CN108462520B - 一种低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法 - Google Patents

Abstract

一种低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法，属于无线通信技术领域，处理步骤：分辨率为k比特，S1：将码本有效天线数M设为2^k+i‑1，其中i表示码本的层数，通过2^k+i‑1相位码本构造方法设计第i层过渡码本G_i，对G_i进行归一化处理，可得第i层码本B_i；S2：得到过渡码本G_i后，令

对G_i进行扩充，得到第

层过渡码本

对

进行归一化处理可得第

层码本

再令

此时码本有效天线数M为2^k+i‑1；S3：重复操作S2设计余下各层码本，直至码本有效天线数M等于通信设备配置的天线数N，最终构成分层码本B；S4：通过二叉树搜索寻找最优码字。本发明通过逐层搜索，减小的不必要的搜索空间，极大降低了寻找最优码字的搜索复杂度。

Description

一种低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法。

背景技术

与***移动通信***(4^th Generation，4G)相比，第五代移动通信***(5^thGeneration，5G)的提升是全方位的。按照第三代合作伙伴计划(3^th GenerationPartnership Project，3GPP)的定义，5G具备高性能、低延迟与高容量的特性。5G的增强型移动宽带场景(Enhance Mobile Broadband,eMBB)主要提供3D/超高清视频等大流量移动宽带业务，这就需要数据传输速率达到Gbps的量级；同时在海量大连接场景(MassiveMachine Type ofCommunication，mMTC)中，大规模物联网(Internet ofThings，IOT)业务将会导致接入到无线网络上的设备数量呈现***式增长，频谱资源短缺的问题日益突出。毫米波信号频率高，可以提供丰富的频谱资源，以28GHz频段为例，其可用频谱带宽达到了1GHz，而60GHz频段的可用频谱带宽为2GHz，这从根本上解决了频谱资源短缺的问题。然而，毫米波最大的缺点是穿透性差、路径损耗大，因此在室外进行毫米波通信并不容易。幸运的是，毫米波波长短，相应的天线尺寸小，这就意味着可以通过部署大规模多输入多输出(MIMO)***提供巨大的阵列增益，以抵消毫米波信号严重的路径损耗。所以毫米波和大规模MIMO技术的结合是实现5G商用的关键。

毫米波大规模MIMO技术联合预编码技术，可以进一步提高毫米波***的频谱效率。在传统的低频***中，发送信号的预处理通常在基带进行，基带预编码需要给每根天线单独配置射频(Radio Frequency，RF)链。由于低频***天线数量很少，RF链个数相对较少，因此其功耗和成本对整个***来说是可接受的。但在毫米波大规模MIMO***中，由于天线数量的激增，如果沿用传统的基带预编码设计方案，将会导致功耗过高，同时使得硬件成本难以接受。为此，在毫米波大规模MIMO***中，考虑采用混合预编码架构。混合预编码架构将预编码处理分成数字基带预编码和由模拟移相器(Analog Phase Shifters，APSs)构成的模拟预编码两部分。该方案只需少量RF链，从而解决了传统全数字基带预编码方案的高成本和高功耗问题。

相比于混合预编码中的数字部分，由于恒模约束，模拟预编码的设计更具挑战。为了有效设计模拟预编码矩阵，一种可行的方案是首先设计模拟预编码码本，进而通过最大化接收功率为准则在码本中寻找最优码字。基于有限反馈算法采用波束导向码本构造模拟预编码码本，接着在码本中进行穷举搜索寻找最优码字。为了降低增益损失，码本中码字数量需要大于等于天线数。由于大规模MIMO***中天线规模庞大，相应的码本中码字数量很多，则在码本中进行穷举搜索的复杂度很高。DEACT码本虽然给出了一种分层码本结构，降低了寻找最优码字的搜索复杂度，但是需要使用高分辨率APSs，没有考虑在实际的通信场景中，APSs分辨率有限的现实问题。综上所述，为了降低寻找最优码字的搜索复杂度，同时考虑APSs分辨率有限问题，设计低分辨率APSs分层码本显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法，解决在APSs分辨率有限的情况下，如何降低寻找最优码字的搜索复杂度的问题。

本发明的具体技术方案为：

一种低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法，设计k比特分辨率APSs分层码本及搜索方法包括以下处理步骤：

S1：将码本有效天线数M设为2^k+i-1，其中i表示码本的层数，i∈{1,2,3,......}，通过2^k+i-1相位码本构造方法设计第i层过渡码本G_i，对G_i进行归一化处理，可得第i层码本B_i。

S2：得到过渡码本G_i后，令

对G_i进行扩充，得到第

层过渡码本

对

进行归一化处理可得第

层码本

再令

此时码本有效天线数M为2^k+i-1。

S3：重复操作S2，通过过渡码本扩充及归一化的方式设计余下各层码本，直至码本有效天线数M等于通信设备配置的天线数N，即M＝2^k+i-1＝N；综合各层码本B_i，最终构成分层码本B。

S4：分层码本B设计完成后，通过二叉树搜索寻找最优码字。

进一步，在所述的S1中当i＝1时，码本有效天线数为2^k，通过2^k相位码本构造方法设计第一层过渡码本G₁，

的具体设计方法如下：

其中过渡码本G₁中的元素

其中n表示矩阵G₁的第n行，m表示矩阵G₁的第m列。

进一步，所述的第i层码本B_i表示为：

进一步，在所述的S2中，对G_i进行扩充得到第

层过渡码本

具体的

为：

进一步，所述的分层码本B共有log₂N-k+1层，任意一层码本所***字的波束范围的并集可覆盖整个角域；上一层码本称作下一层码本的父码本，下一层码本称作上一层码本的子码本，且任何一个父码字都可以在子码本中找到两个对应的子码字。

进一步，所述子码本对于父码本的码字数目加倍，子码本对应码字的波束宽度逐层细化，码字的波束宽度与有效天线数之间的关系如下：

其中BW表示码字的波束宽度，λ为信号波长，M表示有效天线数，d表示天线单元间距，通常设置d＝λ/2。

进一步，所述的S4中，分层码本B中的第i层的第t个码字B_i(t)在第

层对应的子码字分别为

和

第i层的码本中的一个码字与第

层的码本中的两个码字对应，形成二叉树结构。

本发明的有益效果在于：本发明给出了一种低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法，通过逐层搜索，减小的不必要的搜索空间，极大降低了寻找最优码字的搜索复杂度；同时该码本考虑了APSs分辨率有限的问题，并且可以根据不同的需要灵活配置不同分辨率APSs，所以本发明在实际的通信场景中更具现实意义。

附图说明

图1为k比特分辨率APSs分层码本设计流程图

图2为1比特分辨率APSs分层码本结构图；

图3为2比特分辨率APSs分层码本结构图；

图4为2比特分辨率APSs分层码本搜索过程示意图；

图5为毫米波大规模MIMO***模拟预编码框图；

图6为毫米波大规模MIMO***模拟预编码设计流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明的具体实施过程做详细说明。

如图1所示，一种低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法，设计k比特分辨率APSs分层码本及搜索方法包括以下处理步骤：

S1：将码本有效天线数M设为2^k+i-1，其中i表示码本的层数，i∈{1,2,3,......}，通过2^k+i-1相位码本构造方法设计第i层过渡码本G_i，对G_i进行归一化处理，可得第i层码本B_i。当i＝1时，码本有效天线数为2^k，通过2^k相位码本构造方法设计第一层过渡码本G₁，

的具体设计方法如下：

其中过渡码本G₁中的元素

其中n表示矩阵G₁的第n行，m表示矩阵G₁的第m列。第i层码本B_i表示为：

第一层码本

可表示为：

此时第一层码本B₁的有效天线数为2^k，对应的码字的个数为2^k。

S2：得到过渡码本G_i后，令

对G_i进行扩充，得到第

层过渡码本

具体的

为：

对

进行归一化处理可得第

层码本

再令

此时码本有效天线数M为2^{k +i-1}。对第i层过渡码本G_i进行扩充以及归一化后，得到第

层码本

B_i是

的父码本，

是B_i的子码本，子码本对于父码本的码字数目加倍，子码本对应码字的波束宽度逐层细化。码字的波束宽度与有效天线数之间的关系如下：

其中，BW表示码字的波束宽度，λ为信号波长，M表示有效天线数，d表示天线单元间距，通常设置d＝λ/2。由上式可以看出，码字的波束宽度随着

有效天线数的增多而变细。

S3：重复操作S2，通过过渡码本扩充及归一化的方式设计余下各层码本，直至码本有效天线数M等于通信设备配置的天线数N，即M＝2^k+i-1＝N；综合各层码本B_i，最终构成分层码本B，分层码本B共有log₂N-k+1层。分层码本B满足下面两条准则：

a、任意一层码本所***字的波束范围的并集可覆盖整个角域。

b、任何一个父码字都可以在子码本中找到两个对应的子码字。

S4：分层码本B设计完成后，通过二叉树搜索寻找最优码字。分层码本B中的第i层的第t个码字B_i(t)在第

层对应的子码字分别为

和

第i层的码本中的一个码字与第

层的码本中的两个码字对应，形成二叉树结构。

分层码本B构造完成之后，首先在第一层码本中进行搜索，找出第一层码本中的最优码字B₁(t)；按照上述的对应关系，接着在B₁(t)对应的子码字B₂(t)和B₂(t+2^k)中进行搜索找出第二层的最优码字，以此类推，直到搜索到最后一层码本，即可找到最优码字。

如图2所示，当APSs的分辨率k等于1比特时，此时码本有效天线数为2，通过2相位码本构造方法设计对应的第一层过渡码本G₁可表示为：

第一层码本

可表示为：

此时第一层码本B₁的有效天线数为2，对应的码字的个数为2，分辨率k等于1比特。

第二层过渡码本G₂可表示为：

如图3所示，当APSs的分辨率k等于2比特时，此时码本有效天线数为4，通过4相位码本构造方法设计对应的第一层过渡码本G₁可表示为(j表示虚数)：

接着对G₁进行归一化处理，第一层码本

可表示为：

此时第一层码本B₁的有效天线数为4，对应的码字个数为4，分辨率k等于2比特。

第二层过渡码本G₂可表示为：

接着对G₂进行归一化处理，第二层码本

可表示为：

码字的波束宽度与有效天线数之间的关系如下：

其中BW表示码字的波束宽度，λ为信号波长，M表示有效天线数，d表示天线单元间距，一般设置d＝λ/2。由上式可以看出，码字的波束宽度随着有效天线数的增多而变细。鉴于此，由于第二层码本的有效天线数加倍，相应的码字个数加倍，码字的波束宽度细化。

当APSs分辨率等于2比特时，分层码本B共有log₂N-1，第一层码本的个数为4，各层码本之间码字数逐层加倍，直到最后一层码本的码字数为N。

分层码本B构造完成之后，首先在第一层码本中进行搜索，找出第一层的最优码字B₁(t)；按照上述的对应关系，接着在B₁(t)对应的子码字B₂(t)B₂(t+2^k)中进行搜索找出第二层的最优码字，以此类推，直到搜索到最后一层码本，即可找到最优码字。如图4所示为2比特分辨率APSs分层码本搜索过程示意图，首先在第一层的四个码字中进行搜索找出最优码字B₁(t)，接着在B₁(t)对应的子码字B₂(t)和B₂(t+4)中进行搜索找出第二层的最优码字，以此类推，直到搜索到最后一层码本，即可找到最优码字。

本发明适用于毫米波大规模MIMO***模拟预编码设计，***模型如图5所示。值得指出的是，模拟预编码可以看作是混合预编码的一部分，本发明同样适用于混合预编码架构以及推广到多用户场景。图5的***模型参数为：发射端配置1个射频链和N_T根发射天线，以及2比特分辨率APSs；接收端配置1个射频链和N_R根接收天线，以及1比特分辨率APSs。接收端的接收信号可表示为：

y＝w^*Hfs+w^*n

其中

表示接收端的模拟合成矢量，w^*表示w的共轭转置，

表示发射端的模拟预编码矢量，s表示原始的发射信号，

表示信道矩阵，

表示服从均值为0，协方差矩阵为

的高斯白噪声，

表示维度为N_R×N_R的单位阵。另外，w和f由模拟移相器实现，因此其元素满足恒模约束。***的频谱效率可表示为：

其中R表示***的频谱效率，σ²表示噪声功率。在w和f的元素满足恒模的条件下，为了获得较高的频谱效率，一种可行的方法是在发射端和接收端分别构建码本，通过码本搜索寻找最优的码字对来最大化接收功率，最优码字对即为模拟预编码矢量和模拟合成矢量。波束导向码本可以获得较好的性能，但是需要在码本中进行穷举搜索，且需要使用高分辨率APSs；基于波束导向码本的分层码本解决了搜索复杂度高的问题，但是依然需要使用高分辨率APSs。本发明中的低分辨率APSs分层码本虽然不可避免的造成了一定的性能损失，但是避免了使用高分辨率APSs，同时可以根据不同需求灵活配置不同分辨率APSs，所以在实际的通信场景中更具优势。

如图6所示为毫米波大规模MIMO***模拟预编码设计流程图，详细描述如下：

步骤61：根据本发明提出的低分辨率APSs分层码本设计方法，设计发射端的2比特分辨率APSs分层码本F。由于APSs分辨率为2比特，则此时码本有效天线数为4，通过4相位码本构造方法设计对应的第一层过渡码本

可表示为：

接着对G₁进行归一化处理，第一层码本

可表示为：

接着对G₁进行扩充得到第二层过渡码本

G₂可表示为：

接着对G₂进行归一化处理，第二层码本

可表示为：

通过过渡码本扩充及归一化的方式设计余下各层码本，直至码本有效天线数等于发射端配置的天线数N_T，综合各层码本最终构成分层码本F。

步骤62：根据本发明提出的低分辨率APSs分层码本设计方法，设计接收端的1比特分辨率APSs分层码本W。由于APSs分辨率为1比特，则此时码本有效天线数为2，通过2相位码本构造方法设计对应的第一层过渡码本

可表示为：

接着对G₁进行归一化处理，第一层码本

可表示为：

接着对G₁进行扩充得到第二层过渡码本

G₂可表示为：

接着对G₂进行归一化处理，第二层码本

可表示为：

通过过渡码本扩充及归一化的方式设计余下各层码本，直至码本有效天线数等于接收端配置的天线数N_R，综合各层码本最终构成分层码本W。

步骤63：将发射端的模拟预编码矢量设置为

在接收端的分层码本W中进行二叉树搜索，直至最后一层，找出使得接收功率最大化的码字，即为模拟合成矢量w；

步骤64：固定步骤63找出的模拟合成矢量w，在发射端的分层码本F中进行二叉树搜索，直至最后一层，找出使得接收功率最大化的码字，即为模拟预编码矢量f。

Claims (5)

1.一种低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法，其特征在于，分辨率为k比特，方法包括以下步骤：

S1：将码本有效天线数M设为2^k+i-1，其中i表示码本的层数，i∈{1,2,3,......}，通过2^{k +i-1}相位码本构造方法设计第i层过渡码本G_i，对G_i进行归一化处理，得第i层码本B_i；

S2：得到第i层过渡码本G_i后，令

对G_i进行扩充，得到第

层过渡码本

对

进行归一化处理得第

层码本

再令

此时码本有效天线数M为2^k+i-1；

S3：重复操作S2，通过过渡码本扩充及归一化的方式设计余下各层码本，直至码本有效天线数M等于通信设备配置的天线数N，即M＝2^k+i-1＝N；综合各层码本，最终构成分层码本B；

S4：分层码本B设计完成后，通过二叉树搜索寻找最优码字；

在所述步骤S1中当i＝1时，码本有效天线数为2^k，通过2^k相位码本构造方法设计第一层过渡码本G₁，

的具体设计方法如下：

其中过渡码本G₁中的元素

其中n表示矩阵G₁的第n行，m表示矩阵G₁的第m列；

在所述步骤S2中，对G_i进行扩充，得到第j层过渡码本G_j，具体的G_j为：

2.根据权利要求1所述的低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法，其特征在于：所述的第i层码本B_i表示为：

3.根据权利要求1所述的低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法，其特征在于：所述的分层码本B共有log₂N-k+1层，任意一层码本所***字的波束范围的并集可覆盖整个角域,上一层码本称作下一层码本的父码本，下一层码本称作上一层码本的子码本，且任何一个父码字都可以在子码本中找到两个对应的子码字。

4.根据权利要求3所述的低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法，其特征在于：所述子码本对于父码本的码字数目加倍，子码本对应码字的波束宽度逐层细化，码字的波束宽度与有效天线数之间的关系如下：

其中BW表示码字的波束宽度，λ为信号波长，M表示有效天线数，d表示天线单元间距，通常设置d＝λ/2。

5.根据权利要求1所述的低分辨率APSs分层码本设计及搜索方法，其特征在于：所述步骤S4中，分层码本B中的第l层的第m个码字即B_l(m)在第l+1层对应的子码字分别为B_l+1(m)和B_l+1(m+2^l+k-1)，第l层的码本中的一个码字与第l+1层的码本中的两个码字对应，形成二叉树结构。

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