CN103199906A - 毫米波高速通信系统波束扇区侦听的空间复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波高速通信系统波束扇区侦听的空间复用方法，当参与波束形成的设备发送训练序列时，其他设备以全向天线模式侦听信号，并根据对发送设备每个扇区的侦听结果建立一个表；设备在请求SP时，把各自的波束形成得到的最佳发送扇区以及本地的扇区侦听表报告给PCP/AP。PCP/AP将这些信息存储起来，这样PCP/AP具有所有需要在SP中通信的设备的扇区侦听表，PCP/AP可以在不指示设备进行空间复用测量的情况下，获得链路间的干扰情况，从而有效的选择链路进行空间复用。

Description

毫米波高速通信系统波束扇区侦听的空间复用方法

技术领域

本发明涉及毫米波高速通信系统波束扇区侦听的空间复用方法，属于通信技术。

背景技术

WPAN（Wireless Personal Area Network，无线个域网）是一种新兴的通信网络，也是当前网络发展最为迅速的领域之一。它的提出是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝连接的无线通信网络技术。它能够有效地解决“最后几米电缆”的问题。随着技术的进步，无线通信装置急剧增长，各种手持通信设备相继出现，对多媒体应用的短距离传输需求与日俱增。这一需求使得无线短距离通信必须能够提供更高的传输速率和通信效率。越来越多的研究关注于超高速无线个域网的研究。

随着世界范围内57-67GHz未授权频谱的相继开放，这一频段成了最大的连续开放频谱资源。这段频谱与目前通常使用的5.8GHz频段相比，带宽有了很大的提高，数据的传输速率也会相应的得到成倍的提升。近年来，低成本的硅芯片和CMOS芯片也被证明能够支持60GHz技术，并且已有相关产品的发布。

除了高带宽，高速率和低成本外，60GHz还有其他优点以适用于无线个域网通信。60GHz信号具有高衰减性，抗干扰性能好，通信性能稳定，非常适合短距离通信。由于波长在5mm左右，天线单元的尺寸很小，可以方便地把多个天线集成在收发器的芯片上，这样就可以利用智能天线技术产生更窄的波束宽度，从而达到高的链路预算，形成信号的定向传输。

空间复用技术允许多条链路在同一信道下，同时进行传输。60GHz信号的高衰减性和定向传输特性相比于传统的全向传输，能够提供更大的空间复用增益，从而极大地提高系统的吞吐量和传输效率。

毫米波无线通信系统模型如图1所示，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。

IEEE802.11ad标准草案中信道接入在多个BI（Beacon Interval，信标间隔）里进行。每个BI又分为多个接入期，一个BI主要包含BTI（Beacon Transmission Interval，信标传输间隔），A-BFT（Association Beamforming Training，协作波束形成训练），AT（Announcement Time Period，通告时间）和DTT（Data Transfer Time，数据传输时间）。其中，DTT由若干个CBAP（Contention-based Access Periods，基于竞争的接入期）和SP（Service Periods，服务期）组成，在DTT内设备间进行数据帧的传输。

在空间复用之前，设备对之间需要进行波束形成训练，使设备在后续通信中使用最佳扇区进行通信，以获得链路的最大增益提高通信质量。在定向发送，全向接收的波束形成中，波束形成主要经过发送扇区扫描以确定设备的最佳发送扇区。发送设备依次使用不同的扇区发送波束训练序列，接收设备以全向天线模式接收信号，并把接收到的最大信号所对应的发送扇区号反馈给发送设备。

在SP内通信的设备对使用波束形成得到的最佳扇区来进行通信，同时设备在SP内的传输需要PCP/AP（PBSS Control Point/Access Point，个人基础服务集控制点/访问点，）来调度，如果有多对链路请求SP，PCP/AP要求设备执行对频谱以及无线资源的测量，并报告结果，以评估在当前干扰情况下是否可以进行空间复用。在此，已分配的服务时间记为SP_e，将与SP_e进行空间共享测量评估的服务时间为候选服务时间，记为SP_c。可以有多个SP_e和SP_c。PCP/AP在SP的源设备和目的设备完成波束形成训练之后指示并在SP内分配时隙供设备进行测量。图2为设备之间干扰测量的示意图。

首先，SP_e中的两个设备依次使用波束形成的最佳发送波束进行发送，SP_c中的设备侦听，将干扰结果反馈给PCP/AP，同理，SP_c中的设备进行发送，SP_e中的设备侦听，并把干扰结果反馈给PCP/AP，PCP/AP根据信道质量评估信息和反馈信息，来决定是否允许链路进行空间复用。

PCP/AP在进行空间复用分配时，需要收集链路的干扰信息来评估链路是否能够进行空间复用。PCP/AP随机选择链路在后续的SP中分别进行空间复用的测量，这种随机选择的成功率很低，不能让能够进行空间复用的SP充分地进行复用，系统的吞吐量不能得到应有的提升。同时在测量的过程中会产生额外的帧交换，降低了整个系统的通信效率。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种毫米波高速通信系统波束扇区侦听的空间复用方法

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

毫米波高速通信系统波束扇区侦听的空间复用方法，包括扇区侦听表形成步骤，记请求进行通信的两个设备分别为源设备和目的设备，该步骤具体包括：

（a1）设定循环数初始值i=0；

（a2）源设备的第i扇区发送波束形成训练序列，获取与目的设备匹配的最佳发送扇区并反馈给PCP/AP，其中，M为扇区总数，0≤i≤M；

（a3）在源设备的第i扇区波束形成训练信号下，目的设备和其他设备以全向天线模式侦听信号，并将侦听信号与干扰阈值进行比较：若侦听信号大于干扰阈值，则将该设备的扇区侦听表中对应源设备的第i扇区的值设置为“Y”；若侦听信号小于等于干扰阈值，则将该设备的扇区侦听表中对应源设备的第i扇区的值设置为“N”；

（a4）判断i<M-1是否成立：若成立，则i=i+1，返回步骤（a2）；否则结束；

（a5）重复步骤（a1）至（a4），直至所有设备均作为一次源设备；形成各个设备的扇区侦听表并反馈给PCP/AP。

优选的，还包括PCP/AP根据最佳发送扇区和扇区侦听表，判断当前已分配服务时间SP_e和候选服务时间SP_c能否复用步骤，记当前已分配服务时间SP_e内的两个设备为设备A和设备B，候选服务时间SP_c内的两个设备为设备C和设备D，该步骤具体包括：

（b1）PCP/AP查找设备A和设备B的最佳发送扇区ID、设备C和设备D的最佳发送扇区ID；

（b2）PCP/AP查阅设备x反馈的扇区侦听表，对于设备x所不位于的SP_e或SP_c内的两个设备，该两个设备所使用的发送扇区ID对应的两个值均匀“N”，则flag_x=1，否者flag_x=0；其中，设备x为设备A、设备B、设备C或设备D；

（b3）PCP/AP判断FLAG=flag_A·flag_B·flag_X·flag_Y的值是否为1，如果是，则SP_e和该SP_c可以进行空间复用，否则SP_e和该SP_c不可以进行空间复用。

本发明在IEEE 802.11ad或IEEE 802.15.3c标准所描述的设备在波束成形训练期间，当参与波束形成的设备发送训练序列时，其他设备以全向天线模式侦听信号，并根据对发送设备每个扇区的侦听结果建立一个表（称为扇区侦听表）。设备在请求SP时，把各自的波束形成得到的最佳发送扇区以及本地的扇区侦听表报告给PCP/AP。PCP/AP将这些信息存储起来，这样PCP/AP具有所有需要在SP中通信的设备的扇区侦听表，PCP/AP可以在不指示设备进行空间复用测量的情况下，获得链路间的干扰情况，从而有效的选择链路进行空间复用。

本发明主要适用于毫米波通信中使用的通过波束切换进行波束形成的毫米波通信系统。采用本发明，PCP/AP可以在不通过设备进行额外测量的基础上，根据设备反馈的SP中使用的最佳发送扇区ID以及本地生成的扇区侦听表，得到评估空间复用所使用的信息，从而快速的选择出能够进行空间复用的链路。采用本发明可以增加系统的吞吐量，提高系统的通信效率。

本发明中扇区侦听表中以多维数据格式记录设备某个扇区是否对其他扇区造成影响，这些信息可以用于后续的空间复用测量反馈。随着存储单元的成本越来越低，以及存储数据读写速度的提高，通信设备可以存储更多的额外信息（如扇区ID，SNR等）来供后续通信使用，从而减少一些不必要的帧交换等，提高通信效率。

有益效果：本发明提供的毫米波高速通信系统波束扇区侦听的空间复用方法，在传统的波束形成的基础上，通过设备在本地将其他设备进行波束形成时的扇区侦听信息记录到一个扇区侦听表中，并在波束形成后把波束形成的使用的扇区ID与扇区侦听表报告给PCP/AP，使得PCP/AP能够直接根据波束形成信息以及扇区侦听表中的信息快速选择出可以进行空间发用的链路。本发明利用额外的信息来帮助PCP/AP进行SP间空间复用的评估，避免了现有方案选择空间复用SP的盲目性，使得最后能够有效进行空间复用的概率增大，提高空间复用增益与系统的通信效率。

附图说明

图1为毫米波无线个域网示意图；

图2为空间复用干扰测量示意图；

图3为定向天线模型；

图4为链路设备扇区覆盖示意图；

图5为设备的扇区侦听表生成流程图；

图6为设备生成的扇区侦听表及波束形成表，其中6(a)为设备A的扇区侦听表，6(b)为设备B的扇区侦听表，6(c)为设备C的扇区侦听表，6(d)为设备D的扇区侦听表，6(e)为设备E的扇区侦听表，6(f)为设备F的扇区侦听表；

图7为设备通信所使用的最佳发送扇区ID；

图8为PCP/AP选择空间复用链路流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

为不失一般性，本案所使用的天线模型如图3所示，为非理想天线模型，即扇区之间有相互覆盖，图中阴影为天线旁瓣覆盖区域，空白扇区范围为主瓣覆盖区域，也为理想天线覆盖区域。本案的应用场景如图4所示，在60GHz无线网络中包含一个作为协调器的主控设备（PCP/AP）和6个子设备（DEV）及其扇区分布（M个扇区，M=8）。在本场景中，设备A请求与设备B通信，安排在SP_e中通信，设备C请求与设备B进行通信，设备E请求与设备F进行通信，分别在SP_c1和SP_c2中。

扇区侦听表形成步骤，以设备A和设备B的波束形成为例（此例中设备A为源设备，设备B为目的设备），设备C和设备D、设备E和设备F相同，具体包括：

（a1）设定循环数初始值i=0；

（a2）设备A的第i扇区发送波束形成训练序列，获取与设备B匹配的最佳发送扇区并反馈给PCP/AP，其中，M为扇区总数，0≤i≤M；

（a3）在设备A的第i扇区波束形成训练信号下，设备B、设备C、设备D、设备E和设备F以全向天线模式侦听信号，并将侦听信号与干扰阈值进行比较：若侦听信号大于干扰阈值，则将该设备的扇区侦听表中对应源设备A的第i扇区的值设置为“Y”；若侦听信号小于等于干扰阈值，则将该设备的扇区侦听表中对应源设备A的第i扇区的值设置为“N”；

（a4）判断i<M-1是否成立：若成立，则i=i+1，返回步骤（a2）；否则结束。

（a5）重复步骤（a1）至（a4），直至所有设备均作为一次源设备；形成各个设备的扇区侦听表并反馈给PCP/AP。

上述过程可以使用图5所示流程图表示，当信道发生改变需要重新进行波束形成时，每个设备均需要按上述步骤来更新本地扇区侦听表，从而保证每次设备反馈给PCP/AP的扇区ID以及对应的扇区侦听表符合通信链路状况。

当所有设备完成波束形成后，设备上存储的扇区侦听表如图6所示，与其他设备通信时使用的最佳扇区ID如图7所示，所有设备将扇区侦听表以及设备与其他设备通信时使用的最佳扇区ID反馈给PCP/AP。PCP/AP将判断SP_e是否能与其他SP_c进行空间复用；本例中，PCP/AP以通信中使用的最佳扇区ID为索引，查找出扇区侦听表中对应的扇区对对应设备的干扰值，根据干扰值，PCP/AP可以快速地评估出SP间的干扰结果，选择出能够与当前SP_e进行空间复用的SP_c；对于SP_e能否与SP_c1进行空间复用，所要进行的步骤如下：

（b1）PCP/AP查找设备A和设备B的最佳发送扇区ID、设备C和设备D的最佳发送扇区ID；本例中，波束形成得到的（A,B）使用的扇区ID分别是（1,6）；（C,D）使用的扇区ID分别是（3,1）；

（b2）PCP/AP查阅设备x反馈的扇区侦听表，对于设备x所不位于的SP_e或SP_c1内的两个设备，该两个设备所使用的发送扇区ID对应的两个值均匀“N”，则flag_x=1，否者flag_x=0；其中，设备x为设备A、设备B、设备C或设备D；本例中，设备C上扇区侦听表（A,B）设备（1,6）扇区对应的值为（Y，N），flag_C=0；设备D上扇区侦听表（A,B）设备（1,6）扇区对应的值为（N，Y），flag_D=0；设备A上扇区侦听表（C,D）设备（3,1）扇区对应的值为（Y，N），flag_A=0；设备B上扇区侦听表（C,D）设备（3,1）扇区对应的值为（N，Y），flag_B=0；

（b3）PCP/AP判断FLAG=flag_A·flag_B·flag_X·flag_Y的值是否为1，如果是，则SP_e和该SP_c可以进行空间复用，否则SP_e和该SP_c不可以进行空间复用；本例中，FLAG=flag_A·flag_B·flag_X·flag_Y=0，则说明SP_e不能与SP_c1进行空间复用。

本例中，PCP/AP计算（A,B）与（C,D）组成的链路的FLAG=0，PCP/AP评估SP_e不能与SP_c1中的设备进行空间复用。将（E,F）替换（C,D）重复上述步骤，得FLAG=1，即SP_e能与SP_c2中的设备进行空间复用，最后空间复用的结果为SP_e与SP_c2进行空间复用。

上述过程可用如图8所示的流程图表示。通过这个过程，PCP/AP可以直接选择出可以与SP_e进行空间复用的SP_c。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.毫米波高速通信系统波束扇区侦听的空间复用方法，其特征在于：包括扇区侦听表形成步骤，记请求进行通信的两个设备分别为源设备和目的设备，该步骤具体包括：

（a1）设定循环数初始值i=0；

（a2）源设备的第i扇区发送波束形成训练序列，获取与目的设备匹配的最佳发送扇区并反馈给PCP/AP，其中，M为扇区总数，0≤i≤M；

（a3）在源设备的第i扇区波束形成训练信号下，目的设备和其他设备以全向天线模式侦听信号，并将侦听信号与干扰阈值进行比较：若侦听信号大于干扰阈值，则将该设备的扇区侦听表中对应源设备的第i扇区的值设置为“Y”；若侦听信号小于等于干扰阈值，则将该设备的扇区侦听表中对应源设备的第i扇区的值设置为“N”；

（a4）判断i<M-1是否成立：若成立，则i=i+1，返回步骤（a2）；否则结束；

（a5）重复步骤（a1）至（a4），直至所有设备均作为一次源设备；形成各个设备的扇区侦听表并反馈给PCP/AP。

2.根据权利要求1所述的毫米波高速通信系统波束扇区侦听的空间复用方法，其特征在于：还包括PCP/AP根据最佳发送扇区和扇区侦听表，判断当前已分配服务时间SP_e和候选服务时间SP_c能否复用步骤，记当前已分配服务时间SP_e内的两个设备为设备A和设备B，候选服务时间SP_c内的两个设备为设备C和设备D，该步骤具体包括：

（b1）PCP/AP查找设备A和设备B的最佳发送扇区ID、设备C和设备D的最佳发送扇区ID；

（b2）PCP/AP查阅设备x反馈的扇区侦听表，对于设备x所不位于的SP_e或SP_c内的两个设备，该两个设备所使用的发送扇区ID对应的两个值均匀“N”，则flag_x=1，否者flag_x=0；其中，设备x为设备A、设备B、设备C或设备D；

（b3）PCP/AP判断FLAG=flag_A·flag_B·flag_X·flag_Y的值是否为1，如果是，则SP_e和该SP_c可以进行空间复用，否则SP_e和该SP_c不可以进行空间复用。

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