本发明涉及无线通信技术，特别是涉及一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法。
背景技术：
1、近年来，随着移动数据流量的快速增长，对于网络容量的要求也越来越高。为了满足高速无线传输速率需求的快速增长和缓解低频频段频谱资源的严重短缺，毫米波通信，因其极宽的可用频谱成为解决问题的热点技术。但是毫米波段信号的路径损耗大、传播衰减严重，在传输过程中需要大规模天线阵列波束赋形技术，将发射或接收到的无线信号能量集中在特定方向上，从而获得可观的阵列增益。因此虽然窄定向波束提供了更高的吞吐量和频谱效率，但在毫米波基站和用户设备之间，建立初始连接所涉及的波束搜索对准过程变得冗长，导致高通信延迟，从而严重降低通信效率。因此，如何快速高效地找到最佳波束，成为整个通信过程中至关重要的一环。
2、现有的波束搜索技术中最直观的是顺序搜索法，发射机逐一发送不同方向上的窄波束，并挑选出功率最大的波束，这种方法有很大的时间复杂度，实际应用中并不可行。为降低时间开销，提出了基于分层码本的搜索方法，每层码本对应一个搜索阶段，在每个阶段搜索中，基站根据码本发送若干波束供终端选择，终端选择接收信号最强的波束并将其反馈给基站，而基站根据反馈的波束更新码本，在终端选择的波束角度范围内选择若干更窄的波束继续发送，直到选择出足够窄、增益足够大的波束时搜索停止。在基于分层码本搜索方法中，一种经典方法是二分搜索法。具体地，该方法需要预先设计分层码本，第一层码本需要两根天线，之后每一层码本所需天线个数均为上一层的二倍，每一层码本将上一层码本的每个波束角度覆盖范围平分为两部分，构建双倍于上一层数量的波束。搜索是根据分层码本进行多阶段搜索，其中在每一阶段的搜索过程中，发射机发送对应层内码本对应的两个波束，并根据接收端的反馈确定下一阶段搜索的候选码本。最终在码本集合中可以搜索得到一个最窄波束，实现收发两端的波束对齐。该方法复杂度与天线数成对数关系，相较于顺序搜索复杂度要小得多，但是在低信噪比环境下波束搜索成功率却不理想。原因是同阶段相邻两个角度区间对应的接收增益较为接近，尤其是最优波束角度在两个区间的分界处附近时，很容易由于噪声的污染得出错误的判决结果。更严重地是这会导致之后的每个阶段的结果均是错误的，这种现象被称为“误差传播”。为提高波束搜索成功率，现有技术提出了一种移位区间重叠波束算法，对搜索区间内左右两个波束进行移位，移位之后，所搜索的区间中边缘位置的增益之差增大，这样可以有效减小边缘位置的误对准概率。该算法虽然有效提高了搜索区间过渡带的准确率，但仍没有从根本上解决“误差传播”问题，当某一层搜索出现错误就有可能导致整个流程失败。并且该算法相比于经典二分法具有很大的时间复杂度，波束搜索对准时间过程冗长。
3、因此，需要一种既能够解决“误差传播”问题，又不提高时间复杂度的波束搜索方法。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供了一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法，保持了算法的低时间复杂度，并且提高了波束搜索的成功率。
2、为此，本发明提供了以下技术方案：
3、一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法，包括步骤：
4、建立信道模型以及构建分层码本；利用信道模型和分层码本进行自纠错二分法波束搜索；
5、所述利用信道模型和分层码本进行自纠错二分法波束搜索，包括：发射端的预编码向量通过码本层数和角度索引两个索引值从分层码本中选择波束；接收端通过接收信号功率的差值判断目标波束位于哪一个搜索角度区间；通过接收信号功率的变化趋势判断目标波位于的搜索角度区间是否正确，并反馈到发射端；发射端根据反馈更新索引值，选择下一阶段搜索的备选码本；重复搜索和更新直至达到预设搜索层数，得到目标波束的角度。
6、进一步地，所述建立信道模型以及构建分层码本，包括：
7、配备n根天线阵子的均匀线性阵列作为发射端；
8、一根天线作为接收端；
9、码本预设层数为s，
10、对于第s层码本，发射端为2s根天线。
11、进一步地，所述发射端的预编码向量通过码本层数和角度索引两个索引值从分层码本中选择波束，包括：
12、通过角度索引和码本层数，选择波形波束赋形矢量：
13、
14、其中，s为码本所在的层数，s∈{1,2,...,s}；r为角度索引，r∈{1,2,...,2s-1}；u(·)为方向余弦上的单位空间特征图。
15、进一步地，所述接收端通过接收信号功率的差值判断目标波束位于哪一个搜索角度区间，包括：
16、发射端根据所选波束赋形矢量ws,r、ws,r+1，发射两个对应波束bs,r和bs,r+1；
17、接收端接收到两个信号ys,r、ys,r+1；
18、计算接收信号功率差，并利用接收信号功率差判断波束位于哪一搜索角度区间：
19、δs,r＝|ys,r+1|-|ys,r|；
20、若δs,r≥0，则目标波束位于角度区间内，即bs,r+1为第s阶段搜索的有效波束；此时zs＝|ys,r+1|；
21、若δs,r<0，则目标波束位于角度区间内，即bs,r为第s阶段搜索的有效波束，此时zs＝|ys,r|；
22、其中，zs表示每个搜索阶段的有效波束功率，通过表示关于搜索阶段的有效波束功率的时序集合。
23、进一步地，所述角度区间表示波束的方向余弦范围，包括：
24、
25、
26、其中，ωs表示第s层码本所对应的波束宽度；
27、码本每更新一层，波束个数和天线数量就增加一倍，把上一层的每个波束的角度覆盖范围平均分为两部分，来构造下一层的波束；
28、即码本层数为s+1，角度索引r更新为2r和2r+1；角度索引r+1更新为2(r+1)和2(r+1)+1，第s+1层两个波束覆盖的总角度范围等于第s层波束覆盖角度范围：
29、
30、进一步地，所述通过有效波束功率的变化趋势判断目标波束位于的搜索角度区间是否正确，并反馈到发射端，包括：
31、接收端根据集合计算ebp随着s增加的上升或下降趋势：
32、
33、其中，2n为根据不同阶段数n为各层ebp附加的权重；
34、接收端将δs,r和ts的正负反馈给发射端。
35、进一步地，所述发射端根据反馈更新索引值，选择下一阶段搜索的备选码本，包括：
36、发射端根据反馈信息δs,r和ts，更新s和r，包括：
37、若ts≥0，s阶段搜索找到了正确的角度区间，搜索正常进行；
38、此时若δs,r≥0，更新波束角度索引r＝2(r+1)；
39、若δs,r<0，更新波束角度索引r＝2r，更新搜索阶段数s＝s+1，利用新的索引值s和r，获得更新后波束赋形矢量ws,r和ws,r+1，以及下阶段发射对应波束bs,r和bs,r+1；
40、若ts<0，则第s阶段搜索出现了错误，未能找到正确的角度区间；
41、此时若δs,r≥0，更新波束角度索引r＝(r-2)/2；
42、若δs,r<0，更新波束角度索引r＝r/2，更新搜索阶段数s＝s-1，更新波束赋形矢量ws,r和ws,r+1，以及下阶段发射对应波束bs,r和bs,r+1。
43、进一步地，所述重复搜索和更新直至达到预设搜索层数，得到目标波束的角度，包括：
44、每阶段搜索根据反馈更新索引值s、r，直至s＝s，得到目标波束的角度估计：
45、本发明的优点和积极效果：
46、本发明在现有的二分波束搜索方法的基础上增加了自纠错机制；通过定义在各阶段波束搜索中的有效波束，对基于时序的ebp的集合进行联合判别，并将结果反馈基站更新码本、调整搜索流程，消除了二分法系统性的“误差传播”问题，在保持较低复杂度的前提下，提高了波束搜索的成功率。
1.一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法，其特征在于，所述建立信道模型以及构建分层码本，包括：
3.根据权利要求1所述一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法，其特征在于，所述发射端的预编码向量通过码本层数和角度索引两个索引值从分层码本中选择波束，包括：
4.根据权利要求1所述一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法，其特征在于，所述接收端通过接收信号功率的差值判断目标波束位于哪一个搜索角度区间，包括：
5.根据权利要求4所述一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法，其特征在于，所述角度区间表示波束的方向余弦范围，包括：
6.根据权利要求1所述一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法，其特征在于，所述通过有效波束功率的变化趋势判断目标波束位于的搜索角度区间是否正确，并反馈到发射端，包括：
7.根据权利要求1所述一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法，其特征在于，所述发射端根据反馈更新索引值，选择下一阶段搜索的备选码本，包括：
8.根据权利要求1所述一种基于分层码本的自纠错二分波束搜索方法，其特征在于，所述重复搜索和更新直至达到预设搜索层数，得到目标波束的角度，包括：
