CN105978614A - 一种毫米波系统定向天线空间复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波系统定向天线空间复用方法，首先定义信息收集机制和评估准则，然后执行如下步骤：步骤1，将波束成形过程中收发端的波束索引对反馈给PCP/AP，形成波束索引对信息表BFT；步骤2，将波束索引对信息表BFT转化为链路波束差值表LDT；步骤3.执行空间复用调度算法，生成最优的链路调度方法；步骤4.PCP/AP将生成方案通过BTI发送给各STA，STA在下一个SP期间执行。本发明减少链路与链路之间信号干扰的探测时间，设计了简单易判有效的评价准则，提出可行快速有效的调度方案，能有效提高空间复用增益，从而提高整个毫米波系统的吞吐量。

Description

一种毫米波系统定向天线空间复用方法

技术领域

本发明涉及一种毫米波波束成形过程中收发波束索引对的空间复用方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

毫米波(mmWave)通信技术一直是学术界、工业界、标准界共同关注的热点选题。近几年，美国联邦通信委员会(FCC)考虑授权LMDS频段(27.5GHz-28.35GHz、29.1GHZ-29.25GHz、31GHZ-31.3GHz)、32GHz频段、39GHz频段、37GHz-41GHz频段和60GHz频段用于未来的5G服务，E-Band(70GHz-80GHz)可提供连续带宽(1-2GHz)，满足5G技术中10Gbit/s峰值速率和100Mbit/s-1Gbit/s小区边缘速率的要求，成为5G技术背后具有“行业吸引力”的活力技术之一。各大标准组织不断推出对毫米波无线通信技术的草案及标准如IEEE802.15.3c，IEEE802.11ad，ECMA-387，以及中国以45G频段为主导的IEEE802.11aj标准。

尽管毫米波能够支持Gbps级超高速数据传输，但是毫米波频段传输损耗大，传输范围有限的，仅适用于高速短程通信，例如高清电视或者大量数据存储同步。由于毫米波的波长小，许多小天线可以组装和排列在一个小芯片上，波束成形、定向传输是克服衰减的重要研发技术领域。

由于定向侦听和传播，在波束范围外的设备接收到的信号强度通常就很小，这样就减少邻近链路传播之间的干扰，利用这一特性，可以显著增强空间复用，即可以安排相互干扰小的链路在同一时间、同一信道上并发传输，从而提高网络的容量。

与本发明相关的现有技术一

在现有的标准中，规定了进行空间复用的DEV在进行空间复用之前，需要随机选择服务期(SP)中的链路源DEV和目的DEV在对应服务期中进行空间复用测量，再将测量结果反馈给PCP/AP，PCP/AP根据反馈的测量结果来决定这些链路能否进行复用。这种盲选择过程的效率很低，在这种方案中一个服务期内最多有两条链路进行复用，降低了空间复用的效率，而且在测量的过程中也会产生额外的信令开销，降低整个系统的通信效率。同时，现有的标准中并没有具体的空间复用评估标准，具体的准则根据具体的应用来定。

与本发明相关的现有技术二

CN103199906A公开了一种毫米波高速通信系统波束扇区侦听的空间复用方法，当参与波束形成的设备发送训练序列时，其他设备以全向天线模式侦听信号，并根据对发送设备每个扇区的侦听结果建立一个表：设备在请求SP时，把各自的波束形成得到的最佳发送扇区以及本地的扇区侦听表报告给PCP/AP。将这些信息存储起来，这样PCP/AP具有所有需要在SP中通信的设备的扇区侦听表，可以在不指示设备进行空间复用测量的情况下，获得链路间的干扰情况，从而有效的选择链路进行空间复用。然而，该方法也存在着一些不足：(1)其他设备接收端需要全向接收信号，当采用定向天线时，将会造成干扰信号的判定不准确。(2)设备需要在信号传输期传输前需要将所有设备作为一次源设备检测并扫描每个扇区记录扇区侦听表，这就需要花费额外的时间。

与本发明相关的现有技术三

CN104184504A公开了一种毫米波通信空间复用传输方法及毫米波通信设备，包括：毫米波通信设备发起与目标设备的高速数据通信，通过低频段通信模块向目标设备发送波束成形请求，如通过所述低频段通信模块接收到所述目标设备发送的确认响应，并获知存在非目标设备正在进行与毫米波通信设备发起的高速数据通信同频段的高速数据通信，则配置一低于默认功率的发射功率进行波束扫描。此发明使用低频段通信模块为波束成形提供控制信令连接和波束扫描初始化信息，通过低频段通信模块的支持，可以方便地完成波束成形并进行定向性传输，并降低对现有传输链路的干扰，从而实现空间复用传输。该专利申请中仅侧重于硬件方面，有效减少了效率的花费，对于在资源分配中提高空间复用的增益没有涉及。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供面向毫米波个域网的基于波束成形收发波束对的空间复用的方法，一种不依赖于具体硬件，定义明确的空间复用信息收集机制和评判准则，并提出一种快速的调度方案，最大化地提高空间复用的增益。

技术方案：一种毫米波系统定向天线空间复用方法，首先，由于现有的标准中并没有具体的空间复用信息收集机制和评判准则，现在定义信息收集机制如下：由于影响毫米波通信的主要因素多径和传播损耗都取决于终端所处的位置，因此，重复利用相同位置的已有的波束索引对，可以减少大量重复计算的时间。链路在进行波束成形时记录下波束索引对与链路终端位置、信干噪比等信息一起上报给PCP/AP的中心站点，中心站点将这些信息收集以后，以位置信息为索引建立一个波束成形适配信息表。通过记忆历史波束成形适配信息，根据位置信息在需要的时候直接调用。当需要进行空间复用时，首先搜索波束成形适配信息表，根据地理位置信息判断该位置是否存在已经完成的波束索引对，如果存在，则直接调用收集到的结果，然后根据评判准则判定链路是否能够空间复用；如果不存在或者无法正确获取适配信息表中的信息，则首先需要完成波束成形，然后将波束成形的信息上报存入中心模块，存入表中。

评估准则定义如下：假设链路k的发射端和接收端分别为i和j，记为R_k＝r_i→j，链路l的发射端和接收端分别为u和v，记为R_l＝r_u→v。定义参数Δ1来表示u→v，u→j链路的发射索引号差值，定义参数Δ2来表示i→j，u→j的接收索引号差值。Δ定义为Δ1与Δ2的较大值。具体Δ1的表达式如公式(1)所示，Δ2的表达式如公式(2)所示，Δ的表达式如公式(3)所示。其中，M表示波束总数，p(i,j)表示发射端i与接收端j组成的链路的进行通信时使用的最佳发送波束索引号，q(i,j)表示发射端i与接收端j组成的链路的进行通信时使用的最佳接收波束索引号。

Δ₁＝Δ_u→j,v＝min(||p(u,v)-p(u,j)||,M-||p(u,v)-p(u,j)||) (1)

Δ₂＝Δ_i,u→j＝min(||q(i,j)-q(u,j)||,M-||q(i,j)-q(u,j)||) (2)

Δ(R_k,R_l)＝max(Δ₁,Δ₂) (3)

链路l对链路k存在干扰，即链路k的接收端能接收到链路l的发射端发出的信号。具体来说就是同时满足：(1)j在u的发射范围内，u→v，u→j链路的发射索引号差值Δ1为0。(2)u在j的接收范围内，i→j，u→j链路的接收索引号差值Δ2为0。若同时满足上述条件，则存在干扰。即若Δ＝0，则链路l对链路k存在干扰，不能共存，否则能共存。

接下来确定毫米波定线天线空间复用的方法，包括如下步骤：

步骤1，将波束成形过程中收发端的波束对反馈给PCP/AP，形成波束索引对信息表BFT，表的大小为(node*node)，node表示WPAN系统中的总设备数。BFT(i，j)＝(p，q)，表示i作为发射端，j作为接收端组成的链路发射端i的发射索引号为p，接收端j的接收索引号为q。

步骤2，将波束索引对信息表BFT转化为链路波束差值表LDT。表的大小为(K*K)，K表示WPAN系统中的总链路数。LDT(k,l)，表示链路l对链路k的干扰差值。LDT的表达式如公式(4)所示。

波束索引对信息表BFT转化为链路波束差值表LDT的具体方法为：首先令LDT(k,k)＝0,k＝1,2,...,K，接着链路k＝1开始，计算链路k与其他所有链路的LDT(k,l),l＝1,2,...k-1,k+1,...K值，存入LDT，依次增加k，直到k达到链路总数K为止，返回链路波束差值表LDT。

步骤3.执行空间复用调度算法，快速生成链路调度方法。

假设PCP/AP已在信标间隔的DTI中分配T个服务期SP，记为S＝{S_t|1≤t≤T}链路总数为K，第t个服务期中安排的链路集为Φ(t)，首先令Φ(t)的链路集均为空，接着从第一个服务期开始，从中随机选择一条链路i，存入Φ(1)的集合中，选择LDT第i行中最大的Δ值，对应为第j列，如果Δ大于0，判断链路j与Φ(1)中链路能否共存，如果能共存，则把链路j存入Φ(1)中，令LDT(i,j)＝0，否则直接令LDT(i,j)＝0，如此循环，直到Δ等于0为止，服务期加1重复同样操作，直到最后一个服务期为止。

步骤4.PCP/AP将生成方案通过BTI发送给各STA，STA在下一个SP期间执行。

有益效果：与现有技术方法相比，本发明提出的基于波束成形收发波束索引对的空间复用办法，减少链路与链路之间信号干扰的探测时间，设计了简单易判有效的评价准则，提出可行快速有效的调度方案，能有效提高空间复用增益，从而提高整个毫米波系统的吞吐量。

附图说明

图1为一个典型60GHz个域网的示意图；

图2为上报PCP/AP的信令图；

图3为根据地理位置判断的信令图；

图4为无法根据地理位置判断的信令图；

图5为WPAN链路共存场景图；

图6为本发明的空间复用流程图；

图7为链路波束差值表确定流程图；

图8为链路调度流程图；

图9为设备通信的链路波束差值表LDT；

图10为链路调度的可行调度方案图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

首先，由于现有的标准中并没有具体的空间复用信息收集机制和评判准则，现在定义信息收集机制如下：由于影响毫米波通信的主要因素多径和传播损耗都取决于终端所处的位置，因此，重复利用相同位置的已有的波束索引对，可以减少大量重复计算的时间。链路在进行波束成形时记录下波束索引对与链路终端位置、信干噪比等信息一起上报给PCP/AP的中心站点，中心站点将这些信息收集以后，以位置信息为索引建立一个波束成形适配信息表。通过记忆历史波束成形适配信息，根据位置信息在需要的时候直接调用。当需要进行空间复用时，首先搜索波束成形适配信息表，根据地理位置信息判断该位置是否存在已经完成的波束索引对，如果存在，则直接调用收集到的结果，然后根据评判准则判定链路是否能够空间复用；如果不存在或者无法正确获取适配信息表中的信息，则首先需要完成波束成形，然后将波束成形的信息上报存入中心模块，存入表中。

评估准则定义如下：假设链路k的发射端和接收端分别为i和j，记为R_k＝r_i→j，链路l的发射端和接收端分别为u和v，记为R_l＝r_u→v。定义参数Δ1来表示u→v，u→j链路的发射索引号差值，定义参数Δ2来表示i→j，u→j的接收索引号差值。Δ定义为Δ1与Δ2的较大值。具体Δ1的表达式如公式(1)所示，Δ2的表达式如公式(2)所示，Δ的表达式如公式(3)所示。其中，M表示波束总数，p(i,j)表示发射端i与接收端j组成的链路的进行通信时使用的最佳发送波束索引号，q(i,j)表示发射端i与接收端j组成的链路的进行通信时使用的最佳接收波束索引号。

Δ₁＝Δ_u→j,v＝min(||p(u,v)-p(u,j)||,M-||p(u,v)-p(u,j)||) (1)

Δ₂＝Δ_i,u→j＝min(||q(i,j)-q(u,j)||,M-||q(i,j)-q(u,j)||) (2)

Δ(R_k,R_l)＝max(Δ₁,Δ₂) (3)链路l对链路k存在干扰，即链路k的接收端能接收到链路l的发射端发出的信号。具体来说就是同时满足：(1)j在u的发射范围内，u→v，u→j链路的发射索引号差值Δ1为0。(2)u在j的接收范围内，i→j，u→j链路的接收索引号差值Δ2为0。若同时满足上述条件，则存在干扰。即若Δ＝0，则链路l对链路k存在干扰，不能共存，否则能共存。

如图1所示的是典型的60GHz无线个域网，WPAN中一共有N个STA，选择其中一个STA为PCP/AP，负责为全网提供时隙同步以及为STA分配SP等服务。其他STA都均匀分布在WPAN中，两两STA组成一个链路进行通信。在本场景中，包含一个作为协调器的主控设备和4条请求传输的链路。每个STA均采用定向天线中最常见的锥形天线模型，该天线模型包含波束宽度为θ_ml的主瓣和360-θ_ml的旁瓣，并且其主瓣增益和旁瓣增益分别为两个不同的常数值，可以表示为公式(5)。每个STA有M(M＝8)个波束，则每个波束覆盖的角度范围为θ_sec＝360/M。

其中θ(以度为单位)为[0°，180°]之间任意角度，η为天线辐射效率。

如图2所示链路在进行波束成形时记录下波束索引对与链路终端位置、信干噪比等信息一起上报给PCP/AP的中心站点，中心站点将这些信息收集以后，以位置信息为索引建立一个波束成形适配信息表。通过记忆历史波束成形适配信息，根据位置信息在需要的时候直接调用。当需要进行空间复用时，首先搜索波束成形适配信息表，根据地理位置信息判断该位置是否存在已经完成的波束索引对，如图3如果存在，则直接调用收集到的结果，然后根据评判准则判定链路是否能够空间复用；如图4如果不存在或者无法正确获取适配信息表中的信息，则首先需要完成波束成形，然后将波束成形的信息上报存入中心模块，存入表中。

如图5所示为链路共存场景图。为了更好地理解链路共存传输的判断准则，以图5为例，由图可以看出，A和B组成的链路进行通信时使用的波束索引对为(2，6)，C和D组成的链路进行通信时使用的波束索引对为(3，7)，C和B组成的链路进行通信时使用的波束索引对为(3，6)，发射波束与CD链路发射波束相同，对应的Δ1＝0，接收波束与AB链路接收波束相同，对应的Δ2＝0，所以得到对应的Δ＝0，说明CD链路对AB链路存在干扰。E和F组成的链路进行通信时使用的波束索引对为(5，8)，而E和B进行通信时使用的波束索引对为(3，7)，对应的Δ1＝2，对应的Δ2＝1，所以Δ＝2>0，说明EF链路对AB链路不存在干扰，能够共存。以上步骤可以更直观的理解为，只要干扰链路发射端发出的信号不在对方链路的接收范围内，那么这两条链路就能够进行链路共存传输。

利用如图6所示的超高速无线个域网空间复用方法，包括如下步骤：

步骤1，将波束成形过程中收发端的波束索引对反馈给PCP/AP，形成波束索引对信息表BFT。

步骤2，将波束索引对信息表BFT转化为链路波束差值表LDT。

LDT的表达式如公式(4)所示。

波束索引对信息表BFT转化为链路波束差值表LDT的具体方法流程图如图7所示，具体方法如算法1所示，首先令LDT(k,k)＝0,k＝1,2,3,4，接着链路k＝1开始，计算链路k与其他所有链路的LDT(k,l),l＝1,...k-1,k+1,...4值，存入LDT，依次增加k，直到k达到链路总数K为止，返回链路波束差值表LDT，本场景中LDT的图如图9所示。

步骤3.执行空间复用调度算法，生成最优的链路调度方法，具体方法流程图如图8所示，具体方法如算法2所示。假设PCP/AP已在信标间隔的DTI中分配T个服务期SP，记为S＝{S_t|1≤t≤T}链路总数为K，第t个服务期中安排的链路集为Φ(t),首先令Φ(t)的链路集均为空，接着从第一个服务期开始，从中随机选择一条链路i，对应为链路CD，存入Φ(1)的集合中，选择LDT第i行中最大值，对应为第j列，为链路AB，令δ＝LDT(i,j)，如果δ大于0，判断链路AB与Φ(1)中链路能否共存，如果能共存，则把链路AB存入Φ(1)中，令LDT(i,j)＝0，否则直接令LDT(i,j)＝0，继续选择LDT第i行中最大值，如此循环，直到δ等于0为止，接着服务期值加1重复同样操作，直到最后一个服务期为止，生成可行的链路调度方案，在此场景中调度的链路方案为图10所示。

步骤4.PCP/AP将生成方案通过BTI发送给各STA，STA在下一个SP期间执行。

本发明的技术关键点和欲保护点

基于波束索引对的毫米波定向天线空间复用的方法，其特征在于综合考虑波束成形时的波束索引对，将其反馈给PCP/AP，快速有效生成链路共存方案，提高空间复用的增益。具体方案机制包含：

1.设计链路通信时信息收集机制；

2.设计链路通信时空间能否复用的评判准则；

3.链路之间干扰的信息收集；

4.链路通信时空间复用的调度方法；

本技术方案可以应用与形同802.15.3c或802.11ad等的集中式分布毫米波无线个域网平台上。

Claims (6)

1.一种毫米波系统定向天线空间复用方法，其特征在于，由于现有的标准中并没有具体的空间复用信息收集机制和评判准则，首先定义信息收集机制和评估准则，然后执行如下步骤：

步骤1，将波束成形过程中收发端的波束索引对反馈给PCP/AP，形成波束索引对信息表BFT；

步骤2，将波束索引对信息表BFT转化为链路波束差值表LDT；

步骤3.执行空间复用调度算法，生成最优的链路调度方法；

步骤4.PCP/AP将生成方案通过BTI发送给各STA，STA在下一个SP期间执行。

2.如权利要求1所述的毫米波系统定向天线空间复用方法，其特征在于，定义信息收集机制如下：由于影响毫米波通信的主要因素多径和传播损耗都取决于终端所处的位置，因此，重复利用相同位置的已有的波束索引对，可以减少大量重复计算的时间；链路在进行波束成形时记录下波束索引对与链路终端位置、信干噪比信息一起上报给PCP/AP的中心站点，中心站点将这些信息收集以后，以位置信息为索引建立一个波束成形适配信息表；通过记忆历史波束成形适配信息，根据位置信息在需要的时候直接调用；当需要进行空间复用时，首先搜索波束成形适配信息表，根据地理位置信息判断该位置是否存在已经完成的波束索引对，如果存在，则直接调用收集到的结果，然后根据评判准则判定链路是否能够空间复用；如果不存在或者无法正确获取适配信息表中的信息，则首先需要完成波束成形，然后将波束成形的信息上报存入中心模块，存入表中。

3.如权利要求1所述的毫米波系统定向天线空间复用方法，其特征在于，评估准则定义如下：假设链路k的发射端和接收端分别为i和j，记为R_k＝r_i→j，链路l的发射端和接收端分别为u和v，记为R_l＝r_u→v；定义参数Δ1来表示u→v，u→j链路的发射索引号差值，定义参数Δ2来表示i→j，u→j的接收索引号差值。Δ定义为Δ1与Δ2的较大值。具体Δ1的表达式如公式(1)所示，Δ2的表达式如公式(2)所示，Δ的表达式如公式(3)所示；其中，M表示波束总数，p(i,j)表示发射端i与接收端j组成的链路的进行通信时使用的最佳发送波束索引号，q(i,j)表示发射端i与接收端j组成的链路的进行通信时使用的最佳接收波束索引号；

Δ₁＝Δ_u→j,v＝min(||p(u,v)-p(u,j)||,M-||p(u,v)-p(u,j)||) (1)

Δ₂＝Δ_i,u→j＝min(||q(i,j)-q(u,j)||,M-||q(i,j)-q(u,j)||) (2)

Δ(R_k,R_l)＝max(Δ₁,Δ₂) (3)

链路l对链路k存在干扰，即链路k的接收端能接收到链路l的发射端发出的信号；具体来说就是同时满足：(1)j在u的发射范围内，u→v，u→j链路的发射索引号差值Δ1为0；(2)u在j的接收范围内，i→j，u→j链路的接收索引号差值Δ2为0。若同时满足上述条件，则存在干扰；即若Δ＝0，则链路l对链路k存在干扰，不能共存，否则能共存。

4.如权利要求1所述的毫米波系统定向天线空间复用方法，其特征在于，步骤1中，将波束成形过程中收发端的波束对反馈给PCP/AP，形成波束索引对信息表BFT，表的大小为(node*node)，node表示WPAN系统中的总设备数；BFT(i，j)＝(p，q)，表示i作为发射端，j作为接收端组成的链路发射端i的发射索引号为p，接收端j的接收索引号为q。

5.如权利要求1所述的毫米波系统定向天线空间复用方法，其特征在于，步骤2中，将波束索引对信息表BFT转化为链路波束差值表LDT；表的大小为(K*K)，K表示WPAN系统中的总链路数；LDT(k,l)，表示链路l对链路k的干扰差值；LDT的表达式如公式(4)所示：

波束索引对信息表BFT转化为链路波束差值表LDT的具体方法为：首先令LDT(k,k)＝0,k＝1,2,...,K，接着链路k＝1开始，计算链路k与其他所有链路的LDT(k,l),l＝1,2,...k-1,k+1,...K值，存入LDT，依次增加k，直到k达到链路总数K为止，返回链路波束差值表LDT。

6.如权利要求1所述的毫米波系统定向天线空间复用方法，其特征在于，步骤3中.执行空间复用调度算法，快速生成链路调度方法；

假设PCP/AP已在信标间隔的DTI中分配T个服务期SP，记为S＝{S_t|1≤t≤T}链路总数为K，第t个服务期中安排的链路集为Φ(t)，首先令Φ(t)的链路集均为空，接着从第一个服务期开始，从中随机选择一条链路i，存入Φ(1)的集合中，选择LDT第i行中最大的Δ值，对应为第j列，如果Δ大于0，判断链路j与Φ(1)中链路能否共存，如果能共存，则把链路j存入Φ(1)中，令LDT(i,j)＝0，否则直接令LDT(i,j)＝0，如此循环，直到Δ等于0为止，服务期加1重复同样操作，直到最后一个服务期为止。