60 GHz无线通信系统中临近波束搜索算法研究

林峰 李建飞 秦笙 梁吉申

摘  要： 针对移动场景下60 GHz无线通信，提出一种基于临近波束的波束搜索算法（NBS）。该算法利用已知的波束码本，结合无线链路中断前的链路信息，自动生成波束搜索的顺序集合;通过搜索该波束对集合，可以快速地得到通信双方的可用波束对。相比于现有的波束搜索算法，在移动场景下，所提算法具有更高的搜索效率，仿真结果进一步证明了该算法的有效性。

关键词： 临近波束搜索; 毫米波通信; 可用波束对获取; 室内环境仿真建模; 60 GHz无线通信; 波束搜索集合

中图分类号： TN928?34                         文献标识码： A                          文章编号： 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毫米波頻段具有丰富的频谱资源，在世界大多数国家属于非授权频段，可以实现Gbit/s级的数据传输速率，因而受到业界的广泛关注，也被称为未来最具应用潜力的通信技术之一[1?2]。由于氧气对60 GHz频段的吸收作用，该频段自由空间传输损耗要比2.4 GHz和5 GHz分别高出40 dB和22 dB。较高的传输损耗使得波束成形成为60 GHz链路补偿的必要技术。鉴于复杂度和功率损耗，60 GHz毫米波通信通常采用基于码本的波束成形技术。基于码本的波束成形会预先生成波束码本。通信双方根据波束码本调整波束方向，将波束方向调整到收发功率的最佳方向，该过程称为波束搜索。常见的波束搜索算法是在发射端和接收端的码本中进行穷举组合找出接收功率最强的波束对。基于60 GHz毫米波无线通信的IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad标准中提出基于两阶搜索的波束搜索算法[3]。但以上搜索算法都会随着收发双方天线阵元数量的增加，导致搜索时延急剧增加。本文提出一种基于临近波束的波束搜索（Near Beam Search，NBS）算法，该方法可以有效地减少波束搜索次数，降低波束搜索时延。

1  系统模型和常见波束搜索算法

1.1  系统模型

使用波束成形技术的系统发射端天线含有[Ns]个阵元，接收端天线含[Mr]个阵元;在发射端，信号乘以发送权重矢量[ω]后发射到空间中;接收端将接收信号乘以接收权重矢量[c]后，进行加权求和得到输出信号并送至信号处理模块[4?6]。为降低功耗和实现复杂度，通信设备将加权矢量各分量设为相移因子，即[ωm，n=1]。因此，可简单地将发射信号经过不同相移后，利用阵列天线发射出去。

波束码本可定义为一个[P×Q]的矩阵[W]，其中，[P]为天线阵元数，[Q]为波束数目，为降低增益损失[4?6]，一般设置[Q=2P]。对于均匀分布的1维线性阵，其第[p]个波束的阵列响应因子为[3]：

式中：[ωp，q]为波束码本中第[q]个波束的第[p]个天线阵元的加权因子;[d]为天线阵元间距;[λ]为信号的波长;[θ]为波束到达角，一般设置[d=12λ]。

IEEE TG3c工作组在IEEE 802.15.3a的Saleh?Valenzuela信道模型基础上增加角度域信息，提出了信道复基带冲激响应模型（Channel Impulse Response，CIR）[3]，簇到达模型表示为：

式中：[δ（? ）]表示冲激函数;[K]表示主径或簇总数;[Lk]表示第[k]簇中子径数;[αk，l]，[τk，l]和[ωk，l]表示第[k]簇的第[l]条多径的幅度增益、到达时间（TOA）和到达角（AOA）;[Tk]和[θk]表示第[k]簇信号的平均TOA和AOA。所有信道的冲激响应均呈现簇到达现象，由于毫米通信的高度定向性，可以仅考虑直射路径忽略非直射路径，所以简化SNR为：

波束搜索的目的是通信双方在各自的波束码本中搜索出最优发送波束[popt]和最优接收波束[qopt]用于通信，即：

1.2  常见的波束搜索算法

穷举搜索算法就是在发射端和接收端波束码本中穷举所有可能波束组合，当发射端和接收端通信中断时，通信双方遍历搜索可能的波束组合，找到信号质量最优的波束组合。假设收发端天线阵元数量分别为[I]和[J]，波束总数分别为[2I]和[2J]，该算法复杂度为：

IEEE 802.15.3c标准对穷举搜索算法做了进一步的优化，将波束搜索过程分为两步：扇区级搜索（Sector Level Search，SLS）和波束级搜索（Beam Level Search，BLS）[6]。假设收发端天线阵元数量分别为[I]和[N]，波束总数分别为[2I]和[2J]，扇区数分别为[IST]和[JSR]，每个扇区的波束总数分别为[IbT]和[JbR]。在SLS阶段，通信双方遍历所有的扇区，确定最佳通信扇区对;在BLS阶段，通信双方遍历最佳扇区对中的所有波束，寻找最优波束对。该算法运算次数为：

所以IEEE 802.15.3c标准的两阶波束搜索算法复杂度为[ο（N2）]。60 GHz毫米波通信的另一标准IEEE 802.11ad标准采用了相似的搜索算法，但其算法复杂度更高。

2  基于临近波束的波束搜索算法

60 GHz毫米波具有较高的自由空间传输损耗，不适合长距离无线传输，这使得60 GHz毫米波通信多用于室内环境。室内环境存在众多的反射平面，在同一位置接收端可以收到多个方向的到达信号。假设采用收发端阵元数分别为[I]和[J]的系统，发射端发射波束[Si]，接收端接收波束[Rj]，定义[（Si，Rj）]为通信波束对，其中，[i]为发送端第[i]个波束，[j]为接收端第[j]个波束。当波束对[（Si，Rj）]信号强度大于天线接收灵敏度时，称该波束对为可用波束对，记为[（Sf，Rf）]。室内环境存在众多反射平面，所以同一时间可能存在多条可用波束对。

对于采用60 GHz毫米波通信的设备，当发射端固定，接收端短距離移动1～3 m的距离将引起链路中断，新的可用波束可以在链路中断前的临近波束中找到[7]。所以本文提出基于临近波束的波束搜索算法。该算法以链路中断前收发端波束为中心，搜索临近波束，并逐步增大搜索范围。

NBS算法详细描述如下：

输入数据：当前发射波束[Si]、接收波束[Rj]、搜索半径[λ]、发射端波束总数[m]、接收端波束总数[n]，其中，[i]和[j]分别为发射端和接收端波束编号，[λ]为待搜索波束编号与当前波束编号[i，j]的距离，初始值为1，[λ∈[1，maxm，n2]];

1） 调用搜索集合生成搜索半径为[λ]的波束对集合：

2） 将[Mλ]中的波束对随机排列生成随机波束对集合[Mrandλ]：

3） 判断[λ<λmax？]若否，[λ=λ+1]，返回步骤1）。

4） 将随机波束对集合[Mrand1，Mrand2，…，Mrandλmax]共享于发射端和接收端。

5） 当发射端和接收端链路发生中断，发射端和接收端以[λ]为搜索半径逐个搜索波束对集合[Mλ]，当搜索到可用波束对[（Sf，Rf）]后，结束搜索过程，并以[（Sf，Rf）]进行通信。

6） 当链路重新建立后，把[（Sf，Rf）]作为输入数据，并返回步骤1），生成下一次波束搜索的搜索集合。

当发射端和接收端建立无线连接后，NBS算法获取当前正在使用的收发波束信息，并以该波束信息为输入数据生成波束搜索集合，共享于发射端和接收端之间。当链路中断时，发射端和接收端将依照波束搜索集合中的波束顺序进行搜索。当搜索到可用波束对时，波束搜索结束，发射端和接收端将以该波束对重新建立通信链接，并以重建链路的波束信息作为下一次波束搜索的输入信息重新生成波束搜索集合。

3  Matlab仿真与性能分析

3.1  室内环境建模

本文通过射线追踪对移动环境进行仿真建模，模拟发射端固定，接收端沿预定路线运动情况下的链路变化。随着反射次数的增加，反射损耗也随之增加，本模型中的信道环境只考虑最多三次反射。图1为仿真建模的室内环境。表1为仿真环境中的材料参数。

3.2  仿真实验

基于NBS算法在室内环境中，预定路线运动的仿真效果图如图2所示。其中接收端和发射端在同一水平面，收发两端天线参数相同，天线阵元数为6、波束总量为12、波束宽度为30°、发射功率为20 dBm。当接收信号强度小于-53 dBm时，发射端和接收端将执行波束搜索[8?10]。从图2可以看出，在整个运动过程中发射端和接收端共发生30次通信中断，进行了30次波束搜索。图3为每次中断后采用NBS的搜索结果，其中最大搜索次数为18次，最小搜索次数仅为1次，平均搜索次数为6.812 5，有两次波束搜索找到了最佳波束对。