一種基于切換波束成形的毫米波協(xié)作通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于毫米波通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種基于切換波束成形的毫 米波協(xié)作通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線電低頻段頻譜資源利用已比較緊迫，同頻段各種技術(shù)之間的干擾也日益嚴(yán) 重，即使采用高階調(diào)制、復(fù)用方法也難以滿足當(dāng)前超高速無線傳輸?shù)男枨蟆榱藵M足日益增 長的超高速無線傳輸需求，勢必需要開發(fā)出具備高帶寬的新頻段。在此需求下，以60GHz頻 段為代表的毫米波無線通信技術(shù)應(yīng)運而生，由于擁有數(shù)GHz的寬帶頻譜，最高可達(dá)10W的發(fā) 射功率，可通過低成本CMOS器件實現(xiàn)等優(yōu)勢，使其成為實現(xiàn)短距離Gbps級無線通信的首選 技術(shù)。
[0003] 電磁信號在傳播過程中穿透障礙物時會發(fā)生能量的衰減，而衰減的能量大小與信 號本身特點和材料特性有關(guān)，包括信號頻率、極化方式、入射角度和材料的介電常數(shù)等。幾 乎對于所有的材料，信號在穿越相同厚度的阻擋物時造成的衰減量一般會隨著信號頻率的 增大而呈現(xiàn)增大趨勢。所以，毫米波信號的材料穿透損耗較低頻段要大得多，通信鏈路非常 容易受到阻擋而中斷。毫米波無線通信的一個主要應(yīng)用就是室內(nèi)無線高清多媒體傳輸，在 傳輸?shù)倪^程中，人體移動所帶來的阻擋將時常發(fā)生，而穿透人體所造成的損耗足以導(dǎo)致直 傳鏈路的中斷。在低頻無線通信系統(tǒng)中，當(dāng)L0S(視距）路徑被阻擋后，信號可通過繞射或 反射等方式繼續(xù)保持通信鏈路的暢通，但是毫米波毫米級的波長以及嚴(yán)重的反射損耗使得 通過繞射和反射等方式實現(xiàn)NL0S(非視距）通信的效果要大打折扣。當(dāng)室內(nèi)不存在很強的 反射物時，反射路徑至少要比視距成分低10dB，如若直接利用反射路徑，其通信中斷概率也 會變大。因此不易穿透障礙物且多徑效應(yīng)較低頻段弱的特點讓毫米波信號在遇到阻擋環(huán)境 下進行高速傳輸變得并不易于實現(xiàn)，如何克服通信過程中的鏈路阻擋是一個必須解決的問 題。
[0004] 利用中繼或協(xié)作傳輸是抗阻擋通信的一種有效解決方案，但由于毫米波一般采用 定向傳輸，因此其協(xié)作過程并不同于低頻段的協(xié)作系統(tǒng)。若系統(tǒng)內(nèi)各個設(shè)備（DEV)信號發(fā) 送接收方向始終保持方向，顯然無法實現(xiàn)遇到阻擋時協(xié)作傳輸?shù)男Ч?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有毫米波頻段無線通信系統(tǒng)的穿透障礙物能力弱、通信過程中 出現(xiàn)阻擋容易造成通信中斷的問題，提出了一種基于切換波束成形的毫米波協(xié)作通信方 法，可以解決上述問題。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0007] -種基于切換波束成形的毫米波協(xié)作通信方法，包括以下步驟：
[0008] (1)、建立一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備互聯(lián)波束訓(xùn)練期，依次對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備進行波束訓(xùn) 練，得出各設(shè)備兩兩相互通信時最優(yōu)波束對，將各設(shè)備兩兩相互通信的最優(yōu)波束對對應(yīng)的 各天線加權(quán)矢量記錄形成加權(quán)矢量表，同時利用選擇好的設(shè)備兩兩相互通信時的最優(yōu)波束 對測量每組互聯(lián)設(shè)備組接收端的信噪比，建立互聯(lián)設(shè)備接收端信噪比SNR記錄表，所述信 噪比SNR記錄表中記錄有分別以各設(shè)備作為接收端，其他設(shè)備作為發(fā)射端時的信噪比；
[0009] (2)、發(fā)送設(shè)備S與接收設(shè)備D雙方相互通信時，當(dāng)二者間無阻擋時從所述加權(quán)矢 量表中查找出兩者通信時的最優(yōu)波束對加權(quán)矢量，并以該最優(yōu)波束對加權(quán)矢量調(diào)整陣列天 線方向，建立發(fā)送設(shè)備S與接收設(shè)備D之間的直傳鏈路進行通信；
[0010] (3)、定時檢測當(dāng)前直傳鏈路是否發(fā)生阻擋，當(dāng)發(fā)生阻擋時，啟動鏈路切換步驟，查 找出網(wǎng)絡(luò)內(nèi)當(dāng)前時隙沒有分配發(fā)送或者接收任務(wù)的所有空閑設(shè)備札，R2?Rn，從信噪比SNR 記錄表中分別讀出以各空閑設(shè)備作為協(xié)作的第一跳鏈路的信噪比SNRs_KJP第二跳鏈路的 信噪比SNRKi_D，其中，所述第一跳鏈路為發(fā)送設(shè)備S與協(xié)作設(shè)備Rji= 1，2…n)之間的通 信鏈路，所述第二跳鏈路為協(xié)作設(shè)備氏與接收設(shè)備D之間的通信鏈路，比較出第一跳鏈路 的信噪比SNRs_KJP第二跳鏈路的信噪比SNRKi_D中的較小值min(SNRs_Ki，SNRKi_D)作為協(xié)作 設(shè)備氏協(xié)作時整個兩跳協(xié)作鏈路的的協(xié)作信噪比SNRs_Ki_D，比較出各個SNRs_Ki_D(i= 1，2… n)中的最大值，并以該最大協(xié)作信噪比所對應(yīng)的協(xié)作設(shè)備作為最佳協(xié)作設(shè)備；
[0011] (4)、從所述加權(quán)矢量表中分別查找出發(fā)送設(shè)備S與最佳協(xié)作設(shè)備之間的最優(yōu)波 束對加權(quán)矢量以及最佳協(xié)作設(shè)備與接收設(shè)備D之間的最優(yōu)波束對加權(quán)矢量，分別調(diào)整相應(yīng) 收發(fā)設(shè)備與協(xié)作設(shè)備的波束指向進行通信。
[0012] 進一步的，所述步驟（4)之后，還包括定時檢測發(fā)送設(shè)備S與接收設(shè)備D之間的直 傳鏈路阻擋是否恢復(fù)的步驟，若已恢復(fù)，則重新調(diào)整發(fā)送設(shè)備S與接收設(shè)備D的陣列天線方 向，將傳輸鏈路切換至建立發(fā)送設(shè)備S與接收設(shè)備D之間的傳輸鏈路進行通信。
[0013] 進一步的，所述步驟（4)中，還包括定時檢測當(dāng)前協(xié)作傳輸鏈路是否發(fā)生阻擋的 步驟，發(fā)送設(shè)備S發(fā)送探測信號，測試SNRs_Ki_D(i= 1，2…n)中SNR最大值所對應(yīng)的協(xié)作設(shè) 備進行協(xié)作通信時的鏈路信噪比，如若大于預(yù)先設(shè)定的閾值SNRTh，則可以選定該協(xié)作設(shè)備 為最佳協(xié)作設(shè)備，否則選取SNRs_Ki_D(i= 1，2…n)中的SNR第二大值所對應(yīng)的協(xié)作設(shè)備，測 試以該協(xié)作設(shè)備協(xié)作通信的鏈路信噪比是否大于SNRTh，判斷是否將其作為最佳協(xié)作設(shè)備， 依次類推，直到找到信噪比大于SNRTh的鏈路，作為最優(yōu)協(xié)作鏈路。
[0014] 進一步的，所述步驟（1)中，對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備進行波束訓(xùn)練的方法為：
[0015] 網(wǎng)絡(luò)中共具有N個設(shè)備，各個設(shè)備均配備M陣元的天線陣列，用以實現(xiàn)波束指向可 控的切換波束，每兩個設(shè)備間波束訓(xùn)練時，各個設(shè)備的陣列天線中每根天線都施加一定的 加權(quán)矢量，使波束主瓣指向加權(quán)矢量對應(yīng)的期望方向，記錄當(dāng)前波束對對應(yīng)的接收功率或 信噪比并記錄，依次切換波束碼本中對應(yīng)的各個陣列天線波束指向，重復(fù)記錄各個波束指 向?qū)?yīng)的接收功率或信噪比，比較出所有接收功率或者信噪比中的最大值，選擇接收功率 或者信噪比中的最大值所對應(yīng)的波束對為最優(yōu)波束對，并將其所施加的加權(quán)矢量寫入最優(yōu) 波束對加權(quán)矢量表中。
[0016] 進一步的，所述步驟（1)中，每兩個設(shè)備間波束訓(xùn)練時，預(yù)先為每個設(shè)備建立記錄 陣列天線波束不同指向時的波束碼本w(m, k)，碼本w(m, k)表示形成編號為k的波束時第m 根天線的加權(quán)矢量，切換陣列天線波束指向是通過依次從所述波束碼本中讀取每列向量的 方式獲得。
[0017] 進一步的，所述步驟（3)中檢測當(dāng)前傳輸鏈路是否發(fā)生阻擋的方法為：
[0018] 發(fā)射設(shè)備S與接收設(shè)備D以最優(yōu)波束對加權(quán)矢量表中記錄的各自最優(yōu)波束進行通 信，每隔一個幀周期對當(dāng)前傳輸鏈路是否發(fā)生阻擋進行檢測，檢測接收設(shè)備D處的信噪比 或接收到有用信號功率，當(dāng)接收端信噪比小于閾值SNRTh或接收到的有用信號功率小于閾 值PTh時，判定當(dāng)前傳輸鏈路被阻擋。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：本發(fā)明的基于切換波束成形的毫 米波協(xié)作通信方法，通過判斷傳輸鏈路是否阻擋，采用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)空閑設(shè)備的協(xié)作實現(xiàn)將S-D 間的傳輸鏈路替換為S-R-D的兩跳傳輸鏈路傳輸，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。通過建立各 設(shè)備兩兩相互通信的最優(yōu)波束對加權(quán)矢量表，以及建立互聯(lián)設(shè)備