专利名称：波束搜索处理方法、装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明实施例涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种波束搜索处理方法、装置和系统。
背景技术：
随着多媒体应用的发展，无线通信应用对传输速率和信号带宽的需求与日俱增， 在线视频流业务等高速数据传输的需求逐渐凸显，相应的无线个人通信网络(Wireless Personal Area Networks,WPAN)也对数据传输率及信号带宽提出更高要求。目前来看，移动网络及无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)所致力的百兆传输速率已然难以满足应用需求；另一方面已存在的诸多无线通信业务例如宽带移动通信、卫星导航通信、局域网及城域网等，使宝贵的频谱资源日趋枯竭，寻找新的具有良好传输特性的通信频段也成为当前急需解决的问题。因而能实现(^bps甚至数(^bps传输速率的60GHz无线通信成为无线通信领域研究的新热点。60GHz无线通信属毫米波通信范畴，毫米波通常指波长为1-10毫米的电磁波，其对应的频率范围为30GHz-300GHz，在通信、雷达、导航、遥感、射电天文等许多领域有着广泛的应用，60GHz通信具有以下优点通信量大，具有超过5GHz的免许可带宽；方向性好，安全保密性强，常适用于点到点的短距离通信；传输质量高，可进行全天候通信；具有良好的国际通用性和免许可特性。60GHz天线能够集成多天线技术并实现波束赋形，波束赋形技术要求通信双方依据信道状态信息(Channel State ^formation，CSI)动态地更新天线权值向量(Antenna Weighting Vector, AWA)，实现最优方向的波束调整(Beam Steering)。在给定波束模式集的前提下，波束赋形则化为寻找最佳波束对(Beam I^ir)，以使通信链路达到最佳。现有技术中IEEE 802. 153c标准和IEEE 802. Ilad标准均提出了相应的波束搜索算法，在码本空间的基础上寻找最佳通信波束编号。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题现有的波束搜索算法主要基于遍历搜索，其搜索复杂度高，波束对准所需要的搜索时间难以忍受，严重限制了波束赋形在60GHz应用中的性能，主要存在以下几点不足盲目性波束搜索过程中， 通信双方并没有一个明确搜索目标，只能通过一次穷尽搜索后才发现最优解；冗余性搜索过程存在极大冗余性，诸多波束编号的搜索对最优解的发现并无实际有益的作用；缺乏协同接收端与发送端之间缺乏必要的协同，搜索效率必然受到极大影响。
发明内容
本发明实施例提供一种波束搜索处理方法，包括请求端接收响应端以天线数目21所发射的第一信号，i为自然数，确定所述第一信号对应的接收信号功率最大的第一波束对作为当前波束对；重复执行第一搜索，如果i达到或大于预定的搜索次数则终止所述第一搜索，并将所述当前波束对作为初始解；所述第一搜索包括所述请求端与所述响应端同步更新i的数值，接收所述响应端以更新后的天线数目21所发射的第二信号，根据所述当前波束对确定所述第二信号对应的接收信号功率最大的第二波束对，更新所述当前波束对为所述第二波束对；所述请求端重复执行第二搜索，如果接收到的信号达到预定精度则终止所述第二搜索，将所述初始解作为最优波束对并将所述最优波束对通知所述响应端；所述第二搜索包括所述请求端和所述响应端将天线数目更新为各自的最大天线数目；所述请求端接收所述响应端发射的信号，并根据所述初始解，基于预定算法确定下一次搜索的波束对，基于所述下一次搜索的波束对生成一指示，通知所述响应端根据所述指示调整下一次的发射波束，并更新所述初始解为所述下一次搜索的波束对。本发明实施例提供一种波束搜索处理装置，包括第一搜索模块，用于接收响应端以天线数目21所发射的第一信号，i为自然数，确定所述第一信号对应的接收信号功率最大的第一波束对作为当前波束对；重复执行第一搜索，如果i达到或大于预定的搜索次数则终止所述第一搜索，并将所述当前波束对作为初始解；所述第一搜索包括所述请求端与所述响应端同步更新i的数值，接收所述响应端以更新后的天线数目21所发射的第二信号，根据所述当前波束对确定所述第二信号对应的接收信号功率最大的第二波束对，更新所述当前波束对为所述第二波束对；第二搜索模块，用于重复执行第二搜索，如果接收到的信号达到预定精度则终止所述第二搜索，将所述初始解作为最优波束对并将所述最优波束对通知所述响应端；所述第二搜索包括所述请求端和所述响应端将天线数目更新为各自的最大天线数目；所述请求端接收所述响应端发射的信号，并根据所述初始解，基于预定算法确定下一次搜索的波束对，基于所述下一次搜索的波束对生成一指示，通知所述响应端根据所述指示调整下一次的发射波束，并更新所述初始解为所述下一次搜索的波束对。本发明实施例提供一种波束搜索处理系统，包括用于进行波束搜索的请求端和用于发射信号的响应端，其中，所述请求端包括上述的波束搜索处理装置。本发明实施例提供的波束搜索处理方法、装置和系统，通过粗略搜索和精细搜索两阶段，将波束搜索抽象成为一个寻找全局最优解的问题，实现了通信双方的协调搜索，具备良好的搜索性能，可显著提升波束搜索的效率，缩短波束搜索所需的时间和功耗。
图1为本发明一实施例波束搜索处理方法流程图；图2为本发明另一实施例波束搜索处理方法流程图；图3为本发明实施例中仿真采用的波束模式示意图；图4为本发明实施例波束搜索算法的目标函数示意图；图5为本发明实施例中Resenbrock算法的搜索轨迹示意图；图6为本发明一仿真实施例不同实现下目标最优功率与实际搜索功率值示意图；图7为本发明一仿真实施例不同实现下的搜索次数示意图；图8为本发明另一仿真实施例不同实现下目标最优功率与实际搜索功率值示意图；图9为本发明另一仿真实施例不同实现下的搜索次数示意图；图10为本发明实施例Resenbrock搜索算法复杂度示意图11为本发明一实施例波束搜索处理装置结构示意图；图12为本发明实施例波束搜索处理系统组成示意图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。由于60GHz无线通信能够实现(ibps甚至数(ibps传输速率，因此成为无线通信领域研究的新课题。提高波束对准过程的效率，不仅能节省大量发射功率，为实现低功耗设备提供必要前提；同时，缩短搜索时间亦可极大减小设备接入网络的时间延时，这一方面可方便开发实时传输业务，提高用户体验，另一方面也可提高网络通信容量。综上，高效的波束搜索算法对于60GHz通信系统具有重要的意义。为了满足上述需求，本发明各实施例提出了一种基于模式搜索思想的新颖波束搜索方案，尤其适用于大码本空间情形下的波束对准，算法实现简单，搜索效率显著提高，适宜于低功耗、低复杂度60GHz毫米波通信设备。考虑到当接收端波束与发射端波束在二维平面上严格对准时，接收信号功率将达最大值。因而，本发明实施例中可以将接收端-发射端波束编号(P，q)建立二维搜索平面， 则波束搜索的目标即为寻找使接收信号功率最大化所对应波束对，即2维平面优化搜索问题。通常情况下，利用目标函数梯度信息可充分提高搜索效率。但对与上述建模成的最佳波束对搜索问题而言，可能存在两个需要考虑的因素一是接收信号功率值解析解与天线阵摆放角度(姿态)有关，实际中无法准确获知；二是实际应用中的目标函数存在局部最优解与鞍点，使算法容易陷入局部解。本发明实施例可以通过一种次优搜索方式例如 Resenbrock等优化算法，作为一种无导数信息情况下的高效模式搜索算法，它在无需获知搜索目标函数导数解析值情况下，能高效实现最佳波束对的寻找。若将天线数目(即天线阵元数)设置为32，而波束数目为64，则从100次的独立波束搜索实验来看，由于目标函数存在诸多局部解，因而直接采用Resenbrock算法并不能保证每次均可发现最优波束对；从多次仿真来看，其搜索成功概率约为32%，平均次数约为25。因此，本发明各实施例在采用例如Resenbrock等优化算法寻找最佳波束对之前，可以预先进行若干次的波束粗略搜索，从而为Resenbrock搜索算法提供良好的初始搜索点， 以避免算法陷入局部最小值，提高波束搜索效率。本发明实施例中波束粗略搜索阶段需具备以下两个要求一是作为一种以初始化为目标的预搜索算法，其复杂度不宜过高；二是粗略搜索完成后，所提供的初始点距离最优目标值不是很远，以有效地避免陷入局部最优解。对通常波束赋形算法而言，显然具有以下特性天线数目为2M所对应的最优波束位于天线数目为2(M-1)所对应最优波束主瓣范围内，本发明实施例便是利用上述特性进行粗略搜索。例如可以先将有效天线数目设置为4根，其最优波束位置可通过少数次搜索获得；再将有效天线数目设置为8根，其最优波束位置即可由4根天线的最优解出发，少数次搜索获得。一般而言，通过上述2-3次粗略可以减少Resenbrock算法的初始解与最优解
6之间距离，减少陷入局部最优解的概率，从而提高搜索成功率，甚至可以达到100%。上述的天线阵元数目为2M所对应的最优波束位于天线阵元数目为2(M_1)所对应最优波束主瓣范围内的推论主要依据在于，当天线数目增加一倍时，其有效波束宽度(波束增益最大方向与邻近波束增益为0的角度之间的距离)缩减一半。相应地从一维来看， 当阵元数目为2M时，有可能取得最优波束j应存在于阵元数目为2 (M-I)的波束编号i的邻域内，即j可能的取值集合为U+l，i_l}。将上述推论拓展至由待搜索的2-D搜索平面，若当前细化到的波束对编号为(P， q)，相应的天线数目为2 (M-I)；天线数目为2M时的可能最优波束对取值集合为{(p+l，q)， (p+l，q+l)，(p，q+l)，(p_l，q+l)，(p_l，q)，(p_l，q_l)，(p，q_l)，(p+l，q_l)}。上述结论成立显而易见，通过不断缩小波束宽度分辨率，从而高效发现Rosenbrock算法搜索的初始解。基于上述分析，本发明实施例中波束搜索处理方法可以采用粗略搜索阶段和精细搜索阶段的两个阶段进行。图1为本发明一实施例波束搜索处理方法流程图，如图1所示， 该方法包括步骤100，请求端接收响应端以天线数目21所发射的第一信号，i为自然数，确定所述第一信号对应的接收信号功率最大的第一波束对作为当前波束对；重复执行第一搜索，如果经过更新的i大于预定的搜索次数则终止所述第一搜索，并将所述当前波束对作为初始解；所述第一搜索包括所述请求端与所述响应端同步更新i的数值，接收所述响应端以更新后的天线数目21所发射的第二信号，根据所述当前波束对确定所述第二信号对应的接收信号功率最大的第二波束对，更新所述当前波束对为所述第二波束对；信号发射端和信号接收端为了满足接收信号的强度达到最优，在通信前可以通过波束搜索找到要佳通信波束编号。当然信号发射和接收是相互的，信号接收端也发射信号， 信号发射端也对应地接收信号。因此本发明实施例为了便于说明，仅考虑一端发射信号，另一端接收信号的情况。并将响应端作为信号发射端，将请求端作为信号接收端，请求端在接收到响应端发射的信号后，通过本实施例提供的波束搜索方法找到趋近于最优波束对的次优解，甚至可以找到通信的最优波束对。本步骤为本实施例提供的波束搜索方法中的粗略搜索阶段，在本阶段中请求端和响应端各自的天线数目应保持相同数目，在进行完一次粗略搜索后，请求端和响应端各自将天线数目增加一倍。并将上一次的粗略搜索结果作为本次粗略搜索的初始解。具体地，请求端和响应端首先进行会话请求/确认流程，该流程完成后，请求端请求响应端发射信号，响应端以当前的天线数目向请求端发射第一信号，响应端当前的天线数目例如为21，其中i为自然数。初始时，请求端和响应端的天线数目可以均为2(即i = 1)，请求端接收响应端以2根天线发射的第一信号，然后确定该第一信号对应的接收信号功率最大的波束对，初始时(请求端和响应段的天线数目均为2根)请求端可以在2-D平面上依次遍历所有可能的波束以确定接收能量最大的波束对，例如称之为当前波束对。请求端在确定出当前波束对后，重复执行第一搜索的步骤，如果更新后的i大于预定的搜索次数则终止第一搜索的步骤，并将当前波束对作为初始解，以供精细搜索阶段进行进一步地精细搜索。本发明实施例中所述的第一搜索包括如下步骤请求端在确定出当前波束对后，与响应端同步更新i的数值以同步更新各自的天线数目，例如可以同步置i = i+l，也就是说同步将天线数目增加一倍。然后，请求端再次请求响应端发射信号，响应端继续以更新后的22根天线发射第二信号。请求端接收该第二信号后，以第一波束对为初始解来确定该信号所对应的接收能量最大的波束对，例如称之为第二波束对，并更新当前波束对为第二波束对即将第二波束对作为当前波束对，第二波束对也就相应地成为精细搜索阶段的初始解。具体过程可以为请求端依次遍历2-D平面上第一波束对周围的八个波束对，获取所述第二信号对应的接收信号功率最大的第二波束对。请求端和响应端继续上述循环过程，将天线数目设置有23，请求端再以第二波束对为初始解来确定响应端以23根天线所发射的信号所对应的接收能量最大的波束对。由上述可知，在确定天线数目为2i+1所对应的最佳波束对时，是以天线数目为21所对应的最佳波束对作为此次搜索的初始解，并依次循环执行上述步骤，直至经过更新的i大于预定的搜索次数。步骤101，所述请求端重复执行第二搜索，如果接收到的信号达到预定精度则终止所述第二搜索，将所述初始解作为最优波束对并将所述最优波束对通知所述响应端；所述第二搜索包括所述请求端和所述响应端将天线数目更新为各自的最大天线数目；所述请求端接收所述响应端发射的信号，并根据所述初始解，基于预定算法确定下一次搜索的波束对，基于所述下一次搜索的波束对生成一指示，通知所述响应端根据所述指示调整下一次的发射波束，并更新所述初始解为所述下一次搜索的波束对。依次循环执行上述粗略搜索的步骤直至更新后的i大于预定的搜索次数。本发明实施例中的搜索次数是根据请求端的最大天线数目而设置的。经过所述搜索次数的粗略搜索流程后，便完成了本实施例提供的波束搜索方法中的粗略搜索阶段，即为下一步进行精细搜索阶段提供了较好的初始解，以下进入精细搜索阶段。具体地，请求端在每一次的粗略搜索步骤中确定出对应的最优波束对后，进行置i = i+1的操作，当判断获知更新后的i 小于或等于搜索次数，则继续进行本次的粗略搜索步骤；若判断获知更新后的i大于搜索次数，则结束粗略搜索阶段，并进入精细搜索阶段。具体包括请求端重复执行第二搜索的步骤，如果接收到的信号达到预定精度则终止第二搜索的步骤，将初始解作为最优波束对并将最优波束对通知响应端。其中，所述的第二搜索包括如下步骤请求端和响应端同步将天线数目更新为各自的最大天线数目，即请求端将自身的工作天线设置成其最大的天线数目，响应端也将自身的工作天线设置成其最大的天线数目。然后，请求端继续请求响应端发射信号，响应端接收请求后，便以其最大天线数目向请求端发送信号。请求端接收到该信号后，以当前波束对作为预定算法的初始解，基于预定算法确定下一次搜索的波束对。此处所述的当前波束对为请求端在判断获知更新后的i大于预定的搜索次数时，请求端之前确定的接收信号功率最大的波束对，也就是说是请求端进行完粗略搜索阶段所最终确定的最优波束对。当然本实施例也可以将终止所述第一搜索的条件设为i达到预定的搜索次数 (即i等于预定的搜索次数)，而非一定大于所述次数，本实施例对此不做限定。请求端进行精细搜索阶段的过程中，可以采用预定算法进行波束搜索，通过预定算法获得趋近于最优波束对的结果。请求端以进行完粗略搜索阶段所最终确定的最优波束对作为该预定算法的初始解，来确定下一次进行波束搜索的波束对。确定后，请求端基于确定的下一次搜索的波束对生成一指示，通知响应端根据该指示调整下一次的发射波束，然后请求端更新初始解为下一次搜索的波束对即将确定的下一次搜索的波束对作为再下一次搜索的初始解。具体地，请求端根据算法结果通知响应端下一次波束编号，并同时调整自身的接收波束。响应端在接收到通知后，便可以根据其中的指示来调整下一次发射信号的发射波束。经过上述若干次的精细搜索调整过程，请求端在某一次的精细搜索过程中若判断出所接收的信号达到预定精度，例如通过判断信号的接收功率是否达到要求等方式，请求端便可以终止精细搜索流程即终止第二搜索的步骤。并将此次精细搜索所对应的最优波束对作为波束搜索的最终结果，通知给响应端，此后请求端和响应端便利用该最优波束开始通信。本发明实施例提供的波束搜索处理方法，通过粗略搜索和精细搜索两阶段，将波束搜索抽象成为一个寻找全局最优解的问题，实现了通信双方的协调搜索，具备良好的搜索性能，可显著提升波束搜索的效率，缩短波束搜索所需的时间和功耗。本发明实施例中进行精细搜索阶段时所采用的预定算法可以采用前述的 Resenbrock算法，当然也可以采用其他算法，只要能够满足逐步逼近最优解即可。在上述实施例中，响应端更新天线数目的步骤可以采用以下两种方式进行，一种方式是请求端和响应端双方都基于预定的更新周期，自动更新天线数目，即在经过一个周期T后，便同步执行i = i+1的操作。另一种方式是请求端向响应端发送更新天线数目的指示消息，请求端在执行完每一次的粗略搜索步骤后，通知响应端执行i = i+1的操作，自身也同步执行i = 1+1的操作。在上述实施例中，请求端在进行粗略搜索阶段的过程中，若判断获知所接收到的信号也已经达到了预定精度，则请求端可以将此时所确定的当前波束对直接作为最优波束对通知响应端，即请求端将当前波束作为最终的波束搜索结果，并直接通知响应端用于进行通信的最优波束对，以进行后续通信。当然，也可以再执行精细搜索阶段以更加逼近最优解。具体可以根据实际需求而设定，前者延时较小，后者精度更高一些。总体来看，本发明实施例所提供的波束搜索方法与现有802. Ilad标准草案具有良好兼容特性，只需工作设备包含特定的计算搜索算法引擎即可。设计信令交互与现有标中定义波束训练帧结构可相互保持兼容，即现有标准中存在反馈信道协调统一的搜索进程。请求端可以通过反馈信道向响应端发送反馈帧，该反馈帧至少包括用于指示波束调整方向的字段，以及用于指示波束调整长度的字段。本搜索算法采用的反馈帧结构如表1所示。表 权利要求
1.一种波束搜索处理方法，其特征在于，包括请求端接收响应端以天线数目21所发射的第一信号，i为自然数，确定所述第一信号对应的接收信号功率最大的第一波束对作为当前波束对；重复执行第一搜索，如果经过更新的i达到或大于预定的搜索次数则终止所述第一搜索，并将所述当前波束对作为初始解； 所述第一搜索包括所述请求端与所述响应端同步更新i的数值，接收所述响应端以更新后的天线数目21所发射的第二信号，根据所述当前波束对确定所述第二信号对应的接收信号功率最大的第二波束对，更新所述当前波束对为所述第二波束对；所述请求端重复执行第二搜索，如果接收到的信号达到预定精度则终止所述第二搜索，将所述初始解作为最优波束对并将所述最优波束对通知所述响应端；所述第二搜索包括所述请求端和所述响应端将天线数目更新为各自的最大天线数目；所述请求端接收所述响应端发射的信号，并根据所述初始解，基于预定算法确定下一次搜索的波束对，基于所述下一次搜索的波束对生成一指示，通知所述响应端根据所述指示调整下一次的发射波束，并更新所述初始解为所述下一次搜索的波束对。
2.根据权利要求1所述的波束搜索处理方法，其特征在于，所述请求端根据所述当前波束对确定所述第二信号对应的接收信号功率最大的第二波束对包括所述请求端遍历2-D平面上所述当前波束对周围的八个波束对，获取所述第二信号对应的接收信号功率最大的第二波束对。
3.根据权利要求2所述的波束搜索处理方法，其特征在于，若所述当前波束对为(p， q)，则所述当前波束对周围的八个波束对为{(P+l，q)，(P+l，q+1)，(P，q+1)，(P_l，q+1)， (p-1, q), (p-1, q-1), (p, q_l), (p+l, q_l)}。
4.根据权利要求1所述的波束搜索处理方法，其特征在于，所述响应端更新天线数目包括所述请求端和所述响应端基于预定的更新周期，自动更新天线数目；或所述请求端向所述响应端发送更新天线数目的指示消息。
5.根据权利要求1至4任一所述的波束搜索处理方法，其特征在于，所述预定算法为 Resenbrock 算法。
6.根据权利要求1至4任一所述的波束搜索处理方法，其特征在于，所述方法还包括如果接收到的信号达到预定精度则终止所述第一搜索，将所述当前波束对直接作为最优波束对，并将所述最优波束对通知所述响应端。
7.根据权利要求1至4任一所述的波束搜索处理方法，其特征在于，所述请求端通知所述响应端根据所述指示调整下一次的发射波束包括所述请求端通过反馈信道向所述响应端发送反馈帧，所述反馈帧至少包括用于指示波束调整方向的字段，以及用于指示波束调整长度的字段。
8.一种波束搜索处理装置，其特征在于，包括第一搜索模块，用于接收响应端以天线数目21所发射的第一信号，i为自然数，确定所述第一信号对应的接收信号功率最大的第一波束对作为当前波束对；重复执行第一搜索， 如果i达到或大于预定的搜索次数则终止所述第一搜索，并将所述当前波束对作为初始解；所述第一搜索包括所述请求端与所述响应端同步更新i的数值，接收所述响应端以更新后的天线数目21所发射的第二信号，根据所述当前波束对确定所述第二信号对应的接收信号功率最大的第二波束对，更新所述当前波束对为所述第二波束对；第二搜索模块，用于重复执行第二搜索，如果接收到的信号达到预定精度则终止所述第二搜索，将所述初始解作为最优波束对并将所述最优波束对通知所述响应端；所述第二搜索包括所述请求端和所述响应端将天线数目更新为各自的最大天线数目；所述请求端接收所述响应端发射的信号，并根据所述初始解，基于预定算法确定下一次搜索的波束对， 基于所述下一次搜索的波束对生成一指示，通知所述响应端根据所述指示调整下一次的发射波束，并更新所述初始解为所述下一次搜索的波束对。
9.根据权利要求8所述的波束搜索处理装置，其特征在于，所述第一搜索模块还用于 遍历2-D平面上所述当前波束对周围的八个波束对，获取所述第二信号对应的接收信号功率最大的第二波束对。
10.根据权利要求8或9所述的波束搜索处理装置，其特征在于，所述第一搜索模块还用于如果接收到的信号达到预定精度则终止所述第一搜索，将所述当前波束对直接作为最优波束对，并将所述最优波束对通知所述响应端。
11.根据权利要求8或9所述的波束搜索处理装置，其特征在于，所述第二搜索模块还用于通过反馈信道向所述响应端发送反馈帧，所述反馈帧至少包括用于指示波束调整方向的字段，以及用于指示波束调整长度的字段。
12.—种波束搜索处理系统，包括用于进行波束搜索的请求端和用于发射信号的响应端，其特征在于，所述请求端包括如权利要求9至11任一所述的波束搜索处理装置。
全文摘要
本发明实施例提供一种波束搜索处理方法、装置和系统。该方法中通过粗略搜索和精细搜索两阶段，将将波束搜索抽象成为一个寻找全局最优解的问题，实现了通信双方的协调搜索，具备良好的搜索性能，可显著提升波束搜索的效率，缩短波束搜索所需的时间和功耗。
文档编号H04W16/28GK102164374SQ20111012002
公开日2011年8月24日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者刘培, 李斌, 邹卫霞 申请人:华为技术有限公司