[发明专利]一种短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种波束形成方法，更具体的说，涉及一种短距通信中干扰抑制波束形成方法，属于无线通信领域。

背景技术

最近几年在短距离高速无线网络领域毫米波技术得到了越来越多的重视。毫米波技术的优点在于它能够支持吉比特每秒(Gbps)的数据吞吐量，正是由于该特点，毫米波技术适用于移动设备间高清视频流或者高速文件传输等消费电子的应用。无线个域网(WPAN)用来在短距离的较少个数设备之间以较低应用开销传输高速率信息，它是一个工作在60GHz频段上的典型系统。众多国家和区域相继在60GHz附近划分出5～9GHz的未授权连续频段作此用途，中国也开放了59-64GHz频段。巨大的可利用带宽资源是实现Gbps级超高速无线传输的基础。

60GHz短距超高速通信的最终目的是在一个合适的距离内达到Gbps的吞吐量。为了达到这个目的，设计者需要提高系统的效率以及提高传输的范围，特别针对非视距传输(NLOS)场景。天线阵列技术被采用来补偿60G信道的高传输损耗减少阴影效应的影响。由于60G系统的天线元之间的间隔是毫米级的，因此可以将多个天线集成到移动设备中去。

阵列天线是指由一系列相关的天线元素在空间构成一定的几何形状，根据期望信号和干扰信号到达阵列的各个天线元的角度和相位不同，通过自适应算法和高速数字信号处理技术，以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，从而抑制来自窄波束以外的信号。波束形成的目标是根据系统性能指标的要求，形成对基带信号的最佳组合或者分配。具体地说，其主要任务是补偿信号衰落与失真，同时抑制干扰。波束形成器利用天线阵的阵方向函数乘积定理，通过在天线阵元上加权，达到控制天线阵方向图动态地在有用信号方向产生高增益窄波束，在干扰或无用信号方向产生较深零陷的目的。

60GHz毫米波信道是典型的非线性恒参信道。在此信道中信号衰落十分严重，接收信号功率大幅下降，信噪比也随之大幅下降。在阵列天线和自适应信号处理技术基础上发展起来的自适应波束形成技术(Beamforming)，能够有效对抗衰落和干扰，提高频谱利用率，在保证通信质量的前提下扩大系统容量。

波束形成的系统模型如图1所示，设备1有Nt个发射天线，设备2有Nr个接收天线。发射端数据流经过基带信号处理后上变频到射频段(RF)，射频信号的相位通过发射机权重向量进行调整然后通过各个天线元发射到自由空间去。接收端接收信号被接收机权值向量加权，各个天线元的接收信号被合并到一起，经过下变频后，在基带被解调和译码。国际标准IEEE802.15.3C给出了基于码本(codebook)设计的完整的波束形成协议。

该方案假设所有具备波束形成功能的设备都支持三种波束图样：准全向图样、扇区图样、和波束图样。其中准全向图样是码本中分辨率最低的图样，它用来让天线覆盖设备周围潜在接收设备可能的处于的范围相对较大的空间；扇区图样是分辨率相对较高的图样，它覆盖相对于准全向较小的空间，一个准全向图样可能包含若干个扇区图样，每个扇区图样可能包含若干个波束图样，不同扇区图样可能有部分重叠；波束图样是精细度最高的图样，波束形成的最终目的是寻找到用来传输数据流的最佳波束对。

该方案中的波束形成协议首先由网络控制器(PCP)对设备对进行协调，每个设备将各自的最佳波束对准PCP，随后进行的波束形成由两个步骤组成：设备与设备链路构建和波束搜寻，此外波束跟踪阶段为可选步骤。由于波束形成之前，每个设备都将各自的最佳波束对准网络控制器，所以设备与设备链路构建的目的是建立起两个设备之间的通信，使得相互之间可以传输基本的命令帧。波束搜索有两步组成：扇区级搜索和波束级搜索，扇区级搜索的目的是寻找发射机和接收机的最佳扇区对，波束级搜索的目的是进一步获取最佳波束对。

每个阶段扇区和波束的划分通过波束码本进行，码本是一个矩阵，它的每一列都规定了一个权值向量，通过该向量可以获得一个图样或者方向，所有向量规定的图样可以覆盖设备周围360°的区域。设天线阵列是一维均匀线阵(ULA)，该天线阵有M个天线元，所需生成的图样数目为K，天线元之间的间隔为半波长，则码本矩阵中每个元素的值由以下等式规定：