60 GHz毫米波的波束形成与空间复用方法

吴 琼，杨 娟

（1.东南大学移动通信国家重点实验室，江苏南京 210018；2.宿迁学院计算机科学系，江苏宿迁 223800）

60 GHz毫米波的波束形成与空间复用方法

吴 琼1，2，杨 娟1

（1.东南大学移动通信国家重点实验室，江苏南京 210018；2.宿迁学院计算机科学系，江苏宿迁 223800）

波束形成是60 GHz无线通信系统的关键技术。波束形成可以克服路径衰耗并为空间复用提供了可能。提出了一种基于波束形成技术的空间复用方案。该方案是利用PCP／AP收集站点在服务期中的扇区ID信息，建立波束形成信息表。首先计算出已分配服务期与候选服务期中链路站点的最小扇区差值，然后根据最小扇区差值找出与当前候选服务期进行最佳空间复用的已分配服务期。建立了天线测量模型，分析了方案的可行性，比较了不同波束宽度下的空间复用增益。研究结果表明：该方案能获得更高的空间复用增益。

60 GHz毫米波；空间复用；多天线；波束形成技术；扇区差值

0 引言

60 GHz毫米波系统体积小且安全性高，可提供极大的传输带宽和数吉比特的传输速率［1］，能满足3G、4G通信中的多媒体融合宽带业务的发展，有巨大的发展潜力和空间，被认为是未来通信发展的主要方向之一，因此在全球范围内受到广泛关注［2－3］。在对无线个域网（WPAN）的研究中，关于60 GHz的相关标准工作组有IEEE 802.11ad［4］，IEEE 802.15.3c［5］，以及ECMA-387［6］等。由于60 GHz信号传播的显著特点是传播中反射损耗、其他衰落和路径损耗大［7］。针对严重的路径损耗需采取一定补偿技术变得非常重要。由于波长短，大约5 mm，可采用多天线集成系统，进而可考虑在收、发两端采用多天线的波束形成技术来提高天线增益以补偿严重的路径损耗，达到改善传输质量，提升容量的目的。同时通过波束形成，站点（STA）与站点（STA）之间能够形成定向传输链路，减小了对其他STA的干扰，也为链路间的空间复用提供了可能。现有60 GHz通信系统中的空间复用技术还存在一些缺陷［8］，如需要收集链路间的干扰信息，并进行链路状况建模以作为链路是否能进行空间复用的评估标准，降低了通信系统的效率。因此，在反馈波束形成信息的波束形成技术基础上，提出一种空间复用新方案。

图1 60 GHz无线个域网（W PAN）模型（6个站点）

1 无线个域网模型

基于IEEE 802.11ad标准定义的毫米波无线个域网（WPAN）中的设备通过多天线技术，可以形成多个发送扇区，每个发送扇区在不同的方向上具有不同的天线增益，如图1所示。在毫米波WPAN通信系统中，选择一个STA作为个人基本服务集（PBSS）控制点（PCP）／接入点（AP）（简称为PCP／AP）。在STA之间可以相互通信之前，STA与STA之间要进行波束形成。波束形成的信息只有参与波束形成的STA保留。STA在完成扇区级扫描阶段的扇区扫描反馈后，通过扇区扫描报告帧将波束形成的信息（如扇区的选择、天线的选择以及SNR等）反馈给PCP／AP。根据STA反馈的波束形成信息，PCP／AP可以建立一个包含各个STA波束形成结果的波束形成信息表（BIT）。

2 波束形成信息表的建立

图1所示的毫米波无线个域网中，每个STA均由8个扇区组成，扇区按顺时针／逆时针的顺序从1到8进行编号，每个扇区的覆盖范围为45°。反馈波束形成信息的波束形成机制，PCP／AP根据反馈的波束形成信息结果建立对应该网络的波束形成信息表，如表1所示。

表1 设备通信所使用的最佳发送扇区ID

表2 方案设计的算法

为了判断链路是否可采用空间复用，并找出获得最佳空间复用性能的链路，设计的算法如表2所示。

如果一个SPc中的设备向PCP／AP请求SP，则PCP／AP从SP1开始分别计算SPc与当前对应的SPk之间的最小扇区差值，并记为△k。当PCP／AP计算完所有的SP1到SPk所对应的△k后，如果所有△k中的最大值（记为△*）大于0，则PCP／AP选择△*所对应SPk（记为SP*）来作为与SPc进行最佳空间复用的SP；如果△*＝0，则SP1到SPk中没有能与SPc进行复用的SP。

3 性能分析与仿真验证

3.1 天线测量模型

根据实际应用需要，选用具有高斯线性特征的非理想天线模型检验所提的空间复用方案的性能。假设天线的扇区波束宽度为θsec，则天线的增益［9］表达式为（以dB为单位）：

其中，θ为［0°，180°］的角度；θsec为半功率波束宽度；θml为主瓣宽度；G0和Gsl分别为最大天线增益和旁瓣增益。

3.2 性能分析

站点STA使用的高斯线性特征天线模型的覆盖模型如图2所示，其中N1表示理想天线扇区覆盖区域，N2表示实际天线扇区覆盖区域除去N1后的区域，N3表示不在天线覆盖范围内的区域。

首先假设链路（A，B）在SPe中通信，链路（C，D）在SPc中通信，按照链路（A，B）与链路（C，D）之间相对位置的不同，链路（A，B）与链路（C，D）之间的相对覆盖区域和对应的最小扇区差值△可以分为以下3种情况。

图2 单个STA覆盖范围

情况1至少一个STA位于另一条链路的其中一个STA的N1区域，在这种情况下，△＝0。

在该情况下，由于△＝0，判断结果为链路（A，B）与链路（C，D）不能进行空间复用，实际情况为STA B处于另一条链路扇区覆盖之下，不能进行空间复用，所提方案的结果与实际结果相同，方案判断正确。

情况2每一个STA都位于另一条链路STA的N3区域，在这种情况下，△≠0。

在该情况下，由于△＞0，判断结果为链路（A，B）与链路（C，D）可以进行空间复用，实际情况为两条链路的STA都不在对方链路的覆盖之下，可以进行空间复用，所提方案结果与实际结果相同，方案判断正确。

情况3至少一个STA位于另一链路的其中一个STA的N2区域，并且没有STA位于另一链路STA的N1区域，即在有STA位于另一条链路STA的N2区域的情景中除去包含情况1中的情景，在这种情况下，△≠0。

在该情况下，△＞0，判断结果为链路（A，B）与链路（C，D）可以进行空间复用，但是实际情况是STA C位于链路（A，B）的覆盖范围内，链路（A，B）与链路（C，D）不能进行空间复用，所提方案与实际结果不同，方案判断错误。这是由于非理想天线与理想天线覆盖范围的差异，方案的判断结果出现了错误。

3.3 仿真结果与分析

表3 仿真参数设置

使用Matlab软件进行空间复用方案进行仿真验证，仿真参数设置见表3。通过在文献［10－11］所述的会议室环境信道模型，仿真和比较了在使用高斯线性特征天线模型进行所提方案的性能测量与比较分析。

3.3.1 不同天线模型的覆盖区比较

采取3种天线的模型，即理想的平顶天线的模型、计算的天线模型以及高斯线性特征天线模型，覆盖范围在60 GHz会议室环境信道下的仿真结果对应深色区域，模型计算结果仿真对应浅灰色，理想的平顶天线模型对应最浅色区域。对比结果见图3。

图3 不同天线模型下波束扇区的覆盖范围对比图

从图3可以看出：理想平顶天线的覆盖范围最小，高斯线性特征天线和模型计算结果对应的波束扇区的覆盖范围差不多，当角度为30°和60°时，由模型计算结果仿真得的覆盖范围略大于高斯线性特征天线覆盖范围。由上节的性能分析可知，正是由于高斯线性特征天线覆盖的范围与理想平顶天线的覆盖范围之间的差异导致了本方案的空间复用算法的错误判断。

3.3.2 天线的不同波束宽度对本方案的性能影响

表4 不同波束宽度下本方案的正确率

波束宽度的不同选择会对本方案最后的性能产生影响。表4为不同波束宽度下本方案的正确率。由表4可知：当天线的扇区波束宽度为θ－3dB＝60°时，该空间复用方案的判断正确率最大。这是因为由于在性能分析时得知θ－3dB＝60°波束宽度的天线具有最大的N1区域。

3.3.3 不同波束宽度天线模型对空间复用增益的影响

空间复用增益定义为在使用空间复用方案下并行传输的链路数量与没有进行空间复用下并行传输链路数量的比值。在此，假设至多只有两条链路可以同时进行传输，即最多只有两条链路共用一个SP，所能达到的最大空间复用增益为2。

图4 不同波束天线宽度下的空间复用增益比较

图4对比了在不同波束宽度的天线下，新的空间复用方案所能达到的期望空间复用增益和使用高斯线性特征天线模型所能达到的增益，并对比了在高斯线性特征天线模型下，IEEE 802.11ad标准给出的盲选择方案得到的空间复用增益。显然，新的空间复用方案所能达到的空间复用增益比盲选择方案所能达到的空间复用增益要大。从图4中所得到的不同波束宽度的空间复用增益可以看出，在使用具有宽波束天线的情况下所达到的空间复用增益小；相反，小的波束天线所达到的空间复用增益大。

4 结论

波束形成是利用天线发射电磁波形成的波束主瓣方向对准期望用户方向，可以有效抑制干扰，改善系统性能，对克服60 GHz无线通信巨大的路径损耗非常重要。利用STA反馈波束形成信息到PCP／AP，设计了60 GHz通信下的空间复用方案。该方案相比IEEE 802.11ad标准所给出空间复用方案，可以获得更大的空间复用增益。另外，空间复用增益还与评估参数、天线设置以及网络拓扑结构相关。

［1］ 张奇，林如俭，修明磊.一种60 GHz毫米波的四参数模型［J］.红外与毫米波学报，2007，26（1）：30－34.

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［3］ 邹卫霞，杜光龙，李斌，等.60 GHz毫米波通信中一种新的波束搜索算法［J］.电子与信息学报，2012，34（3）：683－688.

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［5］ IEEE.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Part15.3：Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for High Rate W ireless Personal Area Networks（WPANs）［S］.IEEE.2009：21－35.

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TP393.17

A

1672－6871（2014）01－0045－04

国家自然科学基金项目（2013ZX03004007）；东南大学移动通信国家重点实验室科研基金项目（3013A03）；宿迁市科技创新科研基金项目（Z201208）

吴 琼（1981－），女，江苏宿迁人，讲师，硕士，主要研究方向为无线通信，图像处理等综合感知无线网络关键技术.

2013－08－10