60 GHz無線通信系統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，仿真結果進一步證明了該算法的有效性。

關鍵詞： 臨近波束搜索; 毫米波通信; 可用波束對獲取; 室內環境仿真建模; 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，在世界大多數國家屬于非授權頻段，可以實現Gbit/s級的數據傳輸速率，因而受到業界的廣泛關注，也被稱為未來最具應用潛力的通信技術之一[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鏈路補償的必要技術。鑒于復雜度和功率損耗，60 GHz毫米波通信通常采用基于碼本的波束成形技術?；诖a本的波束成形會預先生成波束碼本。通信雙方根據波束碼本調整波束方向，將波束方向調整到收發功率的最佳方向，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?；?0 GHz毫米波無線通信的IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad標準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雙方天線陣元數量的增加，導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，降低波束搜索時延。

1? 系統模型和常見波束搜索算法

1.1? 系統模型

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

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，[Q]為波束數目，為降低增益損失[4?6]，一般設置[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，一般設置[d=12λ]。

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

式中：[δ（? ）]表示沖激函數;[K]表示主徑或簇總數;[Lk]表示第[k]簇中子徑數;[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均呈現簇到達現象，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發送波束[popt]和最優接收波束[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射端和接收端波束碼本中窮舉所有可能波束組合，當發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，找到信號質量最優的波束組合。假設收發端天線陣元數量分別為[I]和[J]，波束總數分別為[2I]和[2J]，該算法復雜度為：

IEEE 802.15.3c標準對窮舉搜索算法做了進一步的優化，將波束搜索過程分為兩步：扇區級搜索（Sector Level Search，SLS）和波束級搜索（Beam Level Search，BLS）[6]。假設收發端天線陣元數量分別為[I]和[N]，波束總數分別為[2I]和[2J]，扇區數分別為[IST]和[JSR]，每個扇區的波束總數分別為[IbT]和[JbR]。在SLS階段，通信雙方遍歷所有的扇區，確定最佳通信扇區對;在BLS階段，通信雙方遍歷最佳扇區對中的所有波束，尋找最優波束對。該算法運算次數為：

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

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環境。室內環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。假設采用收發端陣元數分別為[I]和[J]的系統，發射端發射波束[Si]，接收端接收波束[Rj]，定義[（Si，Rj）]為通信波束對，其中，[i]為發送端第[i]個波束，[j]為接收端第[j]個波束。當波束對[（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）]。室內環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毫米波通信的設備，當發射端固定，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算法詳細描述如下：

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

1） 調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]共享于發射端和接收端。

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

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

當發射端和接收端建立無線連接后，NBS算法獲取當前正在使用的收發波束信息，并以該波束信息為輸入數據生成波束搜索集合，共享于發射端和接收端之間。當鏈路中斷時，發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。當搜索到可用波束對時，波束搜索結束，發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? 室內環境建模

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

3.2? 仿真實驗

基于NBS算法在室內環境中，預定路線運動的仿真效果圖如圖2所示。其中接收端和發射端在同一水平面，收發兩端天線參數相同，天線陣元數為6、波束總量為12、波束寬度為30°、發射功率為20 dBm。當接收信號強度小于-53 dBm時，發射端和接收端將執行波束搜索[8?10]。從圖2可以看出，在整個運動過程中發射端和接收端共發生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的搜索結果，其中最大搜索次數為18次，最小搜索次數僅為1次，平均搜索次數為6.812 5，有兩次波束搜索找到了最佳波束對。