智能反射面辅助毫米波通信系统的高效波束训练方法

本发明涉及在多智能反射面辅助的毫米波通信系统中，存在多个多天线用户的情况下，通过设计动态的波束图案、高效的波束训练策略以及自适应的分层码本，实现多用户初始接入，属于无线通信技术领域。

随着数据流量的爆炸式增长，毫米波(mmWave)凭借其丰富的可用频段已经成为第五代移动通信的关键技术。实现毫米波通信的第一个严峻挑战是路径损耗，为了补偿毫米波传输严重的路径损耗，毫米波通常采用大规模天线阵列进行窄波束传输，可以有效的将传输能量集中在某一区域或方向。然而，毫米波方向性传输对阻塞非常敏感，甚至会导致连接中断，这也为毫米波链路的建立和维持带来了新的挑战。为此，智能反射面(IRS)被整合到毫米波蜂窝系统中。

IRS是一个包含了大量低成本被动反射阵子的天线面，每一个阵子能够独立调节入射电磁波的相位和幅度，从而改变电磁波的传播路径。传统的无线技术一般都是在收发端进行信号处理，以适应动态且不可控的无线环境，而IRS能够通过可控的智能信号反射技术主动地修正无线信道。因此，IRS为无线链路性能的进一步提升提供了新的自由度，并为智能可编程无线环境的实现铺平了道路。在毫米波蜂窝系统中，阻塞问题会严重降低通信质量，甚至造成链路中断。IRS凭借其改变电磁波传输环境的能力，有潜力成为处理毫米波通信阻塞问题的新方法。针对与之间链路被阻塞的用户，可以通过IRS的相位调节，使电磁波的传输路径能够绕过遮挡物到达用户，从而提高通信质量和毫米波系统的覆盖能力。

波束训练是实现毫米波系统中用户初始接入的关键技术，本质上，波束训练的基本思想是在没有任何用户先验信息的条件下，通过波束空间搜索的方法及用户功率测量得到一对最优的发射角/接收角，从而实现波束对准。由于毫米波通信的方向性窄波束传输，用户的服务质量很大程度上依赖于波束的实时对准。在IRS辅助的毫米波通信系统中，IRS的引入使得毫米波网络架构发生巨大变化，传统的波束训练机制不再适应于新的网络架构。国内外目前对IRS的研究尚处于起步阶段，对于IRS辅助的毫米波通信系统的波束训练问题更未曾涉足。

本发明考虑了一个多智能反射面(IRS)辅助的毫米波(mmWave)通信系统，其中配置混合毫米波收发机，多个纯被动的智能反射面，多个多天线用户。这些多天线用户需要与实现初始接入。

1.基于相位调节的宽波束合成方法

本发明提出了基于相位调节的宽波束合成方法，在传统毫米波窄波束波束赋形技术的基础上，通过对不同的天线阵子做不同相位加权实现波束展宽，如公式(1)所示。通过宽波束扫描来降低搜索的时间开销。

其中Ψ(n)为相位加权系数，f为波束展宽后的波束成形向量。

2.基于二次回归的波宽控制器

本发明设计了基于二次回归的波宽控制器，通过二次相位中的参数ρ调节，灵活地控制波束宽度，如公式(2)所示。通过波宽控制可以灵活地调节波束的搜索范围，实现准确的波束对准。

B＝f(ρ,N) (2)

其中B为波束宽度，ρ为与波束宽度相关的参数，N为天线阵的阵子数。

3.基于空时搜索的波束训练策略

针对智能反射面辅助的毫米波通信系统的新的网络架构，本发明提出了基于空时搜索的波束训练策略，通过在和智能反射面进行二层的空时搜索实现多用户的初始接入。

4.自适应分层码本设计

为了加速波束训练的过程，本发明基于设计的波宽控制器与波束训练策略，在和智能反射面设计了自适应分层码本。

图1为多智能反射面辅助的毫米波通信系统架构图。

图2为智能反射面辅助毫米波通信系统的实现流程图

图3为收发机、智能反射面结构示意图。

图4为基于二次相位加权的宽波束合成示意图。

图5为波宽控制器实现示意图。

图6为基于空时搜索的波束训练策略流程图。

图7为和智能反射面自适应码本结构示意图。

图8为波束训练选择最优链路随信噪比变化示意图。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，多智能反射面(IRS)辅助的毫米波通信系统架构图，当用户与之间存在阻塞，而与IRS，IRS与用户之间存在视径(LOS)，向IRS发射波束，IRS通过调整自身反射参数将反射波束对准用户，这样，通过IRS绕过遮挡物，从而提高用户服务质量与网络的覆盖范围，另外，用户与，用户与反射面，反射面与有无线反馈链路，即低频反馈信道，用来实现信道信息、控制信息的交互。

参见图2，智能反射面辅助毫米波通信系统的实现流程图，依此为宽波束合成方法及波宽控制器设计、波束训练策略和/反射面的分层码本设计。

参见图3，收发机、智能反射面结构示意图，IRS为纯被动的面阵，配置低功耗的IRS控制器，能够通过调节每一阵子的相位入射的电磁波的传播方向，另外，IRS配置低频收发天线，能够进行与用户和信道信息和控制信息的交互。配置混合架构收发机，能够支持多流传输。用户配置模拟收发机，仅支持单流传输。

参见图4，基于相位调节的宽波束合成示意图，通过与窄波束、基于天线失活的波束展宽和基于Kaiser加窗的波束展宽的方案对比，表明基于相位调节的宽波合成技术能够在有限波束成形增益损失的前提下实现有效的波束展宽。

参见图5，波宽控制器实现示意图，通过仿真采样得到若干组归一化-10dB波宽与相位参数的对应关系，通过二次回归拟合得到波宽控制器，仿真结果表明，基于二次回归的波宽控制器能够实现有效的波宽控制。

参见图6，基于空时搜索的波束训练策略流程图，首先是第一跳波束训练，智能发射面通过波束划分和波宽控制开启全向模式，混合架构的向多个方向同时发射正交的训练序列进行分层搜索，用户侧同时进行分层搜索，并在每一阶段结束将功率最大的信号对应的时隙及正交序列序号反馈给，根据反馈结果确定下一阶段的搜索范围，直到测达到一定的分辨率，通过低频广播信道向通过第一跳波束训练直接接入的用户发送确认信号，结束这些用户的波束训练过程。然后是第二跳波束训练，由于智能反射面的位置固定的，所以这里假设提前已知智能反射面的位置，并且通过第一跳波束训练已知反射面的服务范围内有用户存在，向多个智能反射面同时发射携带不同训练序列的窄波束，并且通过广播信道将训练序列的序号告诉智能反射面，智能反射面开启训练模式，通过分层搜索完成第二跳波束训练，其中在每一阶段的结束，用户都要通过广播信道向智能反射面反馈功率最大的信号对应的时隙以及正交序列序号，正交序列序号是为了确认该用户是被哪一个智能反射面服务，时隙是为了确认该用户对应该智能反射面的哪一个扇区，直到达到一定的分辨率，智能反射面将结果反馈给，向这些用户发送确认信息，结束整个波束训练过程。

参见图7，和智能反射面自适应码本结构示意图，每一层的码字具有相同的波束宽度，并且波束宽度可以通过前面设计的波宽控制器来灵活调节，如公式(3所示)。

其中，为对应码字的波束宽度，η*为中心角度，Ψ*(n)为第n个阵子的相位偏移。

由于相似的码本结构，智能反射面训练模式的自适应码本设计方法类似。

关于智能反射面全向模式的自适应码本设计，每一个子码字的覆盖范围的1/2，因此，对应波宽控制参数为

ρ2＝f-1(1/2,NI/4)

其中NI为智能反射面的天线数，对应的每一个子码字的表达式为

其中，中心角度为

相位偏移为

因此，合成的父码字的表达式为

Θ(0,1)＝diag(Θ′(0,1),Θ′(0,2),Θ′(0,3),Θ′(0,4))

综上，我们可以通过提出了宽波束合成方法、波束控制器、波束训练策略以及自适应码本设计，实现多智能反射面辅助毫米波通信系统的多用户初始接入。

参见图8，波束训练选择最优链路随信噪比变化示意图，本发明所提的方案能够以较低复杂度实现与高复杂度的穷举搜索相近的性能。

以上所述仅为本发明的一个实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。