60 GHz無線通信系統(tǒng)中臨近波束搜索算法研究

林峰 李建飛 秦笙 梁吉申

摘? 要： 針對移動場景下60 GHz無線通信，提出一種基于臨近波束的波束搜索算法（NBS）。該算法利用已知的波束碼本，結(jié)合無線鏈路中斷前的鏈路信息，自動生成波束搜索的順序集合;通過搜索該波束對集合，可以快速地得到通信雙方的可用波束對。相比于現(xiàn)有的波束搜索算法，在移動場景下，所提算法具有更高的搜索效率，仿真結(jié)果進一步證明了該算法的有效性。

關(guān)鍵詞： 臨近波束搜索; 毫米波通信; 可用波束對獲取; 室內(nèi)環(huán)境仿真建模; 60 GHz無線通信; 波束搜索集合

中圖分類號： TN928?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）03?0001?04

Research on near beam search algorithm in 60 GHz wireless communication system

LIN Feng1， LI Jianfei1， QIN Sheng1， LIANG Jishen2

（1. School of Communication and Information Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China;

2. Advanced Laboratory， Communication Sergeant School， Army Engineering University of PLA， Chongqing 400035， China）

Abstract： A near beam search （NBS） algorithm is proposed in order to meet the requirements of 60 GHz wireless communication in mobile scene. In the algorithm， the known beam codebook is utilized to automatically generate a sequenced set of beam search in combination with the link information before the wireless link interruption. By searching the beam pair set， the usable beam pairs of both communicating parties can be quickly obtained. In comparison with the existing beam search algorithm， the proposed algorithm has higher search efficiency in mobile scene， and the simulation results further prove the effectiveness of the algorithm.

Keywords： near beam search; millimeter wave communication; usable beam pair getting; indoor environment simulation modeling; 60 GHz wireless communication; beam search set

0? 引? 言

60 GHz毫米波頻段具有豐富的頻譜資源，在世界大多數(shù)國家屬于非授權(quán)頻段，可以實現(xiàn)Gbit/s級的數(shù)據(jù)傳輸速率，因而受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，也被稱為未來最具應(yīng)用潛力的通信技術(shù)之一[1?2]。由于氧氣對60 GHz頻段的吸收作用，該頻段自由空間傳輸損耗要比2.4 GHz和5 GHz分別高出40 dB和22 dB。較高的傳輸損耗使得波束成形成為60 GHz鏈路補償?shù)谋匾夹g(shù)。鑒于復(fù)雜度和功率損耗，60 GHz毫米波通信通常采用基于碼本的波束成形技術(shù)。基于碼本的波束成形會預(yù)先生成波束碼本。通信雙方根據(jù)波束碼本調(diào)整波束方向，將波束方向調(diào)整到收發(fā)功率的最佳方向，該過程稱為波束搜索。常見的波束搜索算法是在發(fā)射端和接收端的碼本中進行窮舉組合找出接收功率最強的波束對。基于60 GHz毫米波無線通信的IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)中提出基于兩階搜索的波束搜索算法[3]。但以上搜索算法都會隨著收發(fā)雙方天線陣元數(shù)量的增加，導(dǎo)致搜索時延急劇增加。本文提出一種基于臨近波束的波束搜索（Near Beam Search，NBS）算法，該方法可以有效地減少波束搜索次數(shù)，降低波束搜索時延。

1? 系統(tǒng)模型和常見波束搜索算法

1.1? 系統(tǒng)模型

使用波束成形技術(shù)的系統(tǒng)發(fā)射端天線含有[Ns]個陣元，接收端天線含[Mr]個陣元;在發(fā)射端，信號乘以發(fā)送權(quán)重矢量[ω]后發(fā)射到空間中;接收端將接收信號乘以接收權(quán)重矢量[c]后，進行加權(quán)求和得到輸出信號并送至信號處理模塊[4?6]。為降低功耗和實現(xiàn)復(fù)雜度，通信設(shè)備將加權(quán)矢量各分量設(shè)為相移因子，即[ωm，n=1]。因此，可簡單地將發(fā)射信號經(jīng)過不同相移后，利用陣列天線發(fā)射出去。

波束碼本可定義為一個[P×Q]的矩陣[W]，其中，[P]為天線陣元數(shù)，[Q]為波束數(shù)目，為降低增益損失[4?6]，一般設(shè)置[Q=2P]。對于均勻分布的1維線性陣，其第[p]個波束的陣列響應(yīng)因子為[3]：

式中：[ωp，q]為波束碼本中第[q]個波束的第[p]個天線陣元的加權(quán)因子;[d]為天線陣元間距;[λ]為信號的波長;[θ]為波束到達角，一般設(shè)置[d=12λ]。

IEEE TG3c工作組在IEEE 802.15.3a的Saleh?Valenzuela信道模型基礎(chǔ)上增加角度域信息，提出了信道復(fù)基帶沖激響應(yīng)模型（Channel Impulse Response，CIR）[3]，簇到達模型表示為：

式中：[δ（? ）]表示沖激函數(shù);[K]表示主徑或簇總數(shù);[Lk]表示第[k]簇中子徑數(shù);[αk，l]，[τk，l]和[ωk，l]表示第[k]簇的第[l]條多徑的幅度增益、到達時間（TOA）和到達角（AOA）;[Tk]和[θk]表示第[k]簇信號的平均TOA和AOA。所有信道的沖激響應(yīng)均呈現(xiàn)簇到達現(xiàn)象，由于毫米通信的高度定向性，可以僅考慮直射路徑忽略非直射路徑，所以簡化SNR為：

波束搜索的目的是通信雙方在各自的波束碼本中搜索出最優(yōu)發(fā)送波束[popt]和最優(yōu)接收波束[qopt]用于通信，即：

1.2? 常見的波束搜索算法

窮舉搜索算法就是在發(fā)射端和接收端波束碼本中窮舉所有可能波束組合，當(dāng)發(fā)射端和接收端通信中斷時，通信雙方遍歷搜索可能的波束組合，找到信號質(zhì)量最優(yōu)的波束組合。假設(shè)收發(fā)端天線陣元數(shù)量分別為[I]和[J]，波束總數(shù)分別為[2I]和[2J]，該算法復(fù)雜度為：

IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)對窮舉搜索算法做了進一步的優(yōu)化，將波束搜索過程分為兩步：扇區(qū)級搜索（Sector Level Search，SLS）和波束級搜索（Beam Level Search，BLS）[6]。假設(shè)收發(fā)端天線陣元數(shù)量分別為[I]和[N]，波束總數(shù)分別為[2I]和[2J]，扇區(qū)數(shù)分別為[IST]和[JSR]，每個扇區(qū)的波束總數(shù)分別為[IbT]和[JbR]。在SLS階段，通信雙方遍歷所有的扇區(qū)，確定最佳通信扇區(qū)對;在BLS階段，通信雙方遍歷最佳扇區(qū)對中的所有波束，尋找最優(yōu)波束對。該算法運算次數(shù)為：

所以IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)的兩階波束搜索算法復(fù)雜度為[ο（N2）]。60 GHz毫米波通信的另一標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)采用了相似的搜索算法，但其算法復(fù)雜度更高。

2? 基于臨近波束的波束搜索算法

60 GHz毫米波具有較高的自由空間傳輸損耗，不適合長距離無線傳輸，這使得60 GHz毫米波通信多用于室內(nèi)環(huán)境。室內(nèi)環(huán)境存在眾多的反射平面，在同一位置接收端可以收到多個方向的到達信號。假設(shè)采用收發(fā)端陣元數(shù)分別為[I]和[J]的系統(tǒng)，發(fā)射端發(fā)射波束[Si]，接收端接收波束[Rj]，定義[（Si，Rj）]為通信波束對，其中，[i]為發(fā)送端第[i]個波束，[j]為接收端第[j]個波束。當(dāng)波束對[（Si，Rj）]信號強度大于天線接收靈敏度時，稱該波束對為可用波束對，記為[（Sf，Rf）]。室內(nèi)環(huán)境存在眾多反射平面，所以同一時間可能存在多條可用波束對。

對于采用60 GHz毫米波通信的設(shè)備，當(dāng)發(fā)射端固定，接收端短距離移動1～3 m的距離將引起鏈路中斷，新的可用波束可以在鏈路中斷前的臨近波束中找到[7]。所以本文提出基于臨近波束的波束搜索算法。該算法以鏈路中斷前收發(fā)端波束為中心，搜索臨近波束，并逐步增大搜索范圍。

NBS算法詳細(xì)描述如下：

輸入數(shù)據(jù)：當(dāng)前發(fā)射波束[Si]、接收波束[Rj]、搜索半徑[λ]、發(fā)射端波束總數(shù)[m]、接收端波束總數(shù)[n]，其中，[i]和[j]分別為發(fā)射端和接收端波束編號，[λ]為待搜索波束編號與當(dāng)前波束編號[i，j]的距離，初始值為1，[λ∈[1，maxm，n2]];

1） 調(diào)用搜索集合生成搜索半徑為[λ]的波束對集合：

2） 將[Mλ]中的波束對隨機排列生成隨機波束對集合[Mrandλ]：

3） 判斷[λ<λmax？]若否，[λ=λ+1]，返回步驟1）。

4） 將隨機波束對集合[Mrand1，Mrand2，…，Mrandλmax]共享于發(fā)射端和接收端。

5） 當(dāng)發(fā)射端和接收端鏈路發(fā)生中斷，發(fā)射端和接收端以[λ]為搜索半徑逐個搜索波束對集合[Mλ]，當(dāng)搜索到可用波束對[（Sf，Rf）]后，結(jié)束搜索過程，并以[（Sf，Rf）]進行通信。

6） 當(dāng)鏈路重新建立后，把[（Sf，Rf）]作為輸入數(shù)據(jù)，并返回步驟1），生成下一次波束搜索的搜索集合。

當(dāng)發(fā)射端和接收端建立無線連接后，NBS算法獲取當(dāng)前正在使用的收發(fā)波束信息，并以該波束信息為輸入數(shù)據(jù)生成波束搜索集合，共享于發(fā)射端和接收端之間。當(dāng)鏈路中斷時，發(fā)射端和接收端將依照波束搜索集合中的波束順序進行搜索。當(dāng)搜索到可用波束對時，波束搜索結(jié)束，發(fā)射端和接收端將以該波束對重新建立通信鏈接，并以重建鏈路的波束信息作為下一次波束搜索的輸入信息重新生成波束搜索集合。

3? Matlab仿真與性能分析

3.1? 室內(nèi)環(huán)境建模

本文通過射線追蹤對移動環(huán)境進行仿真建模，模擬發(fā)射端固定，接收端沿預(yù)定路線運動情況下的鏈路變化。隨著反射次數(shù)的增加，反射損耗也隨之增加，本模型中的信道環(huán)境只考慮最多三次反射。圖1為仿真建模的室內(nèi)環(huán)境。表1為仿真環(huán)境中的材料參數(shù)。

3.2? 仿真實驗

基于NBS算法在室內(nèi)環(huán)境中，預(yù)定路線運動的仿真效果圖如圖2所示。其中接收端和發(fā)射端在同一水平面，收發(fā)兩端天線參數(shù)相同，天線陣元數(shù)為6、波束總量為12、波束寬度為30°、發(fā)射功率為20 dBm。當(dāng)接收信號強度小于-53 dBm時，發(fā)射端和接收端將執(zhí)行波束搜索[8?10]。從圖2可以看出，在整個運動過程中發(fā)射端和接收端共發(fā)生30次通信中斷，進行了30次波束搜索。圖3為每次中斷后采用NBS的搜索結(jié)果，其中最大搜索次數(shù)為18次，最小搜索次數(shù)僅為1次，平均搜索次數(shù)為6.812 5，有兩次波束搜索找到了最佳波束對。