吳 瓊，楊 娟

（1.東南大學移動通信國家重點實驗室，江蘇南京 210018；2.宿遷學院計算機科學系，江蘇宿遷 223800）

60 GHz毫米波的波束形成與空間復(fù)用方法

吳 瓊1，2，楊 娟1

（1.東南大學移動通信國家重點實驗室，江蘇南京 210018；2.宿遷學院計算機科學系，江蘇宿遷 223800）

波束形成是60 GHz無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。波束形成可以克服路徑衰耗并為空間復(fù)用提供了可能。提出了一種基于波束形成技術(shù)的空間復(fù)用方案。該方案是利用PCP／AP收集站點在服務(wù)期中的扇區(qū)ID信息，建立波束形成信息表。首先計算出已分配服務(wù)期與候選服務(wù)期中鏈路站點的最小扇區(qū)差值，然后根據(jù)最小扇區(qū)差值找出與當前候選服務(wù)期進行最佳空間復(fù)用的已分配服務(wù)期。建立了天線測量模型，分析了方案的可行性，比較了不同波束寬度下的空間復(fù)用增益。研究結(jié)果表明：該方案能獲得更高的空間復(fù)用增益。

60 GHz毫米波；空間復(fù)用；多天線；波束形成技術(shù)；扇區(qū)差值

0 引言

60 GHz毫米波系統(tǒng)體積小且安全性高，可提供極大的傳輸帶寬和數(shù)吉比特的傳輸速率［1］，能滿足3G、4G通信中的多媒體融合寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，有巨大的發(fā)展?jié)摿涂臻g，被認為是未來通信發(fā)展的主要方向之一，因此在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注［2－3］。在對無線個域網(wǎng)（WPAN）的研究中，關(guān)于60 GHz的相關(guān)標準工作組有IEEE 802.11ad［4］，IEEE 802.15.3c［5］，以及ECMA-387［6］等。由于60 GHz信號傳播的顯著特點是傳播中反射損耗、其他衰落和路徑損耗大［7］。針對嚴重的路徑損耗需采取一定補償技術(shù)變得非常重要。由于波長短，大約5 mm，可采用多天線集成系統(tǒng)，進而可考慮在收、發(fā)兩端采用多天線的波束形成技術(shù)來提高天線增益以補償嚴重的路徑損耗，達到改善傳輸質(zhì)量，提升容量的目的。同時通過波束形成，站點（STA）與站點（STA）之間能夠形成定向傳輸鏈路，減小了對其他STA的干擾，也為鏈路間的空間復(fù)用提供了可能?，F(xiàn)有60 GHz通信系統(tǒng)中的空間復(fù)用技術(shù)還存在一些缺陷［8］，如需要收集鏈路間的干擾信息，并進行鏈路狀況建模以作為鏈路是否能進行空間復(fù)用的評估標準，降低了通信系統(tǒng)的效率。因此，在反饋波束形成信息的波束形成技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種空間復(fù)用新方案。

圖1 60 GHz無線個域網(wǎng)（W PAN）模型（6個站點）

1 無線個域網(wǎng)模型

基于IEEE 802.11ad標準定義的毫米波無線個域網(wǎng)（WPAN）中的設(shè)備通過多天線技術(shù)，可以形成多個發(fā)送扇區(qū)，每個發(fā)送扇區(qū)在不同的方向上具有不同的天線增益，如圖1所示。在毫米波WPAN通信系統(tǒng)中，選擇一個STA作為個人基本服務(wù)集（PBSS）控制點（PCP）／接入點（AP）（簡稱為PCP／AP）。在STA之間可以相互通信之前，STA與STA之間要進行波束形成。波束形成的信息只有參與波束形成的STA保留。STA在完成扇區(qū)級掃描階段的扇區(qū)掃描反饋后，通過扇區(qū)掃描報告幀將波束形成的信息（如扇區(qū)的選擇、天線的選擇以及SNR等）反饋給PCP／AP。根據(jù)STA反饋的波束形成信息，PCP／AP可以建立一個包含各個STA波束形成結(jié)果的波束形成信息表（BIT）。

2 波束形成信息表的建立

圖1所示的毫米波無線個域網(wǎng)中，每個STA均由8個扇區(qū)組成，扇區(qū)按順時針／逆時針的順序從1到8進行編號，每個扇區(qū)的覆蓋范圍為45°。反饋波束形成信息的波束形成機制，PCP／AP根據(jù)反饋的波束形成信息結(jié)果建立對應(yīng)該網(wǎng)絡(luò)的波束形成信息表，如表1所示。

表1 設(shè)備通信所使用的最佳發(fā)送扇區(qū)ID

表2 方案設(shè)計的算法

為了判斷鏈路是否可采用空間復(fù)用，并找出獲得最佳空間復(fù)用性能的鏈路，設(shè)計的算法如表2所示。

如果一個SPc中的設(shè)備向PCP／AP請求SP，則PCP／AP從SP1開始分別計算SPc與當前對應(yīng)的SPk之間的最小扇區(qū)差值，并記為△k。當PCP／AP計算完所有的SP1到SPk所對應(yīng)的△k后，如果所有△k中的最大值（記為△*）大于0，則PCP／AP選擇△*所對應(yīng)SPk（記為SP*）來作為與SPc進行最佳空間復(fù)用的SP；如果△*＝0，則SP1到SPk中沒有能與SPc進行復(fù)用的SP。

3 性能分析與仿真驗證

3.1 天線測量模型

根據(jù)實際應(yīng)用需要，選用具有高斯線性特征的非理想天線模型檢驗所提的空間復(fù)用方案的性能。假設(shè)天線的扇區(qū)波束寬度為θsec，則天線的增益［9］表達式為（以dB為單位）：

其中，θ為［0°，180°］的角度；θsec為半功率波束寬度；θml為主瓣寬度；G0和Gsl分別為最大天線增益和旁瓣增益。

3.2 性能分析

站點STA使用的高斯線性特征天線模型的覆蓋模型如圖2所示，其中N1表示理想天線扇區(qū)覆蓋區(qū)域，N2表示實際天線扇區(qū)覆蓋區(qū)域除去N1后的區(qū)域，N3表示不在天線覆蓋范圍內(nèi)的區(qū)域。

首先假設(shè)鏈路（A，B）在SPe中通信，鏈路（C，D）在SPc中通信，按照鏈路（A，B）與鏈路（C，D）之間相對位置的不同，鏈路（A，B）與鏈路（C，D）之間的相對覆蓋區(qū)域和對應(yīng)的最小扇區(qū)差值△可以分為以下3種情況。

圖2 單個STA覆蓋范圍

情況1至少一個STA位于另一條鏈路的其中一個STA的N1區(qū)域，在這種情況下，△＝0。

在該情況下，由于△＝0，判斷結(jié)果為鏈路（A，B）與鏈路（C，D）不能進行空間復(fù)用，實際情況為STA B處于另一條鏈路扇區(qū)覆蓋之下，不能進行空間復(fù)用，所提方案的結(jié)果與實際結(jié)果相同，方案判斷正確。

情況2每一個STA都位于另一條鏈路STA的N3區(qū)域，在這種情況下，△≠0。

在該情況下，由于△＞0，判斷結(jié)果為鏈路（A，B）與鏈路（C，D）可以進行空間復(fù)用，實際情況為兩條鏈路的STA都不在對方鏈路的覆蓋之下，可以進行空間復(fù)用，所提方案結(jié)果與實際結(jié)果相同，方案判斷正確。

情況3至少一個STA位于另一鏈路的其中一個STA的N2區(qū)域，并且沒有STA位于另一鏈路STA的N1區(qū)域，即在有STA位于另一條鏈路STA的N2區(qū)域的情景中除去包含情況1中的情景，在這種情況下，△≠0。

在該情況下，△＞0，判斷結(jié)果為鏈路（A，B）與鏈路（C，D）可以進行空間復(fù)用，但是實際情況是STA C位于鏈路（A，B）的覆蓋范圍內(nèi)，鏈路（A，B）與鏈路（C，D）不能進行空間復(fù)用，所提方案與實際結(jié)果不同，方案判斷錯誤。這是由于非理想天線與理想天線覆蓋范圍的差異，方案的判斷結(jié)果出現(xiàn)了錯誤。

3.3 仿真結(jié)果與分析

表3 仿真參數(shù)設(shè)置

使用Matlab軟件進行空間復(fù)用方案進行仿真驗證，仿真參數(shù)設(shè)置見表3。通過在文獻［10－11］所述的會議室環(huán)境信道模型，仿真和比較了在使用高斯線性特征天線模型進行所提方案的性能測量與比較分析。

3.3.1 不同天線模型的覆蓋區(qū)比較

采取3種天線的模型，即理想的平頂天線的模型、計算的天線模型以及高斯線性特征天線模型，覆蓋范圍在60 GHz會議室環(huán)境信道下的仿真結(jié)果對應(yīng)深色區(qū)域，模型計算結(jié)果仿真對應(yīng)淺灰色，理想的平頂天線模型對應(yīng)最淺色區(qū)域。對比結(jié)果見圖3。

圖3 不同天線模型下波束扇區(qū)的覆蓋范圍對比圖

從圖3可以看出：理想平頂天線的覆蓋范圍最小，高斯線性特征天線和模型計算結(jié)果對應(yīng)的波束扇區(qū)的覆蓋范圍差不多，當角度為30°和60°時，由模型計算結(jié)果仿真得的覆蓋范圍略大于高斯線性特征天線覆蓋范圍。由上節(jié)的性能分析可知，正是由于高斯線性特征天線覆蓋的范圍與理想平頂天線的覆蓋范圍之間的差異導(dǎo)致了本方案的空間復(fù)用算法的錯誤判斷。

3.3.2 天線的不同波束寬度對本方案的性能影響

表4 不同波束寬度下本方案的正確率

波束寬度的不同選擇會對本方案最后的性能產(chǎn)生影響。表4為不同波束寬度下本方案的正確率。由表4可知：當天線的扇區(qū)波束寬度為θ－3dB＝60°時，該空間復(fù)用方案的判斷正確率最大。這是因為由于在性能分析時得知θ－3dB＝60°波束寬度的天線具有最大的N1區(qū)域。

3.3.3 不同波束寬度天線模型對空間復(fù)用增益的影響

空間復(fù)用增益定義為在使用空間復(fù)用方案下并行傳輸?shù)逆溌窋?shù)量與沒有進行空間復(fù)用下并行傳輸鏈路數(shù)量的比值。在此，假設(shè)至多只有兩條鏈路可以同時進行傳輸，即最多只有兩條鏈路共用一個SP，所能達到的最大空間復(fù)用增益為2。

圖4 不同波束天線寬度下的空間復(fù)用增益比較

圖4對比了在不同波束寬度的天線下，新的空間復(fù)用方案所能達到的期望空間復(fù)用增益和使用高斯線性特征天線模型所能達到的增益，并對比了在高斯線性特征天線模型下，IEEE 802.11ad標準給出的盲選擇方案得到的空間復(fù)用增益。顯然，新的空間復(fù)用方案所能達到的空間復(fù)用增益比盲選擇方案所能達到的空間復(fù)用增益要大。從圖4中所得到的不同波束寬度的空間復(fù)用增益可以看出，在使用具有寬波束天線的情況下所達到的空間復(fù)用增益??；相反，小的波束天線所達到的空間復(fù)用增益大。

4 結(jié)論

波束形成是利用天線發(fā)射電磁波形成的波束主瓣方向?qū)势谕脩舴较?，可以有效抑制干擾，改善系統(tǒng)性能，對克服60 GHz無線通信巨大的路徑損耗非常重要。利用STA反饋波束形成信息到PCP／AP，設(shè)計了60 GHz通信下的空間復(fù)用方案。該方案相比IEEE 802.11ad標準所給出空間復(fù)用方案，可以獲得更大的空間復(fù)用增益。另外，空間復(fù)用增益還與評估參數(shù)、天線設(shè)置以及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)相關(guān)。

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TP393.17

A

1672－6871（2014）01－0045－04

國家自然科學基金項目（2013ZX03004007）；東南大學移動通信國家重點實驗室科研基金項目（3013A03）；宿遷市科技創(chuàng)新科研基金項目（Z201208）

吳 瓊（1981－），女，江蘇宿遷人，講師，碩士，主要研究方向為無線通信，圖像處理等綜合感知無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù).

2013－08－10