60 GHz毫米波的波束形成與空間復用方法

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無線通信系統的關鍵技術。波束形成可以克服路徑衰耗并為空間復用提供了可能。提出了一種基于波束形成技術的空間復用方案。該方案是利用PCP／AP收集站點在服務期中的扇區ID信息，建立波束形成信息表。首先計算出已分配服務期與候選服務期中鏈路站點的最小扇區差值，然后根據最小扇區差值找出與當前候選服務期進行最佳空間復用的已分配服務期。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用增益。研究結果表明：該方案能獲得更高的空間復用增益。

60 GHz毫米波；空間復用；多天線；波束形成技術；扇區差值

0 引言

60 GHz毫米波系統體積小且安全性高，可提供極大的傳輸帶寬和數吉比特的傳輸速率［1］，能滿足3G、4G通信中的多媒體融合寬帶業務的發展，有巨大的發展潛力和空間，被認為是未來通信發展的主要方向之一，因此在全球范圍內受到廣泛關注［2－3］。在對無線個域網（WPAN）的研究中，關于60 GHz的相關標準工作組有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，進而可考慮在收、發兩端采用多天線的波束形成技術來提高天線增益以補償嚴重的路徑損耗，達到改善傳輸質量，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用提供了可能。現有60 GHz通信系統中的空間復用技術還存在一些缺陷［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用的評估標準，降低了通信系統的效率。因此，在反饋波束形成信息的波束形成技術基礎上，提出一種空間復用新方案。

圖1 60 GHz無線個域網（W PAN）模型（6個站點）

1 無線個域網模型

基于IEEE 802.11ad標準定義的毫米波無線個域網（WPAN）中的設備通過多天線技術，可以形成多個發送扇區，每個發送扇區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通信系統中，選擇一個STA作為個人基本服務集（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在完成扇區級掃描階段的扇區掃描反饋后，通過扇區掃描報告幀將波束形成的信息（如扇區的選擇、天線的選擇以及SNR等）反饋給PCP／AP。根據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中，每個STA均由8個扇區組成，扇區按順時針／逆時針的順序從1到8進行編號，每個扇區的覆蓋范圍為45°。反饋波束形成信息的波束形成機制，PCP／AP根據反饋的波束形成信息結果建立對應該網絡的波束形成信息表，如表1所示。

表1 設備通信所使用的最佳發送扇區ID

表2 方案設計的算法

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

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

3 性能分析與仿真驗證

3.1 天線測量模型

根據實際應用需要，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用方案的性能。假設天線的扇區波束寬度為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表示理想天線扇區覆蓋區域，N2表示實際天線扇區覆蓋區域除去N1后的區域，N3表示不在天線覆蓋范圍內的區域。

首先假設鏈路（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）之間的相對覆蓋區域和對應的最小扇區差值△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區域，在這種情況下，△＝0。

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

情況2每一個STA都位于另一條鏈路STA的N3區域，在這種情況下，△≠0。

在該情況下，由于△＞0，判斷結果為鏈路（A，B）與鏈路（C，D）可以進行空間復用，實際情況為兩條鏈路的STA都不在對方鏈路的覆蓋之下，可以進行空間復用，所提方案結果與實際結果相同，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區域，并且沒有STA位于另一鏈路STA的N1區域，即在有STA位于另一條鏈路STA的N2區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，判斷結果為鏈路（A，B）與鏈路（C，D）可以進行空間復用，但是實際情況是STA C位于鏈路（A，B）的覆蓋范圍內，鏈路（A，B）與鏈路（C，D）不能進行空間復用，所提方案與實際結果不同，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，方案的判斷結果出現了錯誤。

3.3 仿真結果與分析

表3 仿真參數設置

使用Matlab軟件進行空間復用方案進行仿真驗證，仿真參數設置見表3。通過在文獻［10－11］所述的會議室環境信道模型，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會議室環境信道下的仿真結果對應深色區域，模型計算結果仿真對應淺灰色，理想的平頂天線模型對應最淺色區域。對比結果見圖3。

圖3 不同天線模型下波束扇區的覆蓋范圍對比圖

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果對應的波束扇區的覆蓋范圍差不多，當角度為30°和60°時，由模型計算結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致了本方案的空間復用算法的錯誤判斷。

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：當天線的扇區波束寬度為θ－3dB＝60°時，該空間復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區域。

3.3.3 不同波束寬度天線模型對空間復用增益的影響

空間復用增益定義為在使用空間復用方案下并行傳輸的鏈路數量與沒有進行空間復用下并行傳輸鏈路數量的比值。在此，假設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用增益為2。

圖4 不同波束天線寬度下的空間復用增益比較

圖4對比了在不同波束寬度的天線下，新的空間復用方案所能達到的期望空間復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用增益。顯然，新的空間復用方案所能達到的空間復用增益比盲選擇方案所能達到的空間復用增益要大。從圖4中所得到的不同波束寬度的空間復用增益可以看出，在使用具有寬波束天線的情況下所達到的空間復用增益小；相反，小的波束天線所達到的空間復用增益大。

4 結論

波束形成是利用天線發射電磁波形成的波束主瓣方向對準期望用戶方向，可以有效抑制干擾，改善系統性能，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，設計了60 GHz通信下的空間復用方案。該方案相比IEEE 802.11ad標準所給出空間復用方案，可以獲得更大的空間復用增益。另外，空間復用增益還與評估參數、天線設置以及網絡拓撲結構相關。

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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絡關鍵技術.

2013－08－10