一种遮挡躲避的60GHz多天线系统及其信号处理方法

1.一种60GHz的多天线系统，包含遮挡检测器、发射机和接收机，其特征在于：所述发射机和接收机均包含首选天线选择模块和备用天线选择模块；所述首选天线选择模块用于选择高速数据传输的首选天线子阵列；所述备用天线选择模块用于选择对抗遮挡的备用天线子阵列；所述遮挡检测器用以检测障碍物并且量化其对天线阵列产生的影响；所述首选天线选择模块由天线索引管理器、开关控制、目标函数估算逻辑、迭代更新控制器子模块构成；所述天线索引管理器控制当前所选的天线阵元的索引号的生成和维护；所述开关控制决定了收发两端各个射频链路具体与哪些天线阵元相连接；所述目标函数估算逻辑位于接收端，通过接收训练序列直接估算出当前天线子集对应的目标函数；所述迭代更新控制器位于接收端，对天线选择模块中实现的迭代过程做出自适应更新；所述遮挡检测器探测遮挡通信链路的障碍物并将其在整个天线阵列上产生的遮挡效果量化为绕射比矩阵；所述备用天线选择模块由选择历史维护和评分器结合构成；所述选择历史维护子模块收集记录首选天线选择迭代过程中已评估过的天线子集及其目标函数，并随着迭代的进行不断扩充；
评分器则根据设计的评分函数和探测得到的遮挡情况为选择历史中的每个元素评分，并选择评分最高的元素作为备用天线子集；所述多天线系统收发两端的天线阵列大小分别为Nr和Nt，独立的射频链路数目分别为nr和nt，且nr≤Nr,nt≤Nt；无线信道为60GHz无线信道。
2.基于权利要求1所述多天线系统的信号处理方法，其特征在于：
(一)判断发射机和接收机是否有遮挡发生；如果没有遮挡发生，转入步骤(二)；如果有遮挡发生，转入步骤(三);
(二)无遮挡发生时的首选天线选择过程，获得信道的最优性；
(三)当发生遮挡时的备用天线选择过程，获得信道的最优性。
3.如权利要求2所述多天线系统的信号处理方法，其特征在于，所述步骤(二)无遮挡发生时的首选天线选择过程是：
(1)初始化过程:收发两端的天线索引管理器随机生成一组天线子集作为初始状态和已选天线子集；初始化迭代控制器中的概率向量；为选择历史维护向量写入初始值；
(2)采样和估算过程；进入迭代循环体，每个迭代循环体又分为nt+nr个子循环，在第k（1≤k≤nt+nr）个子循环中：
a）天线索引管理器随机的产生一个未选择的天线索引号，并用其替换当前已选天线子集中的一个元素，以生成一个仅有第k个元素不同于当前已选天线子集中对应元素的新子集；
b）分别用这两个天线子阵列的每一个发射天线阵元独立的发射训练序列，通过信道后在接收端合并获得相应的标量输出；
c）利用这些标量输出，目标函数估算逻辑分别估算出与这两个天线子阵列对应的目标函数；
(3)动态更新与自适应滤波处理：比较步骤（2）得到的两个目标函数大小，对迭代更新控制器中的概率向量做出动态更新；首先为目标函数较大但尚未在概率矢量中记录的天线子集追加记录，其次为矢量中的每个记录按下式更新概率估计值：
(n+1) (n) (n)
式中，π 表示π 更新一次之后的概率矢量；π (ω)表示天线子集ω在概率矢量中的记录；μ(n)=1/n是自适应过程的遗忘因子，反映一次更新的强度；
(4)选择判决过程：在每次迭代结束之前，从当前的概率向量中，选择出概率估计值最大的一个天线子集作为本次迭代的天线选择结果；将这个天线子集与其对应的目标函数估计值追加写入选择历史维护向量；同时，这一结果将由迭代更新控制器通过反馈链路通知发端天线索引管理器更新当前已选天线子集的索引信息；收端天线索引管理器按照同样方法通过内部通道获得该信息执行索引更新；
(5)子循环继续直到k>nt+nr；
(6)迭代循环继续直到收敛条件满足，若算法已收敛，当前已选择的天线子集即为近似全局最优的天线子阵列；选择历史维护向量中记录了该次迭代收敛过程中所有被选择过的天线子集与其目标函数估计值。
4.如权利要求3所述多天线系统的信号处理方法，其特征在于，所述步骤(2) 采样和H
估算过程中，假设信道矩阵为H，某个天线子集的优化目标函数定义为HH的主特征值，即H H
λ1(HH)，它等价于信道矩阵的主奇异值，(·) 为共轭转置；
所述目标函数估算逻辑执行的估算步骤如下所示：
(m)
1) 在第k个子循环中，独立的重复执行M次上述步骤b），得到M组含噪的标量输出y(k),1≤k≤nt,1≤m≤M；
2) 按下式作平滑处理
3)当信道中的视距分量较强且M较大时，按下式可以得到所述目标函数的估算值如上所述的目标函数估算逻辑的实现无需精确的信道估计，很大程度上降低了系统的复杂度和实现成本，便于大规模多天线系统的快速天线选择。
5.如权利要求2所述多天线系统的信号处理方法，其特征在于，所述步骤(三)当发生遮挡时的备用天线选择过程是：假设遮挡检测器可以通过探测或估计途径检测出障碍物出现与否，并且当障碍物出现在给定几何尺寸的收发机之间，产生了一定的遮挡效果，则遮挡检测器可以按下式计算得到第j根发射天线到第i根接收天线之间的绕射比其中γ=2π/λ，λ为波长；Eij表示位于第j根发射天线处，电场强度为E0的点电源绕过障碍物在位于第i根接收天线，距第j根发射天线dij处产生的电场强度；EFS是在没有障碍物的自由空间的假设下同一点电源产生的电场强度；
按照下式为选择历史向量中的各个成员评分，并选择评分最高的天线子集为对抗当前障碍物的备用天线子集；
其中，ω代表某个天线子集而Dω表示障碍物在这个天线子集上产生的绕射比矩阵；
J(ω)是记录在选择历史维护向量中的有关ω的目标函数估计；‖·‖F表示F范数；
将当前活动的天线子集从首选天线子集切换至备用天线子集；若障碍物撤离，遮挡效果消除，将活动天线子集切换回之前的首选天线子集以快速恢复信道的最优性。

一种遮挡躲避的60GHz多天线系统及其信号处理方法\n技术领域：\n[0001] 本发明属于通信领域，涉及一种多用于对抗轻量级遮挡的多天线系统及其信号处理方法，尤其是一种60GHz系统中基于备选天线子集选择的对抗轻量级遮挡的快速方法。\n背景技术：\n[0002] 在60GHz通信系统中，无线链路的连通性极易受障碍物遮挡影响。有些遮挡发生在较长时间和较大空间范围内(如室内家具摆放不当或墙壁阻隔造成的遮挡)，而其他遮挡的发生则相对较为短暂且范围较小(如人员或宠物的移动造成的暂时性遮挡)。在某些应用中短暂的信号中断是不能被接收的，如点对点的非压缩高清电视信号传输，遮挡会导致高速信号流暂时中断，影响媒体流的连贯性，大大降低服务质量。针对这一问题，一种解决方案是部署多个中继器，实现信号的临时跳转。二是应用智能天线技术，实现波束的自适应控制。三是利用天线子阵列的选择方法，尽量选择受障碍物影响较小的天线子阵列进行传输。由于60GHz系统通常配备较大规模的天线阵列，这种方法只能通过多次的迭代获得近似最优的结果。以上方法在遮挡发生时均执行某种自适应过程来减弱遮挡影响：或者选择合适的中继器来执行多跳处理，或者调整天线阵列的发射波束方向，或者迭代的选择一组更好的天线子集进行收发。虽然他们均能有效地对抗发生在较大尺寸和较为静止的遮挡效果。然而在某些场景下，特别是轻量级遮挡频发的情况下采用上述方法将付出过大的成本。因此，研究一种能快速有效对抗轻量级遮挡的多天线系统是有实际意义的。\n发明内容：\n[0003] 本发明所解决的技术问题是提供一种既能自适应的选择收发天线子阵列来优化系统，又能以较低的成本有效地对抗频发的、小范围的、暂时性的轻量级遮挡的多天线系统及其信号处理方法。解决了现有方法在对抗频发的轻量级遮挡时成本较高而效率较低这一问题。所提出的多天线系统在没有遮挡的情况下可以优化选择出最优的天线子集用于高速数据传输。当最优的天线子集受到障碍物遮挡时，又可以快速方便的切换到一组备用天线子集以防止严重的链路衰减，维持链路的连通性。\n[0004] 本发明针对上述方法中存在的问题，基于随机优化的天线选择算法，提出了一种\n60GHz的多天线系统，包含遮挡检测器、发射机和接收机，所述发射机和接收机均包含首选天线选择模块和备用天线选择模块；所述首选天线选择模块用于选择高速数据传输的首选天线子阵列；所述备用天线选择模块用于选择对抗遮挡的备用天线子阵列；所述遮挡检测器用以检测障碍物并且量化其对天线阵列产生的影响；所述首选天线选择模块由天线索引管理器、开关控制、目标函数估算逻辑、迭代更新控制器等子模块构成；所述天线索引管理器控制当前所选的天线阵元的索引号的生成和维护；所述开关控制决定了收发两端各个射频链路具体与那些天线阵元相连接。所述目标函数估算逻辑一般位于接收端，并通过接收训练序列直接估算出当前天线子集对应的目标函数；所述迭代更新控制器一般位于接收端，对天线选择模块中实现的迭代过程做出自适应更新；所述遮挡检测器探测遮挡通信链路的障碍物并将其在整个天线阵列上产生的遮挡效果量化为绕射比矩阵；所述备用天线选择模块由选择历史维护和评分器结合构成；所述选择历史维护子模块收集记录首选天线选择迭代过程中已评估过的天线子集及其目标函数，并随着迭代的进行不断扩充；评分器则根据设计的评分函数和探测得到的遮挡情况为选择历史中的每个元素评分，并选择评分最高的元素作为备用天线子集；所述多天线系统收发两端的天线阵列大小分别为Nr和Nt，独立的射频链路数目分别为nr和nt，且nr≤Nr，nt≤Nt；所述无线信道为60GHz无线信道。\n[0005] 所述多天线系统的信号处理方法：\n[0006] (一)判断发射机和接收机是否有遮挡发生；如果没有遮挡发生，转入步骤(二)；\n如果有遮挡发生，转入步骤(三)；\n[0007] (二)无遮挡发生时的首选天线选择过程，获得信道的最优性；\n[0008] (三)当发生遮挡时的备用天线选择过程，获得信道的最优性。\n[0009] 所述步骤(二)无遮挡发生时的首选天线选择过程是：\n[0010] (1)初始化过程：收发两端的天线索引管理器随机生成一组天线子集作为初始状态和已选天线子集；初始化迭代控制器中的概率向量；为选择历史维护向量写入初始值；\n[0011] (2)采样和估算过程；进入迭代循环体，每个迭代循环体又分为nt+nr个子循环，在第k(1≤k≤nt+nr)个子循环中；\n[0012] a)天线索引管理器随机的产生一个未选择的天线索引号，并用其替换当前已选天线子集中的一个元素，以生成一个仅有第k个元素不同于当前已选天线子集中对应元素的新子集；\n[0013] b)分别用这两个天线子阵列的每一个发射天线阵元独立的发射训练序列，通过信道后在接收端合并获得相应的标量输出；\n[0014] c)利用这些标量输出，目标函数估算逻辑分别估算出与这两个天线子阵列对应的目标函数；\n[0015] (3)动态更新与自适应滤波处理：比较步骤2得到的两个目标函数大小，将较大者定为下次迭代的当前天线子集。对迭代更新控制器中的概率向量做出动态更新；首先为目标函数较大但尚未在概率矢量中记录的天线子集追加记录，其次为矢量中的每个记录按下式更新概率估计值：\n[0016] π(n+1)＝[1-μ(n+1)]π(n)\n[0017] (1)\n[0018] π(n+1)(ω)＝π(n+1)(ω)+μ(n+1)\n[0019] 式中，π(n+1)表示π(n)更新一次之后的概率矢量；π(n)(ω)表示天线子集ω在概率矢量中的记录；μ(n)＝1/n是自适应过程的遗忘因子，反映一次更新的强度；\n[0020] (4)选择判决过程：在每次迭代结束之前，从当前的概率向量中，选择出概率估计值最大的一个天线子集作为本次迭代的天线选择结果，即已选天线子集；将这个天线子集与其对应的目标函数估计值追加写入选择历史维护向量；同时，这一结果将由迭代更新控制器通过反馈链路通知发端天线索引管理器更新当前已选天线子集的索引信息；收端天线索引管理器按照同样方法通过内部通道获得该信息执行索引更新；\n[0021] (5)子循环继续直到k＞nt+nr；\n[0022] (6)迭代循环继续直到收敛条件满足，若算法已收敛，当前已选择的天线子集即为近似全局最优的天线子阵列；选择历史维护向量中记录了该次迭代收敛过程中所有被选择过的天线子集与其目标函数估计值；\n[0023] 所述步骤(2)采样和估算过程中，假设信道矩阵为H，某个天线子集的优化目标函H H H\n数定义为HH的主特征值，即λ1(HH)，它等价于信道矩阵的主奇异值，(·) 为共轭转置；\n[0024] 所述目标函数估算模块执行的估算步骤如下所示：\n[0025] 4)在第k个子循环中，独立的重复执行M次上述步骤b)，得到M组含噪的标量输(m)\n出y (k)，1≤k≤nt，1≤m≤M；\n[0026] 5)按下式作平滑处理\n[0027] \n[0028] \n[0029] 6)当信道中的视距分量较强且M较大时，按下式可以得到所述目标函数的估算值[0030] \n[0031] 如上所述的目标函数估算逻辑的实现无需精确的信道估计，很大程度上降低了系统的复杂度和实现成本，便于大规模多天线系统的快速天线选择。\n[0032] 所述步骤(三)当发生遮挡时的备用天线选择过程是：假设遮挡检测器可以通过探测或估计等途径检测出障碍物出现与否，并且当障碍物出现在给定几何尺寸的收发机之间，产生了一定的遮挡效果，则遮挡检测器可以按下式计算得到第j根发射天线到第i根接收天线之间的绕射比\n[0033] \n[0034] \n[0035] 其中γ＝2π/λ，λ为波长。Eij表示位于第j根发射天线处，电场强度为E0的点电源绕过障碍物在位于第i根接收天线，距第j根发射天线dij处产生的电场强度。EFS是在没有障碍物的自由空间的假设下同一点电源产生的电场强度。\n[0036] 按照下式为选择历史向量中的各个成员评分，并选择评分最高的天线子集为对抗当前障碍物的备用天线子集。\n[0037] \n[0038] 其中，ω代表某个天线子集而Dω表示障碍物在这个天线子集上产生的绕射比矩阵；J(ω)是记录在选择历史维护向量中的有关ω的目标函数估计；||·||F表示F范数。\n[0039] 将当前活动的天线子集从首选天线子集切换至备用天线子集；若障碍物撤离，遮挡效果消除，将活动天线子集切换回之前的首选天线子集以快速恢复信道的最优性。\n[0040] 本发明所提供的多天线系统无需精确的信道估计便可以快速的选择最优的天线子阵列，而且在遮挡发生时通过从选择历史中筛选并简单的切换至一组优选的备用天线子阵列来有效地减弱障碍物对当前活动的天线子阵列产生的遮挡效果。与现有的系统相比，由于备用天线的选择来自于首选天线选择的历史记录，因而无需额外的迭代和自适应过程，计算复杂度低，切换过程快速，易于工程上实现。特别适合具有大规模天线阵列的高速数据传输系统应用。\n附图说明：\n[0041] 图1为本发明的障碍物遮挡模型图；\n[0042] 图2为本发明实现遮挡躲避的多天线系统结构示意图；\n[0043] 图3为本发明实现遮挡躲避前后信道优化性能对比图(独立运行100次的平均结果)；\n[0044] 其中：101为发射机；102为发射天线阵列；103为多个障碍物所在平面；104为接收天线阵列；105为接收机；106为某一障碍物；201为信源模块；202为发射端基带处理模块；203为发射端乘法器；204为发射端波束成型器；205为发射端并行射频链路(共nt个)；\n206为发射端射频链路-天线转接器；207为发射端天线阵列；208为发端天线选择模块；\n208.1为发射端天线索引管理模块；208.2为发射端开关控制器；209为收端首选天线选择模块；209.1为收端天线索引管理模块；209.2为收端开关控制器；209.3为目标函数估算逻辑模块；209.4为迭代更新控制器；210为接收天线阵列；211为接收端天线-射频链路转接器；212为接收端并行射频链路(共nr个)；213为接收端波束成型器；214为接收端乘法器；215为接收端加法器；216为接收端基带处理模块；217为信宿模块。\n具体实施方式：\n[0045] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：\n[0046] 参见图1、2，下面给出一个实例，用以说明本发明所述多天线系统采用的遮挡躲避方法对抗遮挡所能达到的效果。不失一般性的，假设发射和接收天线阵列分别具有32个和\n10个天线阵子，而收发两端均只有10个并行的可用射频链路。所述多天线系统需要自适应的从32个发射天线中选取10个发射天线与所有的接收天线组成10×10的天线子阵列，使得它对应的子信道矩阵在所有相同维数的天线子阵列中具有最大的主奇异值，由此获得一组首选的天线子阵列用于无遮挡时的高速数据传输。在此之后，假设障碍物出现在收发两端产生遮挡效果。为说明方便，假设位于同一平面的多个障碍物仅位于每个首选的发射天线阵元附近。显然，这样的障碍物产生了“最坏”的遮挡效果。所述系统中的备用天线选择模块根据障碍物的遮挡效果快速的选择并切换到一组备用的天线子阵列以试图躲避受严重遮挡的阵元，维持所选信道的最优性。\n[0047] 首先，在自由空间的假设下，按照下面的系统参数，进入首选天线子阵列选择过程。\n[0048] ●天线阵列维数：Nr×Nt＝10×32\n[0049] ●可用射频链路数目：nr×nt＝10×10\n[0050] ●信道模型：准静态的Rician信道模型，K因子10dB\n[0051] ●信噪比：10dB\n[0052] ●估算目标函数的独立副本数目：M＝10\n[0053] 序贯随机优化算法步骤：\n[0054] 1.初始化过程。随机生成一组10个不重复的发射天线索引序列，记为ω(0)。将(0) (0)\n它设为当前天线子集ω＝ω 和已选天线子集 设置概率矢量初值：π＝[ω 1]T\n。设置选择历史维护向量初值，\n[0055] 2.进入迭代过程。每个迭代过程分为10个子迭代过程，分别对应每个发射射频链路。在每个子迭代中，用一个随机的天线索引(不包含在当前天线子集中)替换当前天线子集ω的第k个天线索引，生成新的天线子集 按照下面的步骤估算ω和 的目标函数。\n[0056] a)用ω和 的每一个天线阵元发送全1的训练序列，在接收端合并后分别得到nt个标量输出。\n[0057] b)独立的重复10次步骤a)并按(2)式做平滑处理\n[0058] c)按(3)式获得ω和 的目标函数估计值，φ(ω)和\n[0059] 3.比较φ(ω)和 的大小，将较大者定为下次迭代的当前天线子集，ω(n+1)。\n并检查该子集是否在概率向量中有记录，若没有要新增一条记录。按(1)式对概率向量做自适应滤波处理。\n[0060] 4.选择、判决和历史维护过程。从概率向量中选取一个对应概率值最大的天线子集作为下一次迭代的已选天线子集， 并将其连同目标函数估计值 追加写入选择历史维护向量，\n[0061] 5.继续子迭代与迭代过程直到收敛条件满足，如已选天线子集连续多次没有变化。\n[0062] 上述迭代过程结束后，已选天线子集即为首选天线子集，可与波束赋形技术结合进行高速数据传输。\n[0063] 为了比较方便，假设在上述迭代过程的每次迭代的最后，前述“最坏”的障碍物出现在收发两端，所述系统将进入备用天线选择过程，实施遮挡躲避措施。结合图1，本实例按照如下几何参数说明遮挡躲避的效果。\n[0064] ●收发天线阵列距离：64距离单位\n[0065] ●天线阵元间距：1距离单位\n[0066] ●障碍物平面距离发射天线距离：5距离单位\n[0067] ●位于每个发射天线附近的障碍物宽度：1距离单位\n[0068] ●1距离单位＝1/2波长\n[0069] 所述系统的备用天线选择模块执行如下步骤选择备用天线：\n[0070] 1.根据如图1所示的遮挡场景，结合几何信息，利用(4)式计算全局绕射比矩阵，D。\n[0071] 2.查询当前已有的选择历史维护向量 为其中包含的每一个天线子集(记为ω)计算局部绕射比矩阵Dω。结合目标函数估计值J(ω)，按(5)式计算该天线子集在当前障碍物遮挡下的评分值S(ω，Dω)。\n[0072] 3.选择一个评分值最大的天线子集作为对抗当前遮挡的备用天线子集，并将当前活动的天线阵列切换至备用天线子集。\n[0073] 图3比较了在首选天线选择迭代过程中启动备用天线选择过程时，首选天线子集和备用天线子集分别在自由空间(无遮挡)和“最坏”障碍物遮挡情况下信道主特征值。\n同时为了比较，还给出了两种情况下1000个随机天线子集中最好的信道性能。图3显示为\n100次独立运行的平均结果。可以看出，障碍物对首选天线子集产生了严重的遮挡效果。而因为有了备用天线子集，系统有效地躲避了这种严重的遮挡效果，信道的最优性得到了较大程度的维持。\n[0074] 所述多天线系统通过备用天线的选择尽可能的维持了信道的最优性，一定程度上起到了对抗遮挡的效果，使得无线通信链路得以维持。所述系统采用的首选天线选择方法无需信道估计，计算简单有效，适用于大规模多天线阵列系统。备用天线选择过程无需额外的迭代过程，保存并重复利用原先迭代过程的结果根据障碍物做出判断，切换过程简单快速，适合对抗60GHz系统中临时的、小范围的、频发的轻量级遮挡。\n[0075] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。