利用压缩感知的单端时域波束搜索方法

摘要

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及在多天线波束成形通信系统中的采用压缩感知来搜索最优波束矢量的方法。本发明提供了一种在多天线波束成形通信系统中的一种利用压缩感知的单端时域波束来搜索最优波束矢量的方法。该方法利用离开角、到达角的稀疏性将波束搜索的问题转化为压缩感知的问题，通过发射端和接收端使用不同的发射和接收矢量，由接收端单独确定最优的发射/接收波束矢量。本发明使用范围极广，可用于所有的慢衰落视距或者非视距信道。

主权项

利用压缩感知的单端时域波束搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、令设备1的收发天线数为Nt，所述设备1的码本中的波束数目为Ct，所述设备1采用P_t种发射矢量进行发射，任意一个发射矢量都是长度为Nt的向量，所述发射矢量中每个位置的元素的值从集合[1,i,‑1,‑i]中随机选择，组成一个测量矩阵所述测量矩阵Φ_t每一行都对应一次发射，所述设备1在时域发射时间序列为[1,0,...,0]，所述时间序列长度为N，其中，d＝1,2,...P_t，i为虚数单位，令设备2的收发天线数为Nr，所述设备2的码本中的波束数目为Cr，对于设备1的每个发射矢量设备2都有P_r个接收矢量来接收，任意一个接收矢量都是长度为Nr的向量，所述接收矢量中每个位置的元素的值从集合[1,i,‑1,‑i]中随机选择，组成一个测量矩阵所述测量矩阵Φ_r每一行都对应一次接收，接收端能够得到第n个时间点测量信号矩阵为Y_n＝Φ_rh_nΦ^T_t+n_n，其中，d′＝1,2,...P_r，n＝1,2,...,N，矩阵Y_n的阶数为P_r×P_t，n_n是噪声矩阵，h_n为第n个时间点的阶数为Nr×Nt的信道矩阵，矩阵中第x行第y列的元素表示从发射端第y根天线到接收端第x根天线间的频域信道冲击响应，x＝1,2,...,Nr，y＝1,2,...,Nt，()^T是矩阵的转置运算，N、Nt、Nr、Ct、Cr、P_r和P_t为大于1的整数；S2、根据S1所述构建字典矩阵为D，D的每一列对应[‑90°，90°]中的一个角度；S3、根据S1所述Φ_r和Φ_t恢复出h_n，即已知Y_n、Φ_r和Φ_t，算出矩阵h_n，具体为：S31、根据每个时间点信号Y_n恢复出Y′_n，所述Y′_n的每一列都可以在S2所述字典矩阵D下展开，即Y′_n的每一列都可以表示为字典矩阵中少数列与对应不为0的展开系数相乘后的线性加和，展开系数为复数，具体如下：对每个时间点信号Y_n使用P_t个任务的正交匹配追踪算法(Orthogonal Matching Pursuit，OMP)联合所述时间点信号Y_n的每一列共同恢复出Y′_n，所述时间点信号Y_n的任意第l列为${\overrightarrow{y}}_{n,l}={\Phi }_{r}D{\overrightarrow{\omega }}_{n,l}+{\overrightarrow{n}}_{n,l}=V_r{\overrightarrow{\omega }}_{n,l}+{\overrightarrow{n}}_{n,l},$其中，V_r＝Φ_rD，是nn的第l列，可以在V_r下展开，就是在V_r下的展开系数，l＝1,2,...,P_t；S32、对每个时间点n使用Nr个任务的OMP联合S31所述Y′_m的每一列共同恢复出h_n^T，所述h_n^T的每一列都可以在S2所述字典矩阵D下展开，其中，Y′_n＝h_nΦ^T_t；S33、根据S32所述h_n^T恢复出h_n；S4、恢复出所有时间点的的h_n，做N点的离散傅里叶变换得到每个频点的频域信道矩阵从码本中找到一个最优的和使得频谱效率最大，即$(\overrightarrow{c},\overrightarrow{w})=\underset{\overrightarrow{c},\overrightarrow{w}}{\arg }\max \left(\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\log }_2(1+{\gamma }_{r,n})\right),$其中${\gamma }_{r,n}=\frac{{\left|{\overrightarrow{w}}^T{\hat{H}}_n\overrightarrow{c}\right|}^2}{N_r{N}_t{\sigma }^2},$σ²是噪声的功率，和是长度为Nr的复向量。