CN102404035A - 一种短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，包括如下步骤：(1)在训练阶段后新增空闲时隙，在所述空闲时隙内，利用训练序列进行信道估计和干扰信号到达角度估计；(2)根据步骤(1)中的信道估计和干扰信号达到角度估计计算生成最优权值向量，此权值向量为接收机的权值向量；(3)在反馈阶段将步骤(2)中生成的最优权值向量反馈给发射机，此权值向量的共轭值为发射机的权值向量；(4)发射机和接收机使用此权值向量对各自的天线阵加权，即形成干扰抑制波束图样。本发明的方法能有效消除共信道干扰，增加天线增益以及提高整个链路吞吐量。

Description

一种短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法

技术领域

本发明涉及一种波束形成方法，更具体的说，涉及一种短距通信中干扰抑制波束形成方法，属于无线通信领域。

背景技术

最近几年在短距离高速无线网络领域毫米波技术得到了越来越多的重视。毫米波技术的优点在于它能够支持吉比特每秒(Gbps)的数据吞吐量，正是由于该特点，毫米波技术适用于移动设备间高清视频流或者高速文件传输等消费电子的应用。无线个域网(WPAN)用来在短距离的较少个数设备之间以较低应用开销传输高速率信息，它是一个工作在60GHz频段上的典型系统。众多国家和区域相继在60GHz附近划分出5～9GHz的未授权连续频段作此用途，中国也开放了59-64GHz频段。巨大的可利用带宽资源是实现Gbps级超高速无线传输的基础。

60GHz短距超高速通信的最终目的是在一个合适的距离内达到Gbps的吞吐量。为了达到这个目的，设计者需要提高系统的效率以及提高传输的范围，特别针对非视距传输(NLOS)场景。天线阵列技术被采用来补偿60G信道的高传输损耗减少阴影效应的影响。由于60G系统的天线元之间的间隔是毫米级的，因此可以将多个天线集成到移动设备中去。

阵列天线是指由一系列相关的天线元素在空间构成一定的几何形状，根据期望信号和干扰信号到达阵列的各个天线元的角度和相位不同，通过自适应算法和高速数字信号处理技术，以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，从而抑制来自窄波束以外的信号。波束形成的目标是根据系统性能指标的要求，形成对基带信号的最佳组合或者分配。具体地说，其主要任务是补偿信号衰落与失真，同时抑制干扰。波束形成器利用天线阵的阵方向函数乘积定理，通过在天线阵元上加权，达到控制天线阵方向图动态地在有用信号方向产生高增益窄波束，在干扰或无用信号方向产生较深零陷的目的。

60GHz毫米波信道是典型的非线性恒参信道。在此信道中信号衰落十分严重，接收信号功率大幅下降，信噪比也随之大幅下降。在阵列天线和自适应信号处理技术基础上发展起来的自适应波束形成技术(Beamforming)，能够有效对抗衰落和干扰，提高频谱利用率，在保证通信质量的前提下扩大系统容量。

波束形成的系统模型如图1所示，设备1有Nt个发射天线，设备2有Nr个接收天线。发射端数据流经过基带信号处理后上变频到射频段(RF)，射频信号的相位通过发射机权重向量进行调整然后通过各个天线元发射到自由空间去。接收端接收信号被接收机权值向量加权，各个天线元的接收信号被合并到一起，经过下变频后，在基带被解调和译码。国际标准IEEE802.15.3C给出了基于码本(codebook)设计的完整的波束形成协议。

该方案假设所有具备波束形成功能的设备都支持三种波束图样：准全向图样、扇区图样、和波束图样。其中准全向图样是码本中分辨率最低的图样，它用来让天线覆盖设备周围潜在接收设备可能的处于的范围相对较大的空间；扇区图样是分辨率相对较高的图样，它覆盖相对于准全向较小的空间，一个准全向图样可能包含若干个扇区图样，每个扇区图样可能包含若干个波束图样，不同扇区图样可能有部分重叠；波束图样是精细度最高的图样，波束形成的最终目的是寻找到用来传输数据流的最佳波束对。

该方案中的波束形成协议首先由网络控制器(PCP)对设备对进行协调，每个设备将各自的最佳波束对准PCP，随后进行的波束形成由两个步骤组成：设备与设备链路构建和波束搜寻，此外波束跟踪阶段为可选步骤。由于波束形成之前，每个设备都将各自的最佳波束对准网络控制器，所以设备与设备链路构建的目的是建立起两个设备之间的通信，使得相互之间可以传输基本的命令帧。波束搜索有两步组成：扇区级搜索和波束级搜索，扇区级搜索的目的是寻找发射机和接收机的最佳扇区对，波束级搜索的目的是进一步获取最佳波束对。

每个阶段扇区和波束的划分通过波束码本进行，码本是一个矩阵，它的每一列都规定了一个权值向量，通过该向量可以获得一个图样或者方向，所有向量规定的图样可以覆盖设备周围360°的区域。设天线阵列是一维均匀线阵(ULA)，该天线阵有M个天线元，所需生成的图样数目为K，天线元之间的间隔为半波长，则码本矩阵中每个元素的值由以下等式规定：

$W(m,k)=j^{\mathrm{floor}\left\{\frac{m\×\mathrm{mod}(k+(K/2),K)}{K/4}\right\},}$ m＝0，…，M-1；k＝0，…，K-1

其中函数floor返回小于或者等于变量的最大整数，函数mod是求余函数，mod(X，Y)返回X除以Y的余数。特别地，若K＝M/2，则码本矩阵的元素由以下等式规定：

$W(m,k)=\left\{\begin{array}{cc}{(-j)}^{\mathrm{mod}(m,K)},& m=0,...,M-1\mathrm{andk}=0\\ j^{\mathrm{floor}\left\{\frac{m\×\mathrm{mod}(k+(K/2),K)}{K/4}\right\}},& m=0,...,M-1\mathrm{andk}=1,...,K-1\end{array}\right.$

举例说明，设M＝2，K＝4，此时码本矩阵为：

$W_D=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ -1& -j& 1& j\end{array}\right]$

得到的波束图样如图2所示。

设备与设备链路构建阶段有4个子步骤组成：准全向图样训练、准全向图样反馈、准全向图样到扇区图样映射和确认(ACK)阶段。在训练期，接收机接收发射机发射的训练序列，根据估计到的SINR决定最佳发射接收准全向对，该选择在反馈期反馈给发射机，此阶段之后发射机和接收机都获知了各自及对方的最优图样，然后在准全向图样到扇区图样映射期内，收发设备交换各自的映射信息，紧随其后是确认阶段。

扇区级搜索和波束级搜索的操作过程类似于链路建立阶段，都由4个子阶段构成：训练阶段、反馈阶段、映射阶段和确认阶段。区别在于根据每个映射阶段的信息不同，搜索区域会有改变：扇区级搜索是在最优准全向图样对中寻找最佳扇区对，而波束级搜索是在最佳扇区对中搜索最佳波束对。

波束跟踪阶段用来跟踪由于信道随时间改变带来的发射和接收权重向量的变化。通过采用波束跟踪，就算最优波束丢失之后也不需要立即进行重新匹配。在跟踪阶段，搜索阶段选择的波束对被认为是中心波束，中心波束和它相邻的波束被组建成簇，整个簇在此阶段会周期性动态地调整，以适应最佳链路质量。

在波束形成的每个步骤中的第一个子阶段即训练阶段，训练序列由同步序列和信道估计序列构成，它由128比特Golay序列的32次重复构成。一方面该序列只单纯的用来估计，而并没有充分利用信道估计序列做信道估计获取信道状态信息(CSI)；另一方面基于码本的波束形成算法获取的最终波束图样角度信息相对于基于自适应算法获得的到达角度信息(DOA)来说还不够精确。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能有效消除共信道干扰，增加天线增益以及提高整个链路吞吐量的短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，包括三个步骤：发射机与接收机链路构建，扇区级图样搜索和波束级图样搜索，每个步骤包括四个阶段：训练阶段、反馈阶段、映射阶段和确认阶段，所述波束级图样搜索中，还包括如下步骤：

(1)在训练阶段后新增空闲时隙，在所述空闲时隙内，利用训练序列进行信道估计和干扰信号到达角度估计；

(2)根据步骤(1)中的信道估计和干扰信号达到角度估计计算生成最优权值向量，此权值向量为接收机的权值向量；

(3)在反馈阶段将步骤(2)中生成的最优权值向量反馈给发射机，此权值向量的共轭值为发射机的权值向量；

(4)发射机和接收机使用此权值向量对各自的天线阵加权，即形成干扰抑制波束图样。

为了使接收端更为有效的进行信道(CSI)估计和必要的到达角度(DOA)估计，步骤(1)中所述的空闲时隙长度等于一个帧间间隔时间

为了使波束图样更为精确，同时使得该扇区使用的波束图样更窄以降低收发机的功耗，结合训练阶段的信道状态信息计算得到最优权值向量，从而进行联合优化，步骤(2)中计算生成最优权值向量的方法包括如下步骤：

I、设发射机和接收机的天线阵阵元数目相等，均为N，发射机的一根天线重复发送训练序列N次，接收机的N根天线分别接收对应的一次训练序列，则第k个训练序列的向量为接收机第n根天线的信道冲激响应向量为

其中s^k(l)为发射信号在第l个时刻的采样值，L为最大采样时间；

II、设在训练阶段，信道统计特性不变，即h^k(l)＝h(l)和s^k(l)＝s(l)，并且定义信道冲激响应矩阵为：

其中，N为天线阵列的阵元数；则接收信号

其中，

为信道中的有用信号，

为干扰信号，

为噪声；

III、步骤II中的接收信号被权值向量

加权后的采样输出为

其中w＝[w₁，…，w_N]^T，所述公式用矩阵表示为：

两边同时左乘得到接收信号的估计值：

根据估计到的每个天线元的结果可以计算出最优权值向量。

为了计算最优权值向量更加精确，步骤III中计算最优权值向量使用最大信干比准则，最大信干比为期望信号的功率比上干扰信号的功率和噪声功率之和，定义式如下所示：

其中为接收信号功率，

为噪声功率，R_hh为信道冲激响应矩阵，R_ii为干扰信号自相关矩阵。

为了实现最优向量值在接收机端的应用，步骤(4)中所述的接收机对天线阵加权的方法为：对于对称信道，接收机根据最优权值向量对天线阵的连续相位进行调整；对于非对称信道，接收机根据最优权值向量对接收机天线阵加权，加权后的接收机图样即为最优图样，此后的反馈阶段接收机在其最优图样方向上向发射机发射训练序列，发射机同样采用上述机制计算发射机天线阵的加权向量。

进一步的，所述发射机与接收机链路构建步骤包括：

(1)发射机与接收机分别与网络控制器交换各自的最佳波束图样，网络控制器通知发射机与接收机进行波束形成；

(2)发射机和接收机进行设备与设备链路构建，使得相互之间可以传输基本的命令帧，则发射机与接收机链路构建完成。

进一步的，所述的扇区级图样匹配步骤采用基于码本的波束形成方法。

有益效果：本发明结合训练阶段的信道状态信息计算得到最优权值向量，从而对发射机和接收机的波束进行联合优化，有效消除共信道干扰，增加天线增益以及提高整个链路吞吐量；本发明得到的波束图样精确，使得扇区级图样使用的波束更窄，从而收发机功耗降低；本发明应用于通信环境为视距传输时，使设备间干扰和功率消耗降低。

附图说明

图1为波束形成的系统模型；

图2为现有技术中基于码本矩阵获得的波束图样；

图3为本发明的应用场景结构图；

图4为现有技术中训练阶段的帧格式；

图5为本发明的训练阶段的帧格式；

图6为本发明实施例1的流程图；

图7为本发明和现有技术产生的波束图样比较。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：本发明提供一种短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，包括三个步骤：发射机与接收机链路构建，扇区级图样搜索和波束级图样搜索，每个步骤包括四个阶段：训练阶段、反馈阶段、映射阶段和确认阶段，所述波束级图样搜索中，还包括如下步骤：

(1)在训练阶段后新增空闲时隙，在所述空闲时隙内，利用训练序列进行信道估计和干扰信号到达角度估计；

(2)根据步骤(1)中的信道估计和干扰信号达到角度估计计算生成最优权值向量，此权值向量为接收机的权值向量；

(3)在反馈阶段将步骤(2)中生成的最优权值向量反馈给发射机，此权值向量的共轭值为发射机的权值向量；

(4)发射机和接收机使用此权值向量对各自的天线阵加权，即形成干扰抑制波束图样。

在具体实施过程中，应用场景如图3所示，在60GHz无线网络中包含一个作为协调器的网络控制器和4个子设备，设备1和设备2为有效通信设备对，每个设备具有个数为N的均匀排列天线线阵，设备3和设备4为干扰。由于60GHz系统的天线阵能够提供较高的天线增益以及空间复用能力，因此本系统的不同设备对可以共享同一个信道。

本实施例按如下步骤进行，如图6所示：

1、设备1和设备2分别与网络控制器交换各自的最佳波束图样，网络控制器通知设备1和设备2进行波束形成；然后，设备1和设备2进行设备与设备链路构建，建立起两个设备之间的通信，使得相互之间可以传输基本的命令帧；设备3和设备4作为干扰源存在。

2、设备1和设备2进行扇区级图样匹配，该阶段采用原标准中基于码本的波束形成方法。

3、在波束级图样匹配阶段，作为发射机的设备1选取其中一根天线，发射机重复发送N次训练序列；接收机一次切换每根天线，接收一次训练序列；并在空白时隙内进行信道估计，得到各自的信道冲激响应，并得到天线阵的冲激响应矩阵

下面，对于波束级图样匹配做进一步说明：

波束级图样匹配步骤包括训练阶段、反馈阶段、映射阶段和确认阶段，在现有技术中，训练阶段的帧格式如图4所示，本发明修改后的帧格式如图5所示，在原有帧格式的基础上开辟了一小段时隙，这个时间段用来接收端进行信道(CSI)估计和必要的到达角度(DOA)估计。

设发射机和接收机的天线阵阵元数目相等，均为N，即Nt＝Nr＝N，如图1所示。为了减小运算复杂度和功耗开销，在训练阶段，发射机只选中一根天线，采用本发明的算法机制对波束形成进行改进。

根据码本矩阵的定义，该矩阵每一列为一加权向量，列向量的各元素分别对应每个天线元上的权值，因此在选择天线时可以设计码本矩阵如下所示，设此时选择第k跟天线：

$\left[\begin{array}{ccccc}0& ...& 0& ...& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 0& ...& 1& ...& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 0& ...& 0& ...& 0\end{array}\right]$

该天线重复发送训练序列N次，接收端的N根天线分别接收对应的一次训练序列，并进行信道估计。

设第k个训练序列用向量

表示，接收机第n根天线根的信道冲激响应为向量

和

分别表示如下：

其中s^k(l)为发射信号在第l个时刻的采样值，L为最大采样时间。对于60GHz-OFDM系统，参考信道的测量数据，这里L小于OFDM的保护间隔(约120ns)。设在训练期，信道的统计特性不变，即h^k(l)＝h(l)和s^k(l)＝s(l)。对于N个阵元的天线阵列，定义信道冲激响应矩阵为：

接收信号

包括经过信道的有用信号

干扰信号

和噪声

它们之间的关系表示如下：

该信号被权值向量

加权，式中*表示复共轭，加权之后系向量在模拟域相加，结果AD采样之后的输出为：

其中

w＝[w₁，…，w_N]^T。

用矩阵表示如下：

两边同时左乘

可得到接收信号的估计值：

根据估计到的每个天线元的结果可以计算出最优权值向量。

4、计算得到的接收天线权值向量w＝[w₁，…，w_N]^T。

本发明选择最大信干(SINR)比作为优化准则，SINR定义为期望信号的功率比上干扰信号的功率和噪声功率之和，定义式如下所示：

其中

和

分别是信号和噪声功率，R_hh和R_ii分别是信道冲激响应和干扰信号自相关矩阵。R_ii的值可以通过对干扰信号到达角度(DOA)的估计计算得到，R_hh可以根据信道估计得到的冲激响应向量计算得到。

5、将计算得到该向量在反馈阶段反馈给发射机，该向量的共轭值即为发射机的权值向量，发射机和接收机对各自的天线阵加权，形成波束图样。本发明的波束图样和现有技术产生的波束图样比较，图样更窄，旁瓣更低，结果如图7所示。

6、对于对称信道，接收机根据最优权值向量对天线阵的连续相位进行调整；对于非对称信道，接收机根据最优权值向量对接收机天线阵加权，加权后的接收机图样即为最优图样，此后的反馈阶段接收机在其最优图样方向上向发射机发射训练序列，发射机同样采用上述机制计算发射机天线阵的加权向量。

当设备之间的通信环境为视距传输(LOS)时，本发明的连续相位调整方案可以优先使用以获得更优的通信质量，当环境为非视距(NLOS)时，可以使用IEEE802.15.3c中的方案，选择最优和次优波束对进行通信。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，包括三个步骤：发射机与接收机链路构建，扇区级图样搜索和波束级图样搜索，每个步骤包括四个阶段：训练阶段、反馈阶段、映射阶段和确认阶段，其特征在于，所述波束级图样搜索中，还包括如下步骤：

(1)在训练阶段后新增空闲时隙，在所述空闲时隙内，利用训练序列进行信道估计和干扰信号到达角度估计；

(2)根据步骤(1)中的信道估计和干扰信号达到角度估计计算生成最优权值向量，此权值向量为接收机的权值向量；

(3)在反馈阶段将步骤(2)中生成的最优权值向量反馈给发射机，此权值向量的共轭值为发射机的权值向量；

(4)发射机和接收机使用此权值向量对各自的天线阵加权，即形成干扰抑制波束图样。

2.根据权利要求1所述的短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，其特征在于，步骤(1)中所述的空闲时隙长度等于一个帧间间隔时间。

3.根据权利要求1所述的短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，其特征在于，步骤(2)中计算生成最优权值向量的方法包括如下步骤：

I、设发射机和接收机的天线阵阵元数目相等，均为N，发射机的一根天线重复发送训练序列N次，接收机的N根天线分别接收对应的一次训练序列，则第k个训练序列的向量为

接收机第n根天线的信道冲激响应向量为

其中s^k(l)为发射信号在第l个时刻的采样值，L为最大采样时间；

II、设在训练阶段，信道统计特性不变，即h^k(l)＝h(l)和s^k(l)＝s(l)，并且定义信道冲激响应矩阵为：

其中，N为天线阵列的阵元数；则接收信号

其中，

为信道中的有用信号，

为干扰信号，

为噪声；

III、步骤II中的接收信号被权值向量

加权后的采样输出为

其中

w＝[w₁，…，w_N]^T，所述公式用矩阵表示为：

两边同时左乘得到接收信号的估计值：

根据估计到的每个天线元的结果可以计算出最优权值向量。

4.根据权利要求3所述的短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，其特征在于，步骤III中计算最优权值向量使用最大信干比准则，最大信干比为期望信号的功率比上干扰信号的功率和噪声功率之和，定义式如下所示：

其中

为接收信号功率，

为噪声功率，R_hh为信道冲激响应矩阵，R_ii为干扰信号自相关矩阵。

5.根据权利要求1所述的短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，其特征在于，步骤(4)中所述的接收机对天线阵加权的方法为：对于对称信道，接收机根据最优权值向量对天线阵的连续相位进行调整；对于非对称信道，接收机根据最优权值向量对接收机天线阵加权，加权后的接收机图样即为最优图样，此后的反馈阶段接收机在其最优图样方向上向发射机发射训练序列，发射机同样采用上述机制计算发射机天线阵的加权向量。

6.根据权利要求1所述的短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，其特征在于，所述发射机与接收机链路构建步骤包括：

(1)发射机与接收机分别与网络控制器交换各自的最佳波束图样，网络控制器通知发射机与接收机进行波束形成；

(2)发射机和接收机进行设备与设备链路构建，使得相互之间可以传输基本的命令帧，则发射机与接收机链路构建完成。

7.根据权利要求1所述的短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，其特征在于，所述的扇区级图样匹配步骤采用基于码本的波束形成方法。

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