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一种针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法

阅读：690发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法，包括如下步骤：(1)接收机在接收到信号之后通过加权合并，预先赋形加权合并，赋形加权因子采用预存的赋形加权因子w1，w2，…wka，在有用信号上形成主波束，由于估计最佳解需要的数据是含噪声的，加权合并后同步有利于提升有用信号功率，后续能够在一个更高的信噪比 SNR上进行同步的滑动处理；(2)信号同步后，可以提取参考信号，得到各天线阵元的估计信道，从而得到最新的赋形向量权值；(3)使用最新的赋形向量权值对每通道的信号进行加权，从而能够准确解调出接收信号，完成接收赋形(4)用赋形向量对即将的发射信号进行加权，从各自的天线阵元发送出去，完成发送赋形。，下面是一种针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)接收机在接收到信号之后通过加权合并，预先赋形加权合并，赋形加权因子采用预存的赋形加权因子w1，w2，…wka，在有用信号上形成主波束，加权合并后进行同步；(2)信号同步后，提取参考信号，得到各天线阵元的估计信道，从而得到最新的赋形向量权值；(3)使用最新的赋形向量权值对每通道的信号进行加权，从而能够准确解调出接收信号，完成接收赋形；(4)用赋形向量对即将发射的信号进行加权，从各自的天线阵元发送出去，完成发送赋形。
2.根据权利要求1所述的针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法，其特征在于，还包括如下步骤：接收机赋形接收时，采用微小滑动得到最佳匹配点进行系数计算，计算出这次最新的加权系数，通过得到每一根天线的加权系数计算出最佳加权系数，即为最新赋形因子。
3.根据权利要求2所述的针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法，其特征在于，还包括如下步骤：采用分块迭代模式，在每个迭代步骤，n时刻的权向量加上一个校正量后，即组成(n+1)时刻的权向量用它逼近最佳权向量w。

说明书全文

一种针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线通讯领域，具体是一种针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法。

背景技术

[0002] “波束赋形(Beamforming)又叫波束成型、空域滤波，是一种使用传感器阵列定向发送和接收信号的信号处理技术。波束赋形技术通过调整相位阵列的基本单元的参数，使得某些角度的信号获得相长干涉，而另一些角度的信号获得相消干涉。波束赋形既可以用于信号发射端，又可以用于信号接收端。”

[0003] 下面以m个阵元的直线线阵作为模型来说明，如图3：

[0004] 图3给出了一个m个天线组成的线阵。在这个线阵中，m个全向天线单元被排列为一条直线，各相邻天线单元之间的间隔相同。而且相距λ0/2，λ0为波长。假定所采用的测试信号为该测试信号的平面电磁波入射方向为θ，且每个全向阵元均具有单位增益，则在相邻天线单元间的波程差相位滞后(或超前)。

[0005] 而用于各个天线单元的补偿时间延迟τ(单位为秒)所引起的相位滞后，于是可得阵列输出信号s0(t)为:

[0006]

[0007]

[0008] 阵列的方向图函数F(θ)的振幅为:

[0009]

[0010] 由上式知，当 φ θ时，方向图振幅的最大。

[0011] 如图4所示：N个天线单元，等间距直线状排成阵列天线。

[0012] 在窄带信号条件下，假定电波S(t)从正面方向以角度θ入射，以第一个天线单元为参考，无观测噪声时，第m个天线单元接收的信号Xm(t)可表示为：

[0013]

[0014] 其中为信号中心频率，天线阵接收信号矢量经复数加权，可表示为：

[0015]

[0016] 自适应天线的各个天线单元接收到的信号经过权的复加，试信号的振幅和相位发生变化，最后进行求和输出。因为接收信号为波，选择调整信号的振幅和相位，进行波的合成。又因为数字数波成形，但是现有多天线系统如何更好的利用赋形因子，完成多天线数据的叠加，以及如何更好的同步没有看到相关的论述。

发明内容

[0017] 本发明的目的在于提供一种针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0018] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0019] 一种针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法，包括如下步骤：(1)接收机在接收到信号之后通过加权合并，预先赋形加权合并，赋形加权因子采用预存的赋形加权因子w1，w2，…wka，在有用信号上形成主波束，加权合并后进行同步；(2)信号同步后，提取参考信号，得到各天线阵元的估计信道，从而得到最新的赋形向量权值；(3)使用最新的赋形向量权值对每通道的信号进行加权，从而能够准确解调出接收信号，完成接收赋形；(4)用赋形向量对即将发射的信号进行加权，从各自的天线阵元发送出去，完成发送赋形。

[0020] 作为本发明进一步的技术方案：还包括如下步骤：接收机赋形接收时，采用微小滑动得到最佳匹配点进行系数计算，计算出这次最新的加权系数，通过得到每一根天线的加权系数计算出最佳加权系数，即为最新赋形因子。

[0021] 作为本发明进一步的技术方案：还包括如下步骤：采用分块迭代模式，在每个迭代步骤，n时刻的权向量加上一个校正量后，即组成(n+1)时刻的权向量用它逼近最佳权向量w。

[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明方法解决了接收机多天线单载波频域均衡过于耗费FPGA资源问题，简化处理后，实现了大规模MIMO在单载波频域均衡上的使用波束赋形的问题。附图说明

[0023] 图1为现有技术流程图。

[0024] 图2为本针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法的流程图。

[0025] 图3为直线阵列接收信号示意图。

[0026] 图4为自适应直线阵列天线示意图。

[0027] 图5为平面阵列单元的位置和相位图。

[0028] 图6为半球面上的点在阵列平面上的投影图。

[0029] 图7为4根天线的加权向量的功率分布图。

具体实施方式

[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0031] 一种针对智能多天线波束赋形实现单载波均衡的方法，包括如下步骤：(1)借助参考信号得到各天线阵元的估计信道；(2)使用估计信道确定阵元的权值；(3)用赋形向量对每通道的信号进行加权，从各自的天线阵元发送出去。这样发送出去的信号的波形就具有一定的方向性，从而达到充分利用有效信号和抑制干扰信号的目的，达到空间域滤波的作用。

[0032] 接收机在接收到信号之后通过加权合并，预先赋形加权合并，赋形加权因子采用预存的赋形加权因子w1，w2，…wka，在有用信号上形成主波束，由于估计最佳解需要的数据是含噪声的，加权合并后同步有利于提升有用信号功率，后续能够在一个更高的信噪比SNR 上进行同步的滑动处理。

[0033] 此时的加权因子等效于信号来波方向在不同天线上的反映，现在使用最多的多天线是平面阵列，通过接收平面阵列二维空间的信号进行信号相关，加权计算。

[0034] 平面阵列能在二维空间控制波束。在球坐标系中，单位半球面上的点由两个坐标θ和 φ来确定，θ是从法线量起的扫描角，而φ是从x轴量起的扫描平面。考虑将半球面上的点向一个平面上的投影；平面的轴是方向余弦cosαx,cosαy。对于半球面XOY上的任意方向，方向余弦为

[0035] cosαx＝sinθcosφ

[0036] cosαy＝sinθsinφ

[0037] 扫描方向由方向余弦cosαxs,cosαys来表示。这里，扫描面由从cosαχ轴反时针旋转测量的角度φ来确定，并由下式给出。

[0038]

[0039] 扫描角θ由原点到点(cosαxs,cosαys)的距离确定。这一距离等于sinθ。

[0040]

[0041] 为此把这种类型表示称为sinθ空间。sinθ空间的特征是天线波瓣图形对扫描方向而言是不变的。随着波束扫描，图形中的每一个点和波束最大值一样，在同一方向并以同样距离移动。

[0042] 在单位圆以内的范围，由于θ是信号与法线Z轴的夹角，信号到Z轴的投影是cosθ与 XOY的投影是sinθ，然后再分别投影到X轴和Y轴上

[0043] cosαx＝sinθcosφ

[0044] cosαy＝sinθsinφ

[0045] 故此有

[0046] sin2θ+cos2θ＝1

[0047] (sinθcosφ)2+(sinθsinφ)2+cos2θ＝1

[0048] cos2αx+cos2αy+cos2θ＝1

[0049] cos2αx+cos2αy≤1

[0050] 称为实空间，能量向这个半球内辐射。在单位圆以外的无穷大区域，称为虚空间。虽然没有功率辐射到虚空间，但在阵列扫描时，为观测栅瓣运动，这个概念是有用的。另外，虚空间的波瓣图表示储存的能量，并且它对阵列中的单元阻抗有影响。

[0051] 最普通的单元点阵不是矩形格子就是三角形格子。第mn单元位于(mdx，ndy)。三角形格子可以想像为每隔一个单元省去一个单元的矩形格子。在这种情况下，通过要求(m+n)为偶数值的方法，可以确定单元的位置。

[0052] 由于采用方向余弦的坐标系统，单元控制相位的计算大大简化。在这一系统中，由波束控制方向(cosαxs,cosαys)所定义的线性相位的渐变可以在每个单元上加起来。因此，第 mn单元上的相位由下式给出。

[0053] ψmn＝mTxs+nTys

[0054] 式中，Txs＝(2π/λ)dxcosαxs为在x方向上单元之间的相移；Tys＝(2π/λ)dycosαys为在y 方向上单元之间的相移。

[0055] 二维阵列的阵因子可以由阵列中各个单元在空间每一点贡献的矢量和来计算。对于向着方向余弦cosαxs和cosαys给出的方向扫描的阵列，M×N个辐射元的矩形阵列的阵因子可以写成

[0056]

[0057] 式中，Tx＝(2π/λ)dxcosαx；Ty＝(2π/λ)dy cosαy；Amn为第mn个单元的幅度。

[0058] 阵列可看成具有无限个栅瓣，但只希望在实空间内仅有一个瓣(即主瓣)。当控制了相位使主瓣指向法线方向时，很容易绘出栅瓣位置，并在主瓣扫描时观察它们的运动。

[0059] 在窄带信号条件下，假定电波S(t)从正面方向以角度θ入射，无观测噪声时，第(m,n) 个天线单元接收的信号X,m,n(t)可表示为：

[0060]

[0061] 天线阵列接收到这个信号后，进行矢量经复数加权，可表示为：

[0062]

[0063] 对于初始状态可以设置wm,n＝[1,1,1,...1]

[0064] 接收信号加权合并后的信号与本地导频信号相关，得到总的同步点MAXPos，所有Ka根天线都按照这个同步点MAXPos进行同步位置调整，但是由于实际情况是移动用户多数情况下是在运动中通信的，通信过程中的信道和信源的波达方向均是都是变化着的，在这样的条件下，最佳波束成形应该具有实时自适应的更新功能：不断更新权向量的功能，所以本次接收机真正接收机赋形接收时，需要计算出这次最新的加权系数.每一根天线的权向量，这些权向量的峰值点不一定在同一个采样点，下面4根天线的最佳采样点分别是【5,5,5,6】，采用微小滑动得到最佳匹配点，从而得到每一根天线的加权向量。为了提升性能，对于不同步天线位置进行调整，使得每一根天线的最佳权值都保持同步，针对第 4根天线信号往前面移动一位，从而4根天线的峰值点在同一个位置，这样就能更加准确的计算出每一根天线的最佳加权系数。

[0065] 具体的加权系数如下，只有第4根天线的最大数值在第6位置，其他天线的最大位置在第5的位置，如果第六根天线的加权系数和信号都前移一位，这样最佳加权系数就同步了。

[0066] h_A＝

[0067] h1＝[0.0234-0.0078i 0.0272+0.0049i 0.0720-0.0358i 0.1260+0.2202i -0.4157-0.2799i -0.2502-0.1144i -0.1441+0.0042i 0.0331-0.0475i -0.0098-0.0326i -0.0166+0.0155i]

[0068] h2＝[0.0200+0.0035i 0.0506+0.0239i -0.0596+0.1098i -0.0590-0.1215i 0.2000-0.4193i 0.0764-0.0777i 0.1113+0.0120i 0.0076-0.0585i 0.0621-0.0486i
0.0188+0.0087i]

[0069] h3＝[0.0129-0.0078i -0.0211-0.0546i -0.0411-0.1189i 0.1742+0.0936i 0.0043+0.4224i -0.1429-0.0198i -0.0490+0.0536i -0.0078+0.0358i -0.0102+
0.0377i 0.0151-0.0283i]

[0070] h4＝[0.0079-0.0097i 0.0004-0.0080i 0.0214-0.0287i -0.2732-0.0266i -0.0882+0.1885i 0.3382+0.2448i 0.0975+0.1173i -0.0957+0.0303i -0.0191+0.0750i
0.0070-0.0271i]

[0071] 但是由于实际情况是移动用户多数情况下是在运动中通信的，通信过程中的信道和信源的波达方向均是都是变化着的，在这样的条件下，最佳波束成形应该具有实时自适应的更新功能：不断更新权向量的功能，所以本次接收机真正接收机赋形接收时，需要计算出这次最新的加权系数，采用微小滑动得到最佳匹配点进行系数计算。通过得到每一根天线的系数计算出最佳加权系数(计算出来的最新加权系数就是最新赋形因子)，加权系数的更新，使之能够利用已求出的权向量，求解最佳响应估计，达到减少噪声的目的。因此，在应用上，必须具有周期更新权向量的功能。

[0072] 周期更新权向量采用分块迭代模式，在每个迭代步骤，n时刻的权向量加上一个校正量后，即组成(n+1)时刻的权向量用它逼近最佳权向量w。

[0073] 在分块迭代模式中，权向量不是每个时刻都更新，而是基于一个导频更新一次，它的更新是存在一个时间周期作为间隔的；由于一定时间周期对应于数据块而不是数据点，所以这种更新又称分块更新。分块迭代更新能够充分的利用每一块中的导频信息，同时还可以基于上次计算的加权信息。

[0074] 最新的赋形因子对后续信号进行合并，最新计算的赋形因子能够最好的估计出多天线的赋形情况，多天线合并后，多路信号就变成一路信号，这样就可以非常快速的实现一路信号的信道估计和均衡处理，极大的简化了多天线的处理复杂度，等同于单天线的处理复杂度。

[0075] 计算的最新赋形因子也将用于链路的发射链路，假设射端有ka根发射天线，此系数是TDD系统，发射和接收当然是公用一套天线，等到发射时刻。波束赋形的过程是：在发端，一路数据流等功率地复制为ka路子流，每路子流分别使用波束赋形权值w进行加权后从各自对应的发射天线发射出去。这样发射出去的信号的波形就具有特定的方向性，从而达到发射的空间滤波也就是发射的波束赋形效果。

[0076] 本发明方法通过先合并再信道估计和均衡，极大的简化了数字信号处理对多天线数据流的处理的同时，通过仿真先合并再进行单流均衡和多流并行均衡的性能，对比发现性能接近，所以简化处理的同时并没有带来性能的恶化。

[0077] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0078] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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