專利名稱：一種短距通信中基于信道矩陣的干擾抑制波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波束形成方法，更具體的說，涉及一種短距通信中干擾抑制波束形成方法，屬于無線通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
最近幾年在短距離高速無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域毫米波技術(shù)得到了越來越多的重視。毫米波技術(shù)的優(yōu)點在于它能夠支持吉比特每秒Oibps)的數(shù)據(jù)吞吐量，正是由于該特點，毫米波技術(shù)適用于移動設(shè)備間高清視頻流或者高速文件傳輸?shù)认M電子的應(yīng)用。無線個域網(wǎng) (WPAN)用來在短距離的較少個數(shù)設(shè)備之間以較低應(yīng)用開銷傳輸高速率信息，它是一個工作在60GHz頻段上的典型系統(tǒng)。眾多國家和區(qū)域相繼在60GHz附近劃分出5 9GHz的未授權(quán)連續(xù)頻段作此用途，中國也開放了 59-64GHZ頻段。巨大的可利用帶寬資源是實現(xiàn)(ibps 級超高速無線傳輸?shù)幕A(chǔ)。60GHz短距超高速通信的最終目的是在一個合適的距離內(nèi)達到(^bps的吞吐量。為了達到這個目的，設(shè)計者需要提高系統(tǒng)的效率以及提高傳輸?shù)姆秶?，特別針對非視距傳輸 (NLOS)場景。天線陣列技術(shù)被采用來補償60G信道的高傳輸損耗減少陰影效應(yīng)的影響。由于60G系統(tǒng)的天線元之間的間隔是毫米級的，因此可以將多個天線集成到移動設(shè)備中去。陣列天線是指由一系列相關(guān)的天線元素在空間構(gòu)成一定的幾何形狀，根據(jù)期望信號和干擾信號到達陣列的各個天線元的角度和相位不同，通過自適應(yīng)算法和高速數(shù)字信號處理技術(shù)，以多個高增益的動態(tài)窄波束分別跟蹤多個期望信號，從而抑制來自窄波束以外的信號。波束形成的目標是根據(jù)系統(tǒng)性能指標的要求，形成對基帶信號的最佳組合或者分配。具體地說，其主要任務(wù)是補償信號衰落與失真，同時抑制干擾。波束形成器利用天線陣的陣方向函數(shù)乘積定理，通過在天線陣元上加權(quán)，達到控制天線陣方向圖動態(tài)地在有用信號方向產(chǎn)生高增益窄波束，在干擾或無用信號方向產(chǎn)生較深零陷的目的。60GHz毫米波信道是典型的非線性恒參信道。在此信道中信號衰落十分嚴重，接收信號功率大幅下降，信噪比也隨之大幅下降。在陣列天線和自適應(yīng)信號處理技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的自適應(yīng)波束形成技術(shù)(Beamforming)，能夠有效對抗衰落和干擾，提高頻譜利用率，在保證通信質(zhì)量的前提下擴大系統(tǒng)容量。波束形成的系統(tǒng)模型如

圖1所示，設(shè)備1有Nt個發(fā)射天線，設(shè)備2有Nr個接收天線。發(fā)射端數(shù)據(jù)流經(jīng)過基帶信號處理后上變頻到射頻段(RF)，射頻信號的相位通過發(fā)射機權(quán)重向量進行調(diào)整然后通過各個天線元發(fā)射到自由空間去。接收端接收信號被接收機權(quán)值向量加權(quán)，各個天線元的接收信號被合并到一起，經(jīng)過下變頻后，在基帶被解調(diào)和譯碼。國際標準IEEE802. 15. 3C給出了基于碼本(codebook)設(shè)計的完整的波束形成協(xié)議。該方案假設(shè)所有具備波束形成功能的設(shè)備都支持三種波束圖樣準全向圖樣、扇區(qū)圖樣、和波束圖樣。其中準全向圖樣是碼本中分辨率最低的圖樣，它用來讓天線覆蓋設(shè)備周圍潛在接收設(shè)備可能的處于的范圍相對較大的空間；扇區(qū)圖樣是分辨率相對較高的圖樣，它覆蓋相對于準全向較小的空間，一個準全向圖樣可能包含若干個扇區(qū)圖樣，每個扇區(qū)圖樣可能包含若干個波束圖樣，不同扇區(qū)圖樣可能有部分重疊；波束圖樣是精細度最高的圖樣，波束形成的最終目的是尋找到用來傳輸數(shù)據(jù)流的最佳波束對。該方案中的波束形成協(xié)議首先由網(wǎng)絡(luò)控制器(PCP)對設(shè)備對進行協(xié)調(diào)，每個設(shè)備將各自的最佳波束對準PCP，隨后進行的波束形成由兩個步驟組成設(shè)備與設(shè)備鏈路構(gòu)建和波束搜尋，此外波束跟蹤階段為可選步驟。由于波束形成之前，每個設(shè)備都將各自的最佳波束對準網(wǎng)絡(luò)控制器，所以設(shè)備與設(shè)備鏈路構(gòu)建的目的是建立起兩個設(shè)備之間的通信，使得相互之間可以傳輸基本的命令幀。波束搜索有兩步組成扇區(qū)級搜索和波束級搜索，扇區(qū)級搜索的目的是尋找發(fā)射機和接收機的最佳扇區(qū)對，波束級搜索的目的是進一步獲取最佳波束對。每個階段扇區(qū)和波束的劃分通過波束碼本進行，碼本是一個矩陣，它的每一列都規(guī)定了一個權(quán)值向量，通過該向量可以獲得一個圖樣或者方向，所有向量規(guī)定的圖樣可以覆蓋設(shè)備周圍360°的區(qū)域。設(shè)天線陣列是一維均勻線陣(ULA)，該天線陣有M個天線元， 所需生成的圖樣數(shù)目為K，天線元之間的間隔為半波長，則碼本矩陣中每個元素的值由以下等式規(guī)定
mxmod(k+(K/2),K)
權(quán)利要求
1.一種短距通信中基于信道矩陣的干擾抑制波束形成方法，包括三個步驟發(fā)射機與 接收機鏈路構(gòu)建，扇區(qū)級圖樣搜索和波束級圖樣搜索，每個步驟包括四個階段訓練階段、 反饋階段、映射階段和確認階段，其特征在于，所述波束級圖樣搜索中，還包括如下步驟(1)在訓練階段后新增空閑時隙，在所述空閑時隙內(nèi)，利用訓練序列進行信道估計和干 擾信號到達角度估計；(2)根據(jù)步驟(1)中的信道估計和干擾信號達到角度估計計算生成最優(yōu)權(quán)值向量，此 權(quán)值向量為接收機的權(quán)值向量；(3)在反饋階段將步驟O)中生成的最優(yōu)權(quán)值向量反饋給發(fā)射機，此權(quán)值向量的共軛 值為發(fā)射機的權(quán)值向量；(4)發(fā)射機和接收機使用此權(quán)值向量對各自的天線陣加權(quán)，即形成干擾抑制波束圖樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短距通信中基于信道矩陣的干擾抑制波束形成方法，其特征 在于，步驟(1)中所述的空閑時隙長度等于一個幀間間隔時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短距通信中基于信道矩陣的干擾抑制波束形成方法，其特征 在于，步驟O)中計算生成最優(yōu)權(quán)值向量的方法包括如下步驟I、設(shè)發(fā)射機和接收機的天線陣陣元數(shù)目相等，均為N，發(fā)射機的一根天線重復(fù)發(fā)送訓練 序列N次，接收機的N根天線分別接收對應(yīng)的一次訓練序列，則第k個訓練序列的向量為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的短距通信中基于信道矩陣的干擾抑制波束形成方法，其特征在于，步驟III中計算最優(yōu)權(quán)值向量使用最大信干比準則，最大信干比為期望信號的功率比上干擾信號的功率和噪聲功率之和，定義式如下所示
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短距通信中基于信道矩陣的干擾抑制波束形成方法，其特征在于，步驟(4)中所述的接收機對天線陣加權(quán)的方法為對于對稱信道，接收機根據(jù)最優(yōu)權(quán)值向量對天線陣的連續(xù)相位進行調(diào)整；對于非對稱信道，接收機根據(jù)最優(yōu)權(quán)值向量對接收機天線陣加權(quán)，加權(quán)后的接收機圖樣即為最優(yōu)圖樣，此后的反饋階段接收機在其最優(yōu)圖樣方向上向發(fā)射機發(fā)射訓練序列，發(fā)射機同樣采用上述機制計算發(fā)射機天線陣的加權(quán)向量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短距通信中基于信道矩陣的干擾抑制波束形成方法，其特征在于，所述發(fā)射機與接收機鏈路構(gòu)建步驟包括(1)發(fā)射機與接收機分別與網(wǎng)絡(luò)控制器交換各自的最佳波束圖樣，網(wǎng)絡(luò)控制器通知發(fā)射機與接收機進行波束形成；(2)發(fā)射機和接收機進行設(shè)備與設(shè)備鏈路構(gòu)建，使得相互之間可以傳輸基本的命令幀， 則發(fā)射機與接收機鏈路構(gòu)建完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的短距通信中基于信道矩陣的干擾抑制波束形成方法，其特征在于，所述的扇區(qū)級圖樣匹配步驟采用基于碼本的波束形成方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種短距通信中基于信道矩陣的干擾抑制波束形成方法，包括如下步驟(1)在訓練階段后新增空閑時隙，在所述空閑時隙內(nèi)，利用訓練序列進行信道估計和干擾信號到達角度估計；(2)根據(jù)步驟(1)中的信道估計和干擾信號達到角度估計計算生成最優(yōu)權(quán)值向量，此權(quán)值向量為接收機的權(quán)值向量；(3)在反饋階段將步驟(2)中生成的最優(yōu)權(quán)值向量反饋給發(fā)射機，此權(quán)值向量的共軛值為發(fā)射機的權(quán)值向量；(4)發(fā)射機和接收機使用此權(quán)值向量對各自的天線陣加權(quán)，即形成干擾抑制波束圖樣。本發(fā)明的方法能有效消除共信道干擾，增加天線增益以及提高整個鏈路吞吐量。
文檔編號H04B7/08GK102404035SQ20111041090
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者唐朋成, 徐平平, 徐祎志, 黃航 申請人:東南大學