一种基于切换波束成形的毫米波协作通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于毫米波通信技术领域，具体地说，是涉及一种基于切换波束成形的毫 米波协作通信方法。
【背景技术】
[0002] 无线电低频段频谱资源利用已比较紧迫，同频段各种技术之间的干扰也日益严 重，即使采用高阶调制、复用方法也难以满足当前超高速无线传输的需求。为了满足日益增 长的超高速无线传输需求，势必需要开发出具备高带宽的新频段。在此需求下，以60GHz频 段为代表的毫米波无线通信技术应运而生，由于拥有数GHz的宽带频谱，最高可达10W的发 射功率，可通过低成本CMOS器件实现等优势，使其成为实现短距离Gbps级无线通信的首选 技术。
[0003] 电磁信号在传播过程中穿透障碍物时会发生能量的衰减，而衰减的能量大小与信 号本身特点和材料特性有关，包括信号频率、极化方式、入射角度和材料的介电常数等。几 乎对于所有的材料，信号在穿越相同厚度的阻挡物时造成的衰减量一般会随着信号频率的 增大而呈现增大趋势。所以，毫米波信号的材料穿透损耗较低频段要大得多，通信链路非常 容易受到阻挡而中断。毫米波无线通信的一个主要应用就是室内无线高清多媒体传输，在 传输的过程中，人体移动所带来的阻挡将时常发生，而穿透人体所造成的损耗足以导致直 传链路的中断。在低频无线通信系统中，当L0S(视距）路径被阻挡后，信号可通过绕射或 反射等方式继续保持通信链路的畅通，但是毫米波毫米级的波长以及严重的反射损耗使得 通过绕射和反射等方式实现NL0S(非视距）通信的效果要大打折扣。当室内不存在很强的 反射物时，反射路径至少要比视距成分低10dB，如若直接利用反射路径，其通信中断概率也 会变大。因此不易穿透障碍物且多径效应较低频段弱的特点让毫米波信号在遇到阻挡环境 下进行高速传输变得并不易于实现，如何克服通信过程中的链路阻挡是一个必须解决的问 题。
[0004] 利用中继或协作传输是抗阻挡通信的一种有效解决方案，但由于毫米波一般采用 定向传输，因此其协作过程并不同于低频段的协作系统。若系统内各个设备（DEV)信号发 送接收方向始终保持方向，显然无法实现遇到阻挡时协作传输的效果。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有毫米波频段无线通信系统的穿透障碍物能力弱、通信过程中 出现阻挡容易造成通信中断的问题，提出了一种基于切换波束成形的毫米波协作通信方 法，可以解决上述问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0007] -种基于切换波束成形的毫米波协作通信方法，包括以下步骤：
[0008] (1)、建立一个网络内设备互联波束训练期，依次对网络内所有设备进行波束训 练，得出各设备两两相互通信时最优波束对，将各设备两两相互通信的最优波束对对应的 各天线加权矢量记录形成加权矢量表，同时利用选择好的设备两两相互通信时的最优波束 对测量每组互联设备组接收端的信噪比，建立互联设备接收端信噪比SNR记录表，所述信 噪比SNR记录表中记录有分别以各设备作为接收端，其他设备作为发射端时的信噪比；
[0009] (2)、发送设备S与接收设备D双方相互通信时，当二者间无阻挡时从所述加权矢 量表中查找出两者通信时的最优波束对加权矢量，并以该最优波束对加权矢量调整阵列天 线方向，建立发送设备S与接收设备D之间的直传链路进行通信；
[0010] (3)、定时检测当前直传链路是否发生阻挡，当发生阻挡时，启动链路切换步骤，查 找出网络内当前时隙没有分配发送或者接收任务的所有空闲设备札，R2?Rn，从信噪比SNR 记录表中分别读出以各空闲设备作为协作的第一跳链路的信噪比SNRs_KJP第二跳链路的 信噪比SNRKi_D，其中，所述第一跳链路为发送设备S与协作设备Rji= 1，2…n)之间的通 信链路，所述第二跳链路为协作设备氏与接收设备D之间的通信链路，比较出第一跳链路 的信噪比SNRs_KJP第二跳链路的信噪比SNRKi_D中的较小值min(SNRs_Ki，SNRKi_D)作为协作 设备氏协作时整个两跳协作链路的的协作信噪比SNRs_Ki_D，比较出各个SNRs_Ki_D(i= 1，2… n)中的最大值，并以该最大协作信噪比所对应的协作设备作为最佳协作设备；
[0011] (4)、从所述加权矢量表中分别查找出发送设备S与最佳协作设备之间的最优波 束对加权矢量以及最佳协作设备与接收设备D之间的最优波束对加权矢量，分别调整相应 收发设备与协作设备的波束指向进行通信。
[0012] 进一步的，所述步骤（4)之后，还包括定时检测发送设备S与接收设备D之间的直 传链路阻挡是否恢复的步骤，若已恢复，则重新调整发送设备S与接收设备D的阵列天线方 向，将传输链路切换至建立发送设备S与接收设备D之间的传输链路进行通信。
[0013] 进一步的，所述步骤（4)中，还包括定时检测当前协作传输链路是否发生阻挡的 步骤，发送设备S发送探测信号，测试SNRs_Ki_D(i= 1，2…n)中SNR最大值所对应的协作设 备进行协作通信时的链路信噪比，如若大于预先设定的阈值SNRTh，则可以选定该协作设备 为最佳协作设备，否则选取SNRs_Ki_D(i= 1，2…n)中的SNR第二大值所对应的协作设备，测 试以该协作设备协作通信的链路信噪比是否大于SNRTh，判断是否将其作为最佳协作设备， 依次类推，直到找到信噪比大于SNRTh的链路，作为最优协作链路。
[0014] 进一步的，所述步骤（1)中，对网络内所有设备进行波束训练的方法为：
[0015] 网络中共具有N个设备，各个设备均配备M阵元的天线阵列，用以实现波束指向可 控的切换波束，每两个设备间波束训练时，各个设备的阵列天线中每根天线都施加一定的 加权矢量，使波束主瓣指向加权矢量对应的期望方向，记录当前波束对对应的接收功率或 信噪比并记录，依次切换波束码本中对应的各个阵列天线波束指向，重复记录各个波束指 向对应的接收功率或信噪比，比较出所有接收功率或者信噪比中的最大值，选择接收功率 或者信噪比中的最大值所对应的波束对为最优波束对，并将其所施加的加权矢量写入最优 波束对加权矢量表中。
[0016] 进一步的，所述步骤（1)中，每两个设备间波束训练时，预先为每个设备建立记录 阵列天线波束不同指向时的波束码本w(m, k)，码本w(m, k)表示形成编号为k的波束时第m 根天线的加权矢量，切换阵列天线波束指向是通过依次从所述波束码本中读取每列向量的 方式获得。
[0017] 进一步的，所述步骤（3)中检测当前传输链路是否发生阻挡的方法为：
[0018] 发射设备S与接收设备D以最优波束对加权矢量表中记录的各自最优波束进行通 信，每隔一个帧周期对当前传输链路是否发生阻挡进行检测，检测接收设备D处的信噪比 或接收到有用信号功率，当接收端信噪比小于阈值SNRTh或接收到的有用信号功率小于阈 值PTh时，判定当前传输链路被阻挡。
[0019] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的基于切换波束成形的毫 米波协作通信方法，通过判断传输链路是否阻挡，采用网络内空闲设备的协作实现将S-D 间的传输链路替换为S-R-D的两跳传输链路传输，确保了数据传输的连续性。通过建立各 设备两两相互通信的最优波束对加权矢量表，以及建立互联设备