CN108183738B - 基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法 - Google Patents

基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法。本发明的基站用多个太赫兹频段相控阵实现多个扇区覆盖。基站将时间轴切割成若干个TDMA帧，在在每个帧的前部利用数字波束算法使相控阵形成覆盖宽的波束。终端监听该宽波束信号接入，并上报位置、速率、数据量、运动方向和速度。基站将TDMA帧后部分为低速业务子帧和高速业务子帧。低速传输子帧的波束宽，服务速率低、运动速度高的终端。高速传输子帧中，基站利用数字波束成型产生指向终端的窄波束，服务高传输速率、运动速度低的终端。该技术方案结合相控阵技术，利用宽、窄波束数字合成和切换方式解决了目前太赫兹频段通信仅能实现点到点通信，无法实现点到多点通信的问题。

Description

基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法
技术领域
本发明涉及一种太赫兹频段无线通信技术领域的多用户接入方法，具体地说，涉及一种基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz(波长为3000μm-30μm)范围内的电磁波，是目前人类尚未完全开发的波谱“空隙”区。太赫兹波的频宽较高，目前在公开的应用领域还没有进行广泛的频带分配，本身具备高效的传输速率和极低的散射性，方向性好、穿透性好，而且安全度相对较高，可以说是一种具有巨大应用前景的通信技术。太赫兹通信特别适合用于宽带移动通信及空间通信，国际通信联盟已指定0.12和0.22THz频段分别用于下一代地面无线通信(移动电话)和卫星通信。
由于其可用带宽很大，太赫兹频段的传输速率可达10Gbps以上。然而由于生产工艺的限制，太赫兹频段功放、尤其是固态功放的输出功率大致在20dBm以下，且接收机LNA的噪声系数较大(约10dB)这要求天线提供较大的增益来保证接收信号的信噪比。天线形成波束的3dB角宽度与增益是一对矛盾，这导致通常太赫兹天线在高速传输场景下形成的3dB角宽度为若干个毫弧度，这需要配合波束跟踪机制。此外，太赫兹天线由于波长较小，加工难度大，因此其成本也较高。
目前太赫兹通信尚属于实验室验证阶段，场景主要是采用点到点通信设计。例如，美国Bell实验室的0.625THz通信系统是目前报导的采用全电子学方式实现的最高载波频率的太赫兹通信系统，它基于肖特基二极管混频方法，采用4个二倍频器和1个三倍频器，组成级联的倍频太赫兹源。该系统发射机输出功率为1mW，接收机采用肖特基二极管检波器。基于双二进制基带调制制式，传输速率为2.5Gbps，点到点试验传输距离为数米，采用喇叭天线。
日本NTT从2009年开始研究200GHz以上频段通信系统，该系统使用UTC-PD光电技术实现太赫兹通信，并于当年实现了0.5m距离上250GHz、8Gbps的太赫兹通信。同年，NTT还研制了一套300GHz频段的太赫兹通信系统，该系统也使用的UTC-PD光电技术。由于缺乏太赫兹放大器，使用了喇叭天线加介质透镜方式来增加增益，发送、接收天线增益分别为40dBi、35dBi，发射功率200uW，并实现了50cm距离上的2Gbps通信。随后，基于该套系统，NTT于2010年实现了0.5m距离上的5Gbps、11Gbps、12.点到点5Gbps的无线通信实验，接着，NTT又在2012年实现了0.5m距离点到点的24Gbps、28Gbps无线数据传输。
目前实验室验证采用点到点传输模式较为适宜干线通信，例如空间两颗GEO卫星之间大容量的信息交换、地面楼宇间替代光纤等场景。传统上终端也没有应用可以使用达太赫兹10Gbps以上传输。然而近年来，随着8K分辨率视频、虚拟现实、分布式计算等场景的涌现，终端也有可能实现Gbps级的应用，且目前毫米波频段的设计指标也已达7Gbps(802.11aj)。然而，如果为每一个终端配一副天线进行单独形成指向波束，其成本难以控制。而且，而在实际场景中，终端也并不需要长时处于高速通信状态。因此需要一种结合太赫兹天线特点的无线通信媒体接入层设计的方法实现点到多点分时通信。
发明内容
本发明的目的在于解决目前太赫兹频段通信系统点到多点多用户接入问题。本发明针对太赫兹频段局域网组网、太赫兹空间组网问题，提出了一种基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法。
本发明所采取的技术方案为：
步骤1：基站将小区划分为多个扇区，每个扇区配置一个太赫兹频段相控阵天线；基站将每个扇区的移动业务传输服务时间轴划分为多个连续等长TDMA帧，每个TDMA帧按时间顺序分为随机接入和信令传递子帧、低速率业务服务子帧和高速率业务服务子帧，每个子帧又细分为多个等长的时隙；
步骤2：基站利用相控阵数字波束成型方法，形成覆盖整个扇区的宽覆盖波束；
步骤3，基站将随机接入和信令传递子帧分为广播信道时隙、随机接入时隙、信令传输时隙和时隙分配计划广播时隙；
步骤4，终端监听广播信道时隙上发送的扇区信息，然后在随机接入时隙随机竞争接入基站，接着在信令传输时隙发送自己在当前帧的定位信息、运动方向、运动速率、拟传输业务的速率和数据量；基站按照终端上报的运动速率、拟传输的业务速率和数据量，将终端分为低速率业务终端和高速率业务终端；
步骤5：基站根据终端要求的速率和数据量计算低速率业务终端在低速率业务服务子帧中获得的时隙数量和时隙起始位置，以及高速率业务终端在高速率业务服务子帧中获得的时隙数量和时隙起始位置，并形成帧计划；并将帧计划通过时隙分配计划广播时隙发送给高速率业务和低速率业务终端；
步骤6：基站根据帧计划在低速率业务服务子帧持续时间段内产生覆盖整个扇区的宽波束，在高速率业务服务子帧持续时间段产生指向特定终端的窄波束；低速率业务终端根据帧计划在低速率业务服务子帧中指定时隙接收基站数据；高速率业务终端在高速率业务服务子帧中指定时隙接收基站数据。
本发明所取得的有益效果为：
本发明结合相控阵技术，利用宽、窄波束数字合成和切换方式解决了目前太赫兹频段通信仅能实现点到点通信，无法实现点到多点通信的问题。而且相比较于目前常用的利用波束对扇区进行赋形，本发明实现了面向终端的窄波束赋性并结合了MAC层调度，其有效的调高了天线增益，可以实现高速通信。
附图说明
图1为基站为分扇区覆盖示意图；
图2为图2基站形成宽波束、低速率通信覆盖示意图；
图3为基站形成指向特定终端的窄波束、高速率通信示意图；
图4为19阵元，圆口径相控阵阵面设计示意图；
图5为本发明设计的TDMA帧结构示意图；
图6为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图1-6和实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
一种基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法，包括以下步骤：
步骤1：基站将小区划分为多个扇区，每个扇区配置一个太赫兹频段相控阵天线；基站将每个扇区的移动业务传输服务时间轴划分为多个连续等长TDMA帧，每个TDMA帧按时间顺序分为随机接入和信令传递子帧、低速率业务服务子帧和高速率业务服务子帧，每个子帧又细分为多个等长的时隙；。
实施例中，如图1所示基站将360度小区划分为6个扇区，每个扇区覆盖60度，每个扇区配置如图4所示一个19单元的太赫兹园口径相阵控天线，采用园口径方案是为了保证水平和垂直两个方向的覆盖能力。扇区将服务时间轴划分为多等长帧TSi,i＝1,2,3...,N。每个时间片TSi分为随机接入和信令传递子帧
Figure GDA0002413717830000051
包含4个时隙
Figure GDA0002413717830000052
低速率业务服务子帧
Figure GDA0002413717830000053
包含M个时隙
Figure GDA0002413717830000054
高速率业务服务子帧
Figure GDA0002413717830000055
包含L个时隙
Figure GDA0002413717830000056
Figure GDA0002413717830000057
步骤2：基站利用相控阵数字波束成型方法，形成覆盖整个扇区的宽覆盖波束；
基站使用约束自适应波束综合的(CAPS:Constrained Adaptive beam-PatternSynthesis)的数字波束成型算法，首先形成如图2所示一个水平覆盖60度(3dB角)的宽波束对扇区进行覆盖。本发明也适用于采用其他数字波束合成算法，如信号子空间投影算法(SSP:Signal Subspace Projection)、最小均方算法(LMS algorithm)等数字波束成型算法。
步骤3，基站将随机接入和信令传递子帧分为广播信道时隙、随机接入时隙、信令传输时隙和时隙分配计划广播时隙。
实施例中，TSi帧的接入和信令传递子帧
Figure GDA0002413717830000063
包括4个时隙分为广播信道时隙组
Figure GDA0002413717830000065
随机接入时隙组
Figure GDA0002413717830000064
信令传输时隙组
Figure GDA0002413717830000067
时隙分配计划广播时隙组
Figure GDA0002413717830000066
本发明也适用与上述四种时隙组包含多个时隙的情况。
步骤4，终端监听广播信道时隙上发送的扇区信息，然后在随机接入时隙随机竞争接入基站，接着在信令传输时隙发送自己在当前帧的定位信息、运动方向、运动速率、拟传输业务的速率和数据量；基站按照终端上报的运动速率、拟传输的业务速率和数据量，将终端分为低速率业务终端和高速率业务终端；
实施例中，基站只生产两种固定增益的波束，第一种为覆盖整个区域的宽波束，另一种为指向特定终端的窄波束，如图2和图3。
终端按照运动速率和业务速率，分为低速率业务组终端
Figure GDA0002413717830000061
和高速率业务组终端
Figure GDA0002413717830000062
基站设定终端运动速率门限Γspeed和业务速率门限Γvol。若终端
Figure GDA0002413717830000071
u∈(1,U)上报的运动速率超过Γspeed(u)，则它划分为低速率终端业务终端，由低速率业务服务子帧提供服务。进一步，如果终端申报的传输速率低于Γvol，它也划分为低速终端，由低速率业务服务子帧提供服务。
基站根据形成宽波束时基站有源天线阵的天线增益GT，发射功率PT，终端的品质因数
Figure GDA0002413717830000072
基站最大覆盖半径Rcell，QPSK调制、1/2卷积码编码组合在一定误码率约束条件下的载干比
Figure GDA0002413717830000073
计算业务速率门限Γvol。本发明也适用于采用16QAM、64QAM调制，LDPC、Tubro编码的情况。
Figure GDA0002413717830000074
基站这样计算每个终端
Figure GDA0002413717830000075
u∈(1,U)的Γspeed(u)，令基站每一个时隙可改变一次自适应波束成型算法的配置，在高速率业务服务子帧内相阵控天线形成的窄波束的3dB角为φ，对应增益
Figure GDA0002413717830000076
根据终端位置和基站位置之间距离差Ru运动速度门限Γspeed有，即从窄波束中心运动到3dB主波瓣的边缘。
Figure GDA0002413717830000077
相应的传输速率为
Figure GDA0002413717830000078
如果终端需要MAC层提供重传服务，因为缓冲有限，该终端也划分为低速率业务组终端。
步骤5：基站根据终端要求的速率和数据量计算低速率业务终端在低速率业务服务子帧中获得的时隙数量和时隙起始位置，以及高速率业务终端在高速率业务服务子帧中获得的时隙数量和时隙起始位置，并形成帧计划；并将帧计划通过时隙分配计划广播时隙发送给高速率业务和低速率业务终端；
实施例中，低速率业务组终端
Figure GDA0002413717830000081
v∈(1,V)申报的数据量为
Figure GDA0002413717830000082
则其获得的时隙数为
Figure GDA0002413717830000083
高速率业务组终端
Figure GDA0002413717830000084
u∈(1,U)申报的数据量为
Figure GDA0002413717830000085
则其获得的时隙数为
Figure GDA0002413717830000086
本发明也使用于其他时隙分配算法，如公平加权公平排队(Weighted FairQueueing,WFQ)算法、轮询算法(Round Robin，RR)。
步骤6：基站根据帧计划在低速率业务服务子帧持续时间段内产生覆盖整个扇区的宽波束，在高速率业务服务子帧持续时间段产生指向特定终端的窄波束；低速率业务终端根据帧计划在低速率业务服务子帧中指定时隙接收基站数据；高速率业务终端在高速率业务服务子帧中指定时隙接收基站数据。
在实施例中，基站利用数字波束成型算法，根据帧计划在低速率业务服务子帧持续时间段内产生覆盖整个扇区的宽波束。在高速率业务服务子帧持续时间段产生指向特定终端的窄波束。
终端根据帧计划在低速率业务服务子帧、高速率业务服务子帧中指定时隙接收基站数据。
实施例中，低速率业务组终端
Figure GDA0002413717830000087
v∈(1,V)在低速率业务服务子帧
Figure GDA0002413717830000088
中指定时隙接收下行数据；基站产生覆盖整个扇区的宽波束。
高速率业务组终端
Figure GDA0002413717830000091
u∈(1,U)在高速率业务服务子帧
Figure GDA0002413717830000092
中指定时隙接收下行数据；基站在每个时隙产生窄波束指向特定终端
Figure GDA0002413717830000093

Claims (1)

1.基于有源天线阵的太赫兹通信空分和时分混合多址方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1：基站将小区划分为多个扇区，每个扇区配置一个太赫兹频段相控阵天线；基站将每个扇区的移动业务传输服务时间轴划分为多个连续等长TDMA帧，每个TDMA帧按时间顺序分为随机接入和信令传递子帧、低速率业务服务子帧和高速率业务服务子帧，每个子帧又细分为多个等长的时隙；
步骤2：基站利用相控阵数字波束成型方法，形成覆盖整个扇区的宽覆盖波束；
步骤3：基站将随机接入和信令传递子帧分为广播信道时隙、随机接入时隙、信令传输时隙和时隙分配计划广播时隙；
步骤4：终端监听广播信道时隙上发送的扇区信息，然后在随机接入时隙随机竞争接入基站，接着在信令传输时隙发送自己在当前帧的定位信息、运动方向、运动速率、拟传输业务的速率和数据量；基站按照终端上报的运动速率、拟传输的业务速率和数据量，将终端分为低速率业务终端和高速率业务终端；
步骤5：基站根据终端要求的速率和数据量计算低速率业务终端在低速率业务服务子帧中获得的时隙数量和时隙起始位置，以及高速率业务终端在高速率业务服务子帧中获得的时隙数量和时隙起始位置，形成帧计划，并将帧计划通过时隙分配计划广播时隙发送给高速率业务和低速率业务终端；
步骤6：基站根据帧计划在低速率业务服务子帧持续时间段内产生覆盖整个扇区的宽波束，在高速率业务服务子帧持续时间段产生指向特定终端的窄波束；低速率业务终端根据帧计划在低速率业务服务子帧中指定时隙接收基站数据；高速率业务终端在高速率业务服务子帧中指定时隙接收基站数据。
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