CN103269491B - 一种基于毫米波高速通信的中继覆盖选择算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毫米波高速通信的中继覆盖选择算法，以PCP/AP为坐标原点建立极坐标系，将极坐标系平均划分为若干扇区进行扫描，获取每个设备所在的扇区及各设备与PCP/AP的距离，得到两通信设备的公共覆盖范围，同时估算出阻挡物可能的阻挡范围，余下的部分即为中继设备具有信任度的范围，查找出所有满足具有信任度范围条件的备选设备，基于链路等效最大速率筛选法，依次从扇区满足具有信任度范围条件的备选设备中查找；本发明计算出通信设备的公共覆盖范围和障碍物可能阻挡的范围，得到具有信任度的中继设备范围，在备选设备中顺序查找符合中继设备速率条件的设备，作为中继节点，解决了毫米波通信网络易受障碍物影响的问题，保证高速无线传输链路的通畅。

Description

一种基于毫米波高速通信的中继覆盖选择算法

技术领域

本发明涉及超高速无线个域网通信技术领域，具体涉及一种基于毫米波高速通信的中继覆盖选择算法。

背景技术

WPAN是一种将个人电脑、打印机、存储设备、数码相机和高清数字电视（HighDefinition Television，HDTV）等设备连接起来的短距离（小于10米）通信无线网络。某些应用场景对传输速率有较高的要求，譬如超高速无线个域网的一个应用场景——家庭影院，由于无压缩高清视频和大容量数据文件（例如高清图片、无损音乐等）要求吉比特每秒（Gbps）级的传输速度，而当前的无线个域网、无线局域网技术（例如UWB(UltraWideband，超宽带)、蓝牙(Bluetooth)、IEEE802.11n等）支持的速率都低于1Gbps，无法达到要求，所以不适合应用到这些场景中。为此众多国家和地区相继在60GHz附近划分出5～9GHz的未授权连续频段，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。

毫米波技术适用于速率为Gbps级的WPAN主要有下面几个原因：1、毫米波处于高频率连续性未授权频段，这使得在可用带宽内高速数据传输成为可能；2、毫米波信号虽然具有高衰减性，但采用的是定向天线传输数据，因此适用于室内WPAN应用；3、由于毫米波的波长为5毫米左右，可以将大量的天线元集成到天线阵列模版上面，再通过波束形成阶段达到更高的链路预算。因此包括中国在内的众多国家和地区相继在60GHz附近划分出5～9GHz的频段，用于支持WPAN传输技术的研究，可以预见，未来60GHz将成为WPAN技术的主要战场。然而，在拥有巨大优势的同时，毫米波技术的缺点也相当明显：穿透性较差，这使得LOS链路容易受室内人为活动的影响，所以有必要采取中继技术保证链路的畅通。

现有的基于位置信息的中继选择算法主要有：

1）Lin Z等人基于编码协作协议下，分析并提出了协作区域的概念。当各移动终端和目的节点都已知自身的位置信息的时候，用户协作区域依赖于源S到目的D的距离，具体地说就是以目的节点为圆心的一个圆。

2）基于位置信息的Lin Z等人基于编码协作协议下，分析并提出了协作区域的概念和GeRaF算法。算法中假定所有节点都知道自己的位置信息，源节点S首先广播一条包含自己和目的节点D位置信息的消息，所有活动节点监听到消息后，比较自己与目的节点的距离，离目的节点最近的节点接收数据并转发，然后第一个中继节点转为源节点角色，转发前同样广播一条包含自己位置信息和目的节点信息的消息，如此循环，直到中继到目的节点，当候选中继节点到源节点之间的距离确定时，则最佳中继就是距离目的节点最近的节点。

以上算法都基于准确的位置信息，而在毫米波高速无线网中，移动设备的精确位置很难得到，所以以上算法都不适用于毫米波高速系统。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于为了克服现有技术的不足，提供一种保证LOS链路畅通，防止LOS链路因受到人为干扰导致链路中断的基于毫米波高速通信的中继覆盖选择算法。

技术方案：本发明所述的一种基于毫米波高速通信的中继覆盖选择算法，包括如下步骤：

（1）以PCP/AP为坐标原点建立极坐标系，将极坐标系平均划分为若干扇区进行扫描，PCP/AP与每个扇区的设备进行波束形成，获取每个设备所在的扇区及各设备与PCP/AP的距离，建立扇区-设备-距离统计表；

（2）根据Friis公式计算正在通信的两个设备的传输辐射距离，得到两通信设备的公共覆盖范围；同时根据两通信设备所在位置，估算出阻挡物可能的阻挡范围，即非信任的中继设备区域，两通信设备的公共覆盖范围排除阻挡物可能的阻挡范围，余下的部分即为中继设备具有信任度的范围；

（3）PCP/AP在扇区-设备-距离统计表中查找出所有满足具有信任度范围条件的备选设备；

（4）基于链路等效最大速率筛选法，依次从扇区满足具有信任度范围条件的备选设备中开始查找，进行如下判定：

①如果备选设备的中继链路等效速率大于原LOS链路传输速率，则选该设备作为中继设备；

②如果备选设备的中继链路等效速率小于原LOS链路传输速率，则查找下一扇区，直到中继链路等效速率大于原LOS链路传输速率为止；

③如果所有扇区中都没有满足速率选择条件的中继设备，则选择具有最大等效速率的设备作为中继设备。

进一步，步骤（2）中所述根据Friis公式计算正在通信的两个设备的传输辐射距离d：

$\lg \left(d\right)=\frac{G_t+G_r+P_t-P_r-20\lg \left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}{10\mathrm{\ρ}}$

其中，G_t为发送天线增益，G_r为接收天线增益，单位均为dBi；P_t为发射功率，P_r为接收功率，单位均为dBm；λ为信号的波长，单位均为米；ρ是链路损耗指数，取ρ＝2。

为了得到阻挡物可能的阻挡范围，具体步骤如下：令两个正在通信的设备为源设备S和目的设备D，极坐标分别为和 θ₁为源设备S所在扇区的起始角度，δ为每个扇区的角度，,θ₁+δ为源设备S所在扇区的终止角度，表示的是源设备S所属扇区，同理，表示目的设备D所属扇区；在极坐标系中，令S和D连线上任意一点的极坐标为(r,θ)，有

a、当源设备S和目的设备D在同一扇区时，如图5（a）所示，阻挡物可能的阻挡范围σ（阴影部分）为

σ∈[r₂,r₁],θ∈[θ₂,θ₁+δ]

b、当源设备S和目的设备D在相邻扇区时，如图5（b）所示，阻挡物可能的阻挡范围σ（阴影部分）为

$\mathrm{\σ}\∈\left\{\begin{array}{c}[r_2,a_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2,{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ})\\ [a_2,r_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ})\end{array}\right.$

c、当源设备S和目的设备D在相对扇区时，如图5（c）所示，阻挡物可能的阻挡范围σ（阴影部分）为

$\mathrm{\σ}\∈\left\{\begin{array}{c}[0,b_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ},2\mathrm{\π})\∪[0,{\mathrm{\θ}}_2)\\ [0,b_2],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ},{\mathrm{\θ}}_1)\\ [0,r_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ})\\ [0,r_2],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2,{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ})\end{array}\right.$

d、当源设备S和目的设备D在其他情况时，如图5（d）所示，阻挡物可能的阻挡范围σ（阴影部分）为

$\mathrm{\σ}\∈\left\{\begin{array}{c}[b_1,b_2],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ},{\mathrm{\θ}}_1)\\ [b_1,r_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ})\\ [b_1,r_2],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2,{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ})\end{array}\right.$

其中， $a_1=\frac{r_1{r}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{r_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})+r_2\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_2)},$ $a_2=\frac{r_1{r}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{r_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ}-\mathrm{\θ})+r_2\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\δ})},$ $b_1=\frac{r_1{r}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\δ})}{r_1\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\δ})+r_2\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\θ})},$ $b_2=\frac{r_1{r}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\δ})}{r_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})+r_2\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\δ})}.$

有益效果：1、在毫米波高速无线网中，设备及阻挡物的精确位置信息很难获得，本发明只需计算出通信设备的公共覆盖范围和障碍物可能阻挡的范围，得到具有信任度的中继设备范围，在备选设备中顺序查找符合中继设备速率条件的设备，作为中继节点，解决了毫米波通信网络易受障碍物影响的问题，保证高速无线传输链路的通畅；2、本发明把通信设备的位置关系进行分类，每种位置关系都有其对应固定的阻挡范围计算公式，只需要确定通信设备是何种位置关系即可推算出受信任的中继设备，减少了候选中继设备数，不需要向PCP/AP申请筛选所有设备，节省了波束形成、信道质量检测工作和反馈工作，减少不必要的中继选择时间，降低计算代价和系统开销。

附图说明

图1为本发明实施例中的应用场景LOS链路受阻示意图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为本发明实施例的极坐标图；

图4为本发明为了得到源设备和目的设备连线上任意一点坐标的推算极坐标示意图；

图5（a）为本发明源设备和目的设备处于相同扇区情况下的阻挡物阻挡范围示意图；

图5（b）为本发明源设备和目的设备处于相邻扇区情况下的阻挡物阻挡范围示意图；

图5（c）为本发明源设备和目的设备处于相对扇区情况下的阻挡物阻挡范围示意图；

图5（d）为本发明源设备和目的设备不在同一、相邻、相对扇区情况下的阻挡物阻挡范围示意图。

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：本实施例中的应用场景为超高速无线个域网的一个应用场景—家庭影院，如图1所示，在60GHz无线网络中包含一个作为主协调器的主控设备PCP/AP和8个设备，设备的发射功率为10dBm，发射天线增益和接收天线增益均为10.1915dBi，信号波长为5mm，信道带宽为2GHz，采用IEEE802.11ad中的MCS11，接收灵敏度为-54dBm，链路损耗指数ρ＝2。源设备S和目的设备D在信道上进行通信，接着有人从源设备S和目的设备D之间经过，导致源设备S和目的设备D之间的LOS链路中断，图1中间的黑色竖线表示障碍物所在区域，STA为其他备选中继设备。

一种基于毫米波高速通信的中继覆盖选择算法，如图2所示，包括如下步骤：

（1）在波束形成阶段，如图3所示，以PCP/AP为坐标原点建立极坐标系，以PCP/AP为中心每隔30°划分为一个扇区，共12个扇区，源设备S、目的设备D、备选设备STA1、STA2、STA3、STA4、STA5和STA6都有其所属扇区，阴影部分表示阻挡物可能的阻挡范围，为以逆时针方向对扇区进行编号，依次为1、2、…、12，PCP/AP按编号依次对每个扇区进行扫描，与每个扇区的设备进行波束形成，从而获取每个设备所在的扇区及各设备与PCP/AP的距离，建立扇区-设备-距离统计表，如表1所示：

表1扇区-设备-距离统计表

（2）根据Friis公式计算在通信的源设备S和目的设备D的传输辐射距离d：

$\lg \left(d\right)=\frac{G_t+G_r+P_t-P_r-20\lg \left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}{10\mathrm{\ρ}}$

其中，G_t为发送天线增益，G_r为接收天线增益，单位均为dBi；P_t为发射功率，P_r为接收功率，单位均为dBm；λ为信号的波长，单位均为米；ρ是链路损耗指数，取G_t=G_r=10.1915dBi，P_t=10dBm，λ=0.005m，ρ＝2，计算得到d=10.98m；

PCP/AP的覆盖定向半径为12米，在BSS系统范围内，根据源设备S和目的设备D的传输辐射距离d得到源设备S和目的设备D都可以跟BSS系统中其他备选设备进行通信，所以整个BSS覆盖范围即为设备S和设备D的公共覆盖范围；

令源设备S和目的设备D的极坐标分别为和 θ₁为源设备S所在扇区的起始角度，δ为每个扇区的角度，,θ₁+δ为源设备S所在扇区的终止角度，表示的是源设备S所属扇区，同理，表示目的设备D所属扇区，在极坐标系中，令S和D连线上任意一点的极坐标为(r,θ)，如图4所示，有

简化上式，得到

因源设备S和目的设备D不在同一、相邻或相对扇区，故阻挡物可能的阻挡范围σ，即非信任的中继设备区域为

$\mathrm{\σ}\∈\left\{\begin{array}{c}[b_1,b_2],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ},{\mathrm{\θ}}_1)\\ [b_1,r_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ})\\ [b_1,r_2],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2,{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ})\end{array}\right.$

其中， $b_1=\frac{r_1{r}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\δ})}{r_1\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\δ})+r_2\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\θ})},$ $b_2=\frac{r_1{r}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\δ})}{r_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})+r_2\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\δ})};$ 带入数值得到：

$\mathrm{\σ}\∈\left\{\begin{array}{c}\left[\mathrm{0,10}\right],\mathrm{\θ}\∈[0,\frac{\mathrm{\π}}{6})\\ [0,\frac{4}{\sin \mathrm{\θ}}],\mathrm{\θ}\∈[\frac{\mathrm{\π}}{6},\frac{5\mathrm{\π}}{6})\\ \left[\mathrm{0,10}\right],\mathrm{\θ}\∈[\frac{5\mathrm{\π}}{6},\mathrm{\π})\end{array}\right.$

两通信设备的公共覆盖范围排除阻挡物可能的阻挡范围，余下的部分即为中继节点具有信任度的所在范围；

（3）PCP/AP在扇区-设备-距离统计表中查找出所有满足具有信任度范围条件的备选设备：STA2、STA3、STA4和STA6；

（4）在STA2、STA3、STA4和STA6中，基于链路等效最大速率筛选法，依次从扇区满足具有信任度范围条件的备选设备中开始查找，进行如下判定：

STA2、STA3、STA4和STA6分别在扇区2、扇区4、扇区5和扇区9，图2中，i依次取值2，4，5，9，j依次取值4，5，9，N=9，依次查找扇区2、扇区4、扇区5和扇区9中的备选设备的中继链路等效速率，大于原LOS链路传输速率，则选该设备作为中继设备；如果备选设备的中继链路等效速率小于原LOS链路传输速率，则查找下一扇区，直到中继链路等效速率大于原LOS链路传输速率为止；如果所有扇区中都没有满足速率选择条件的中继设备，则选择具有最大等效速率的设备作为中继设备。

假设系统支持的MCS集对应传输速率表如表2所示：

表2支持的MCS集对应传输速率表

从而得到STA2、STA3、STA4和STA6的中继链路等效传输速率均为1.925Gbps，都可选作为中继设备。

如上，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 (2)

1.一种基于毫米波高速通信的中继覆盖选择算法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)以PCP/AP为坐标原点建立极坐标系，将极坐标系平均划分为若干扇区进行扫描，PCP/AP与每个扇区的设备进行波束形成，获取每个设备所在的扇区及各设备与PCP/AP的距离，建立扇区-设备-距离统计表；

(2)根据Friis公式计算正在通信的两个设备的传输辐射距离，得到两通信设备的公共覆盖范围；同时根据两通信设备所在位置，估算出阻挡物可能的阻挡范围，即非信任的中继设备区域，两通信设备的公共覆盖范围排除阻挡物可能的阻挡范围，余下的部分即为中继设备具有信任度的范围；

令两个正在通信的设备为源设备S和目的设备D，极坐标分别为和 θ₁为源设备S所在扇区的起始角度，δ为每个扇区的角度，θ₁+δ为源设备S所在扇区的终止角度，表示的是源设备S所属扇区，同理，表示目的设备D所属扇区；在极坐标系中，令S和D连线上任意一点的极坐标为(r,θ)，有

a、当源设备S和目的设备D在同一扇区时，阻挡物可能的阻挡范围σ为

σ∈[r₂,r₁],θ∈[θ₂,θ₁+δ]；

b、当源设备S和目的设备D在相邻扇区时，阻挡物可能的阻挡范围σ为

$\mathrm{\σ}\∈\left\{\begin{array}{c}[r_2,a_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2,{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ})\\ [a_2,r_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ})\end{array}\right.;$

c、当源设备S和目的设备D在相对扇区时，阻挡物可能的阻挡范围σ为

$\mathrm{\σ}\∈\left\{\begin{array}{c}[0,b_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ},2\mathrm{\π})\∪[0,{\mathrm{\θ}}_2)\\ [0,b_2],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ},{\mathrm{\θ}}_1)\\ [0,r_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ})\\ [0,r_2],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2,{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ})\end{array}\right.;$

d、当源设备S和目的设备D不在同一、相邻、相对扇区时，阻挡物可能的阻挡范围σ为

$\mathrm{\σ}\∈\left\{\begin{array}{c}[b_1,b_2],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ},{\mathrm{\θ}}_1)\\ [b_1,r_1],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ})\\ [b_1,r_2],\mathrm{\θ}\∈[{\mathrm{\θ}}_2,{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\δ})\end{array}\right.,$

其中， $a_1=\frac{r_1{r}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{r_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})+r_2\sin \left(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_2\right)},a_2=\frac{r_1{r}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{r_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\δ}-\mathrm{\θ})+r_2\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\δ})},$ $b_1=\frac{r_1{r}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\δ})}{r_1\sin ({\mathrm{\θ}-\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\δ})+r_2\sin \left({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\θ}\right)},b_2=\frac{r_1{r}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\δ})}{r_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})+r_2\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\δ})};$

(3)PCP/AP在扇区-设备-距离统计表中查找出所有满足具有信任度范围条件的备选设备；

(4)基于链路等效最大速率筛选法，依次从扇区满足具有信任度范围条件的备选设备中开始查找，进行如下判定：

①如果备选设备的中继链路等效速率大于原LOS链路传输速率，则选该设备作为中继设备；

②如果备选设备的中继链路等效速率小于原LOS链路传输速率，则查找下一扇区，直到中继链路等效速率大于原LOS链路传输速率为止；

③如果所有扇区中都没有满足速率选择条件的中继设备，则选择具有最大等效速率的设备作为中继设备。

2.根据权利要求1所述的基于毫米波高速通信的中继覆盖选择算法，其特征在于：步骤(2)中所述根据Friis公式计算正在通信的两个设备的传输辐射距离d：

$\lg \left(d\right)=\frac{G_t+G_r+P_t-P_r-20\lg \left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}{10\mathrm{\ρ}},$

其中，G_t为发送天线增益，G_r为接收天线增益，单位均为dBi；P_t为发射功率，P_r为接收功率，单位均为dBm；λ为信号的波长，单位均为米；ρ是链路损耗指数，取ρ＝2。