的單端時(shí)域波束搜索方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及在多天線波束成形通信系統(tǒng)中的采用壓縮感知來搜索最優(yōu)波束矢量的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]UffB系統(tǒng)和60GHz系統(tǒng)主要用于短距離高速傳輸，應(yīng)用范圍廣泛，包括無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN, Wireless Personal Area Network),無線高清多媒體接口，醫(yī)療成像,車載雷達(dá)等等。為了適應(yīng)高數(shù)據(jù)率和高系統(tǒng)容量等方面的需要，UWB系統(tǒng)和60GHz系統(tǒng)往往利用多天線多載波技術(shù)用于傳輸數(shù)據(jù)。
[0003]多天線技術(shù)包括多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, ΜΙΜΟ),多輸入單輸出(Multiple Input Single Output, MISO)和單輸入多輸出(Single InputMultiple Output, SIM0)?；陉嚵刑炀€的波束成形技術(shù)利用傳輸信號的方向性提高信噪比(Signal to Noise Rat1, SNR),抑制干擾，改善系統(tǒng)性能。
[0004]陣列天線在空間的分布情況影響了信道空間的相關(guān)性，智能天線中的波束成形技術(shù)利用了這種相關(guān)性對信號進(jìn)行處理，在期望方向上產(chǎn)生方向性強(qiáng)的輻射波束增強(qiáng)有用信號，零瓣方向?qū)?zhǔn)干擾源達(dá)到抑制作用，由此提高信噪比和增加傳輸距離。在收/發(fā)端應(yīng)用天線陣列波束成形具有以下優(yōu)勢:首先，降低對功率放大器的要求。發(fā)射端如果使用單個(gè)天線時(shí)，對PA增益要求很高。如果發(fā)射端使用天線陣列發(fā)送信號，每個(gè)天線陣元前面增加一個(gè)功放，這樣通過使用多個(gè)較低功率增益的PA就能夠滿足發(fā)射功率要求。其次，天線陣列波束成形便于定向傳輸。在發(fā)射功率不變情況下，等效增加接收機(jī)接收信號的功率，同時(shí)還可以有效降低多徑時(shí)延擴(kuò)展。這樣可以簡化收發(fā)機(jī)的基帶設(shè)計(jì)，降低模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率指標(biāo)。最后，天線陣列系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地調(diào)整波束的方向，以使期望方向獲得最大的功率并減小其他方向的功率。這樣不僅改善了信號干擾比，還提高了系統(tǒng)的容量，擴(kuò)大了系統(tǒng)通信覆蓋范圍，降低了發(fā)射功率要求。
[0005]波束切換是一種波束搜索規(guī)則，它在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩端都預(yù)先設(shè)置好波束控制矢量碼本，使用時(shí)只需要從中選取。因此，切換波束形成也稱為基于碼本的波束成形，使用開關(guān)天線陣列，在發(fā)送數(shù)據(jù)包前，發(fā)射機(jī)要多次發(fā)送攜帶不同波束控制矢量的信息。
[0006]基于信道狀態(tài)信息的波束成形技術(shù)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都可以找到一個(gè)最優(yōu)的波束成形控制矢量。其詳細(xì)方法可參考:Yoon S，Jeon T, Lee ff.Hybrid beam-forming andbeam-switching for OFDM based wireless personal area networks[J].Selected Areasin Communicat1ns, IEEE Journal on, 2009, 27 (8): 1425-1432.物理層(PHY)解決方案能夠提供最優(yōu)的系統(tǒng)性能，波束成形操作往往考慮在物理層進(jìn)行，但獲取完整的信道狀態(tài)信息要很高的時(shí)間成本和開銷。基于碼本的波束成形技術(shù)有助于降低復(fù)雜度和開銷，而且碼本既可以完全根據(jù)基帶信號處理而設(shè)計(jì)，也可以結(jié)合控制層(MAC)實(shí)現(xiàn)。
[0007]波束搜索時(shí)的搜索策略是至關(guān)重要的，高效的波束搜索策略能夠有效降低搜索時(shí)間，假設(shè)發(fā)射端有N個(gè)發(fā)射波束矢量，M個(gè)接收波束矢量，則最多需要NXM次搜索，802.15.3c中采用了兩級的碼本結(jié)構(gòu):一個(gè)扇形碼本和一個(gè)波束碼本，波束碼本的每個(gè)列向量表不一個(gè)波束，每個(gè)波束圖案都表不一個(gè)精確的方向，每個(gè)扇區(qū)都是幾個(gè)波束的集合，在空間中表示較寬的方向，所有的扇區(qū)加起來覆蓋整個(gè)空間。搜索過程也分為兩階段:第一階段在根據(jù)信噪比找到最優(yōu)的扇區(qū)，第二階段在最優(yōu)的扇區(qū)中找到最優(yōu)的波束。其詳細(xì)方法可參考:Wang J, Lan Z, Pyo C ff, et al.Beam codebook based beamformingprotocol for mult1-Gbps millimeter-wave WPAN systems[J].Selected Areas inCommunicat1ns, IEEE Journal on,2009,27 (8):1390-1399.。
[0008]分階段的波束搜索策略可以大幅減低搜索次數(shù)，但是當(dāng)天線陣列很大時(shí)，需要的搜索次數(shù)仍然是巨大的。因此，研究一種快速有效的波束搜索算法是一項(xiàng)有創(chuàng)新性和重要實(shí)際意義且具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種在多天線波束成形通信系統(tǒng)中的一種利用壓縮感知的單端時(shí)域波束來搜索最優(yōu)波束矢量的方法。該方法利用離開角、到達(dá)角的稀疏性將波束搜索的問題轉(zhuǎn)化為壓縮感知的問題，通過發(fā)射端和接收端使用不同的發(fā)射和接收矢量，由接收端單獨(dú)確定最優(yōu)的發(fā)射/接收波束矢量。
[0010]本發(fā)明的目的是通過如下步驟來實(shí)現(xiàn)的:
[0011]S1、令設(shè)備I的收發(fā)天線數(shù)為Nt，所述設(shè)備I的碼本中的波束數(shù)目為Ct，所述設(shè)備I采用Pt種發(fā)射矢量進(jìn)行發(fā)射，任意一個(gè)發(fā)射矢量都是長度為Nt的向量，所述發(fā)射矢量中每個(gè)位置的元素的值從集合[i，i，-1，-1]中隨機(jī)選擇，組成一個(gè)測量矩陣Φ# =W,i…U，所述測量矩陣Ot每一行都對應(yīng)一次發(fā)射，所述設(shè)備I在時(shí)域發(fā)射時(shí)間序列為[1，0，...，O]，所述時(shí)間序列長度為N，其中，d= I, 2,...Pt, i為虛數(shù)單位，
[0012]令設(shè)備2的收發(fā)天線數(shù)為Nr，所述設(shè)備2的碼本中的波束數(shù)目為Cr，對于設(shè)備I
的每個(gè)發(fā)射矢量設(shè)備2都有匕個(gè)接收矢量來接收，任意一個(gè)接收矢量?,都是長度為Nr的向量，所述接收矢量中每個(gè)位置的元素的值從集合[l，i，-l，_i]中隨機(jī)選擇，組成一個(gè)測量矩陣…所述測量矩陣每一行都對應(yīng)一次接收，接收端能夠得到第
η個(gè)時(shí)間點(diǎn)測量信號矩陣為Yn= ΦΑΦ'+ιν其中，d' = I, 2,...Pr,η = 1，2，...，Ν，矩陣Yn的階數(shù)為PrXPt, ηη是噪聲矩陣，hn為第η個(gè)時(shí)間點(diǎn)的階數(shù)為NrXNt的信道矩陣,矩陣中第X行第I列的元素表示從發(fā)射端第I根天線到接收端第X根天線間的頻域信道沖擊響應(yīng)，X = l，2，...，Nr,y = l，2，...，Nt, Oτ 是矩陣的轉(zhuǎn)置運(yùn)算，N、Nt、Nr、Ct、Cr、Pr 和 Pt 為大于I的整數(shù)；
[0013]S2、根據(jù)SI所述構(gòu)建字典矩陣為D，D的每一列對應(yīng)[-90°，90° ]中的一個(gè)角度；
[0014]S3、根據(jù)SI所述和Ot恢復(fù)出hn，即已知Yn、和Ot,算出矩陣hn，具體為:
[0015]S31、根據(jù)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)信號Yn恢復(fù)出Y' n，所述Y' n的每一列都可以在S2所述字典矩陣D下展開，即Y' n的每一列都可以表示為字典矩陣中少數(shù)列與對應(yīng)不為O的展開系數(shù)相乘后的線性加和，展開系數(shù)為復(fù)數(shù)，具體如下:
[0016]對每個(gè)時(shí)間點(diǎn)信號Yn使用Pt個(gè)任務(wù)的正交匹配追蹤算法(Orthogonal MatchingPursuit, OMP)聯(lián)合所述時(shí)間點(diǎn)信號Yn的每一列共同恢復(fù)出V n，所述時(shí)間點(diǎn)信號Yn的任意第I列為V?,/ =少風(fēng)/ + <i = KAj + f\j，其中，Vr = Φ ，nnJ是nn的第I列，Jlti可以在
Vr下展開，就是在V,下的展開系數(shù)，I = 1，2，...，Pt。
[0017]S32、對每個(gè)時(shí)間點(diǎn)η使用Nr個(gè)任務(wù)的OMP聯(lián)合S31所述Y' m的每一列共同恢復(fù)出hnT，所述hnT的每一列都可以在S2所述字典矩陣D下展開，其中，Y' n = h^Tt, (Yn/ )T = Φ h T.tun ，
[0018]S33、根據(jù)S32所述hnT恢復(fù)出hn ；
[0019]S4、恢復(fù)出所有時(shí)間點(diǎn)的的hn，做N點(diǎn)的離散傅里葉變換得到每個(gè)頻點(diǎn)的頻域信道矩陣/I, *從碼本中找到一個(gè)最優(yōu)的？和》使得頻譜效率最大，即

【權(quán)利要求】
1.利用壓縮感知的單端時(shí)域波束搜索方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、令設(shè)備I的收發(fā)天線數(shù)為Nt，所述設(shè)備I的碼本中的波束數(shù)目為Ct，所述設(shè)備I采用Pt種發(fā)射矢量進(jìn)行發(fā)射，任意一個(gè)發(fā)射矢量都是長度為Nt的向量，所述發(fā)射矢量中每個(gè)位置的元素的值從集合[l，i，-l，_i]中隨機(jī)選擇，組成一個(gè)測量矩陣Φ, =[#,.,…足，所述測量矩陣Ot每一行都對應(yīng)一次發(fā)射，所述設(shè)備I在時(shí)域發(fā)射時(shí)間序列為[1，0，...，O]，所述時(shí)間序列長度為N，其中，d = 1，2，...Pt，i為虛數(shù)單位， 令設(shè)備2的收發(fā)天線數(shù)為Nr，所述設(shè)備2的碼本中的波束數(shù)目為Cr，對于設(shè)備I的每個(gè)發(fā)射矢量設(shè)備2都有P1^個(gè)接收矢量來接收,任意一個(gè)接收矢量都是長度為Nr的向量，所述接收矢量中每個(gè)位置的元素的值從集合[l，i，-l，_i]中隨機(jī)選擇，組成一個(gè)測量矩陣Φ, =Wj…所述測量矩陣每一行都對應(yīng)一次接收，接收端能夠得到第η個(gè)時(shí)間點(diǎn)測量信號矩陣為Yn = ΦΛ^Φ'+ιν其中，d' = 1，2，...Pr，η = 1，2，...，N，矩陣Yn的階數(shù)為PrXPt, ηη是噪聲矩陣，hn為第η個(gè)時(shí)間點(diǎn)的階數(shù)為NrXNt的信道矩陣,矩陣中第X行第I列的元素表示從發(fā)射端第I根天線到接收端第X根天線間的頻域信道沖擊響應(yīng)，X=1,2,...,Nr, y= 1,2,...,Nt, Ot 是矩陣的轉(zhuǎn)置運(yùn)算，N、Nt、Nr、Ct、Cr、Pr 和 Pt 為大于I的整數(shù)； 52、根據(jù)SI所述構(gòu)建字典矩陣為D，D的每一列對應(yīng)[-90°，90°]中的一個(gè)角度； 53、根據(jù)SI所述和恢復(fù)出hn，即已知Yn、和Ot,算出矩陣hn，具體為: 531、根據(jù)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)信號Yn恢復(fù)出Y'n，所述Y' n的每一列都可以在S2所述字典矩陣D下展開，即Y' n的每一列都可以表示為字典矩陣中少數(shù)列與對應(yīng)不為O的展開系數(shù)相乘后的線性加和，展開系數(shù)為復(fù)數(shù)，具體如下: 對每個(gè)時(shí)間點(diǎn)信號Yn使用Pt個(gè)任務(wù)的正交匹配追蹤算法(Orthogonal MatchingPursuit, OMP)聯(lián)合所述時(shí)間點(diǎn)信號Yn的每一列共同恢復(fù)出V n，所述時(shí)間點(diǎn)信號Yn的任意第 I 列為 MtJ =Φ,.θΛ?,,ι +?,,/ = d +/?,,'/?其中，Vr = O1O, S11,,是 ηη 的第 I 列，叉j可以在Vr下展開，藥μ就是λ,/在Vr下的展開系數(shù)，I = 1,2,...,Pt ； 532、對每個(gè)時(shí)間點(diǎn)η使用Nr個(gè)任務(wù)的OMP聯(lián)合S31所述Γm的每一列共同恢復(fù)出hnT，所述hnT的每一列都可以在S2所述字典矩陣D下展開，其中，Y' n = hnOTt ； 533、根據(jù)S32所述hnT恢復(fù)出hn； 54、恢復(fù)出所有時(shí)間點(diǎn)的的hn，做N點(diǎn)的離散傅里葉變換得到每個(gè)頻點(diǎn)的頻域信道矩陣Ha ，從碼本中找到一個(gè)最優(yōu)的g和#使得頻譜效率最大，即
/ ] Λ.、Wr fi ct(c,#) = argmax —Vlog1CHfr?),其中 y.n=-, σ 2是噪聲的功率，？湘# 是長度 r.s {N' )* NrN,a^為Nr的復(fù)向量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用壓縮感知的單端時(shí)域波束搜索方法，其特征在于:對于任意角度q，S2所述字典矩陣D中的對應(yīng)列為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用壓縮感知的單端時(shí)域波束搜索方法，其特征在于:S32所述恢復(fù)出hnT具體方法如下: 5321、對每個(gè)時(shí)間點(diǎn)η將S31所述全部^/合并為一個(gè)矩陣，記作Υη，所述Yn的第k列記作 Λ，其中，k = 1,2,...,PtXN; 5322、從S31所述Vr中找出一列元使得
最大,記此時(shí)的交為Vc； 5323、算出S321所述￥?在5322所述V。下的展開系數(shù)對應(yīng)的系數(shù)矩陣％=(VchVc)^1VcaYn與表示當(dāng)前恢復(fù)程度的剩余量矩陣en = Yn-VcIn，其中，O—1是矩陣的求逆運(yùn)算，Oh是矩陣的共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，I.I表示復(fù)數(shù)的幅度，I I.I I2是向量的二范數(shù)運(yùn)算； 5324、從S31所述Vr中找出一列P使得
最大，記此時(shí)的1為||,其中，？Β/是矩陣en中的第I列； 5325、將S234所述&加入S322所述V。中，即更新V。為FtJ2計(jì)算S321所述Yn在更新后的V。下的展開系數(shù)對應(yīng)的系數(shù)矩陣Wn' = (V，。)，同時(shí)，計(jì)算更新后的剩余量矩陣~= Yn-VcWn'； 5326、循環(huán)S324到S325，直到en的F范數(shù)小于Yn的F范數(shù)的α倍時(shí)停止，結(jié)合S2所述字典矩陣D中的列向量與對應(yīng)位置的系數(shù)線性組合恢復(fù)出Y' m，其中，α為門限值，0〈α〈1，且α為實(shí)數(shù)；5327、對每個(gè)時(shí)間點(diǎn)η使用Nr個(gè)任務(wù)的OMP聯(lián)合S31所述Y'η的每一列共同恢復(fù)出hnT。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述利用壓縮感知的單端時(shí)域波束搜索方法，其特征在于:S326所述 α = 0.05。
【文檔編號】H04B7/04GK104168047SQ201410396381
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】王夢瑤, 成先濤 申請人:電子科技大學(xué)