技术摘要：
本发明属于毫米波通信技术领域，具体涉及一种中继探测中的波束宽度优化方法。本发明的技术方案基于独立概率模型的单中继毫米波无线通信系统，主要针对波束宽度的进行优化，从而提升通信系统的吞吐率。本发明的方案中根据通信系统中的已知量，包括直连链路的信道容量、 全部
背景技术：
在即将普及的5G无线通信系统中，对通信质量以及传输速率的需求不断增长，但 微波 频段的可用频谱资源已达不到人们的要求，这一事实促使人们考虑能提供更高通信 带宽的更 高频段，传统的低频率无线通信技术已经无法提供足够的通信服务来满足人们 对无线传输速 率的需要。毫米波频带被认为是未来无线网络中极高数据速率接入的最有 希望的候选者，业 界和学术界都越来越多地达成共识，在5G无线系统中，毫米波将会发挥 着重要作用。 在上个世纪三十年代，就已经有着毫米波信号的应用了，但是因为相关的设备和 元器件 的成本较大，以及当时年代的相关工艺技术的局限性，导致当时的毫米波技术仅仅 只应用于 军事领域，对于民用领域的应用遥不可及，在这之后很长一段时间内都没有什么 突破性的进 步。但随着科技的进步，通信技术也发展迅猛，到了上个世纪七十年代，在毫米 波技术上向 前进了一大步。全球各国逐渐都突破了技术和工艺上的难点，将毫米波通信技 术普及于民用 领域中。具体各国开放的频段如图1所示。 毫米波具有高频，短波长，大带宽的特点，而且与大气成分(例如氧气)的高相互作 用 以及对大多数固体材料的高衰减，所以在家庭环境中，家具或者人体本身等障碍物都会 对毫 米波通信链路造成一定的遮挡，这些障碍物都会使得信号大幅度的衰减，严重的遮挡 甚至可 能造成通信链路的阻塞，从而使得数据传输中断，链路将无法进行通信传输。当障 碍物出现 在发送、接收端间的直接链路中时，目前较为常用的两种解决方案来缓解这种阻 塞：回退 (fallback)和中继(relay)。回退的解决方案是在链路被阻塞的期间切换到微波 频段(例如 2.4GHz)进行较低速率的传输，并在障碍物消失后再返回到毫米波频段继续进 行高速率的传 输。另一种解决方式是通过设立中继节点来转发数据，从而达到以两条畅通 的中继链路来替 换那条被遮挡的直接链路的目的，绕过了障碍物，保证信号源到目标节点 的数据传输的通畅， 提升了整体的通信质量。 波束成形是一种阵列信号处理技术，它在毫米波无线通信系统中，占据着重要的 位置。 通过控制多个天线的相位，可以使信号功率集中在特定方向上，提高了信噪比，传输 速率等 性能。 一般来说，增加天线数量可以对波束的方向性进行更严格的控制，从而增加波束 成形增 益。因此，毫米波设备的还有的优点是，对于固定的天线增益，天线形状因数与频率 成比例 地减小。比如说，在28GHz且波长间隔为一半的情况下，一个4×4天线阵列将占据 1.5cm×1.5cm的面积，与单个2.4GHz天线的面积大致相同。因此，毫米波通信可以利用高度 定向的波束成形来克服路径损耗。 波束成形技术也能抑制链路之间的干扰，减轻时延影响。通过调整远距离的接收 3 CN 111600641 A 说 明 书 2/7 页 端或者 发射端的波束方向，让其在主要传播路径上没有波束，从而使得消弱了接的信号中 时延比较 大的信号分量，达到了减轻时延影响的效果。 其中有关于波束宽度影响通信系统的性能的公式如下： 直连链路和中继链路的信道容量分别为cd，cr，其定义公式如下： cd＝Wm*log2(1 SNR) (2) cr＝αcd α∈(0,1] (3) 信噪比公式(1)中ptr表示发射端的发射功率，n表示高斯白噪声功率，g表示发射器 和接收器间的信道增益，ε表示天线旁瓣增益，θ表示接收端的波束宽度；根据香农公式， 直 连链路的信道容量cr公式(2)可以得到，其中Wm表示毫米波频段的带宽；在实际情况下， 一 般来说中继链路的信道容量cr是小于直连链路的信道容量cd的，在这里，不妨设cr为cd的α 倍数，这里假设中继链路不会因为阻塞而被传输中断，所以α∈(0,1]。因此中继链路的信道 容量cr的定义如(3)所示。 假设所有节点都以相同的波束宽度θ运行。当每次探测时，都会因为波束成形造成 开销， 这里把单次探测开销记为t0，定义公式如下： 表示发射端扇区级波束宽度，Ta表示一次导频传输所需的时间，即波束训练开 销， 表示向上取整的符号。 在信噪比公式(1)和单次探测开销时间t0公式(4)中都存在波束宽度θ，且波束宽 度 对信噪比和时间开销都是负相关的关系，例如当θ减小时，探测开销t0会变大，这会导致 吞 吐率的降低，但与此同时信噪比也会随着θ减小而变大，使得信道容量cd,cr也变大，这会 影 响吞吐率的提升。所以波束宽度的设置会影响通信系统的吞吐率，或大或小都会导致吞 吐率 达不到最优值，因此波束宽度的设置是一个值得研究的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是，针对上述问题，提出一种中继探测中的波束宽度优化方法。 本发明的技术方案为：一种中继探测中的波束宽度优化方法，该方法用于毫米波 无线 通信系统，所述毫米波无线通信系统包括信源、信宿和中继节点，设定毫米波无线通 信系统 中传输的时隙大小为ts，信源和信宿之间通过直接链路进行信号传输，直连链路的 信道容量 为cd，直接链路上每个时隙的阻塞概率独立都为p，当直接链路阻塞时，信源和信 宿之间通 过中继链路进行信号传输，中继链路的信道容量为cr，在进行中继链路传输时， 每隔τ个时 隙对直接链路进行探测，每次的探测时间开销为t0，若探测到直接链路没有阻 塞，由中继链 路转为直连链路进行传输；其中，直连链路的信道容量cd为： cd＝Wm*log2(1 SNR) 中继链路的信道容量cr为： cr＝αcd α∈(0,1] 4 CN 111600641 A 说 明 书 3/7 页 Wm表示毫米波频段的带宽，SNR为信噪比： ptr表示发射端的发射功率，n表示高斯白噪声功率，g表示发射器和接收器间的信 道增 益，ε表示天线旁瓣增益，θ表示接收端的波束宽度； 每次的探测时间开销t0为： 表示发射端扇区级波束宽度，Ta表示一次导频传输所需的时间，即波束训练开 销， 表示向上取整的符号； 其特征在于，所述波速宽度优化方法包括： 建立毫米波无线通信系统的实际吞吐率模型E(C)为： 将波速宽度θ代入模型得： 以吞吐率E(C)最大化为目标，对上述模型进行求解，即可获得最优的波速宽度θ。 本发明的有益效果是：通过对波束宽度的优化，提升了通信系统的吞吐率。 附图说明 图1为世界各国开放的频段示意图； 图2为本发明的通信系统模型示意图； 图3为Direct-Relay周期示意图； 图4为n＝6,m＝4的Direct-Relay周期示意图； 图5为E(C) '和θ的关系示意图； 图6为四种θ方案下的中继直连链路信道容量比与吞吐率期望的关系示意图； 图7为中继直连链路信道容量比与最优θ的关系示意图； 图8为四种θ方案下的阻塞概率与吞吐率的关系示意图。
本发明属于毫米波通信技术领域，具体涉及一种中继探测中的波束宽度优化方法。本发明的技术方案基于独立概率模型的单中继毫米波无线通信系统，主要针对波束宽度的进行优化，从而提升通信系统的吞吐率。本发明的方案中根据通信系统中的已知量，包括直连链路的信道容量、 全部
背景技术：
在即将普及的5G无线通信系统中，对通信质量以及传输速率的需求不断增长，但 微波 频段的可用频谱资源已达不到人们的要求，这一事实促使人们考虑能提供更高通信 带宽的更 高频段，传统的低频率无线通信技术已经无法提供足够的通信服务来满足人们 对无线传输速 率的需要。毫米波频带被认为是未来无线网络中极高数据速率接入的最有 希望的候选者，业 界和学术界都越来越多地达成共识，在5G无线系统中，毫米波将会发挥 着重要作用。 在上个世纪三十年代，就已经有着毫米波信号的应用了，但是因为相关的设备和 元器件 的成本较大，以及当时年代的相关工艺技术的局限性，导致当时的毫米波技术仅仅 只应用于 军事领域，对于民用领域的应用遥不可及，在这之后很长一段时间内都没有什么 突破性的进 步。但随着科技的进步，通信技术也发展迅猛，到了上个世纪七十年代，在毫米 波技术上向 前进了一大步。全球各国逐渐都突破了技术和工艺上的难点，将毫米波通信技 术普及于民用 领域中。具体各国开放的频段如图1所示。 毫米波具有高频，短波长，大带宽的特点，而且与大气成分(例如氧气)的高相互作 用 以及对大多数固体材料的高衰减，所以在家庭环境中，家具或者人体本身等障碍物都会 对毫 米波通信链路造成一定的遮挡，这些障碍物都会使得信号大幅度的衰减，严重的遮挡 甚至可 能造成通信链路的阻塞，从而使得数据传输中断，链路将无法进行通信传输。当障 碍物出现 在发送、接收端间的直接链路中时，目前较为常用的两种解决方案来缓解这种阻 塞：回退 (fallback)和中继(relay)。回退的解决方案是在链路被阻塞的期间切换到微波 频段(例如 2.4GHz)进行较低速率的传输，并在障碍物消失后再返回到毫米波频段继续进 行高速率的传 输。另一种解决方式是通过设立中继节点来转发数据，从而达到以两条畅通 的中继链路来替 换那条被遮挡的直接链路的目的，绕过了障碍物，保证信号源到目标节点 的数据传输的通畅， 提升了整体的通信质量。 波束成形是一种阵列信号处理技术，它在毫米波无线通信系统中，占据着重要的 位置。 通过控制多个天线的相位，可以使信号功率集中在特定方向上，提高了信噪比，传输 速率等 性能。 一般来说，增加天线数量可以对波束的方向性进行更严格的控制，从而增加波束 成形增 益。因此，毫米波设备的还有的优点是，对于固定的天线增益，天线形状因数与频率 成比例 地减小。比如说，在28GHz且波长间隔为一半的情况下，一个4×4天线阵列将占据 1.5cm×1.5cm的面积，与单个2.4GHz天线的面积大致相同。因此，毫米波通信可以利用高度 定向的波束成形来克服路径损耗。 波束成形技术也能抑制链路之间的干扰，减轻时延影响。通过调整远距离的接收 3 CN 111600641 A 说 明 书 2/7 页 端或者 发射端的波束方向，让其在主要传播路径上没有波束，从而使得消弱了接的信号中 时延比较 大的信号分量，达到了减轻时延影响的效果。 其中有关于波束宽度影响通信系统的性能的公式如下： 直连链路和中继链路的信道容量分别为cd，cr，其定义公式如下： cd＝Wm*log2(1 SNR) (2) cr＝αcd α∈(0,1] (3) 信噪比公式(1)中ptr表示发射端的发射功率，n表示高斯白噪声功率，g表示发射器 和接收器间的信道增益，ε表示天线旁瓣增益，θ表示接收端的波束宽度；根据香农公式， 直 连链路的信道容量cr公式(2)可以得到，其中Wm表示毫米波频段的带宽；在实际情况下， 一 般来说中继链路的信道容量cr是小于直连链路的信道容量cd的，在这里，不妨设cr为cd的α 倍数，这里假设中继链路不会因为阻塞而被传输中断，所以α∈(0,1]。因此中继链路的信道 容量cr的定义如(3)所示。 假设所有节点都以相同的波束宽度θ运行。当每次探测时，都会因为波束成形造成 开销， 这里把单次探测开销记为t0，定义公式如下： 表示发射端扇区级波束宽度，Ta表示一次导频传输所需的时间，即波束训练开 销， 表示向上取整的符号。 在信噪比公式(1)和单次探测开销时间t0公式(4)中都存在波束宽度θ，且波束宽 度 对信噪比和时间开销都是负相关的关系，例如当θ减小时，探测开销t0会变大，这会导致 吞 吐率的降低，但与此同时信噪比也会随着θ减小而变大，使得信道容量cd,cr也变大，这会 影 响吞吐率的提升。所以波束宽度的设置会影响通信系统的吞吐率，或大或小都会导致吞 吐率 达不到最优值，因此波束宽度的设置是一个值得研究的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是，针对上述问题，提出一种中继探测中的波束宽度优化方法。 本发明的技术方案为：一种中继探测中的波束宽度优化方法，该方法用于毫米波 无线 通信系统，所述毫米波无线通信系统包括信源、信宿和中继节点，设定毫米波无线通 信系统 中传输的时隙大小为ts，信源和信宿之间通过直接链路进行信号传输，直连链路的 信道容量 为cd，直接链路上每个时隙的阻塞概率独立都为p，当直接链路阻塞时，信源和信 宿之间通 过中继链路进行信号传输，中继链路的信道容量为cr，在进行中继链路传输时， 每隔τ个时 隙对直接链路进行探测，每次的探测时间开销为t0，若探测到直接链路没有阻 塞，由中继链 路转为直连链路进行传输；其中，直连链路的信道容量cd为： cd＝Wm*log2(1 SNR) 中继链路的信道容量cr为： cr＝αcd α∈(0,1] 4 CN 111600641 A 说 明 书 3/7 页 Wm表示毫米波频段的带宽，SNR为信噪比： ptr表示发射端的发射功率，n表示高斯白噪声功率，g表示发射器和接收器间的信 道增 益，ε表示天线旁瓣增益，θ表示接收端的波束宽度； 每次的探测时间开销t0为： 表示发射端扇区级波束宽度，Ta表示一次导频传输所需的时间，即波束训练开 销， 表示向上取整的符号； 其特征在于，所述波速宽度优化方法包括： 建立毫米波无线通信系统的实际吞吐率模型E(C)为： 将波速宽度θ代入模型得： 以吞吐率E(C)最大化为目标，对上述模型进行求解，即可获得最优的波速宽度θ。 本发明的有益效果是：通过对波束宽度的优化，提升了通信系统的吞吐率。 附图说明 图1为世界各国开放的频段示意图； 图2为本发明的通信系统模型示意图； 图3为Direct-Relay周期示意图； 图4为n＝6,m＝4的Direct-Relay周期示意图； 图5为E(C) '和θ的关系示意图； 图6为四种θ方案下的中继直连链路信道容量比与吞吐率期望的关系示意图； 图7为中继直连链路信道容量比与最优θ的关系示意图； 图8为四种θ方案下的阻塞概率与吞吐率的关系示意图。
