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均匀矩形阵列下的全方向波束赋形设计方法

阅读:1043发布:2020-07-06

专利汇可以提供均匀矩形阵列下的全方向波束赋形设计方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 属于公共 信号 传输技术领域,具体为一种均匀矩形阵列下基于互补序列的全方向波束赋形设计方法。本发明方法包括:对于M根天线组成的均匀矩形大规模天线阵列组成的基站端,将流入待发送的数据流进行空时 块 编码,利用4个波束赋形向量W对空时块编码进行波束赋形,得到发送信号X=WB,是基站端待广播发送给各个用户的公共信号,且每一个波束赋形向量 可以分组成P个对应矩形阵列P行天线的长为Q的向量:最后确定波束赋形矩阵设计方案。本发明能在各个方向达到完全平滑的波束图,并且具有低复杂度和有闭式解的优秀特性;且设计方案中的码字本身具有恒模特性,使整个波束赋形方案可以仅仅使用模拟域波束赋形架构高效实现,有效提升 硬件 效率。,下面是均匀矩形阵列下的全方向波束赋形设计方法专利的具体信息内容。

1.一种均匀矩形阵列下的全方向波束赋形设计方法,其特征在于,具体步骤为:
第一步,对于一个M根天线组成的均匀矩形大规模天线阵列组成的基站端,将流入待发送的数据流进行空时编码,空时块编码所用矩阵为4×N,具体如下:
M=P×Q,P、Q为天线阵列的行和列;
第二步,利用4个波束赋形向量W=[w1,w2,…,w4],即一个M×4维的波束赋形矩阵,对得到的空时块编码进行波束赋形,得到发送信号如下:
X=WB         (2)
其中, 是基站端待广播发送给各个用户的公共信号,且每一个波束赋形向量wk可以分组成P个对应矩形阵列P行天线的长为Q的向量:wk=[wk,1T,wk,2T,…,wk,PT]T,k=1,
2,…,4,wk,p=[wk,p1,wk,p2,…,wk,pQ]T;
第三步,定义上述第一步中均匀矩形阵列的导向矢量矩阵 及其矢量化后的导向矢量 如下:
其中,和θ是均匀矩形阵列下空间某一发射方向与x-轴和z-轴形成的夹,dy和dx分别表示均匀矩形阵列相邻天线在y-轴和x-轴上的间距,λ表示发射信号波长,操作vec表示矩阵列向量化;由此得到系统有效的阵列响应:
再进一步结合空时块编码,得到用户端接收信号处理后的信号噪声比SNR为:
其中,ES是发送信号的能量,σ2是噪声能量, 代表输入信噪比
第四步,为了使发送波束图达到全平,设计波束赋形矩阵达到如下目标:
定义, 将其分成P×P个子矩阵如下:
其中:
2.根据权利要求1所述的均匀矩形阵列下的全方向波束赋形设计方法,其特征在于,第四步中,完成全方向波束赋形设计,用到如下已有序列:
两个长为L的序列c1和c2:
c1=(c1,1,…,c1,L),c2=(c2,1,…,c2,L)       (9)
其非周期相关函数 定义为:
关于c的自相关函数与式(9)相同,只要设置c=c1=c2;一个序列集 若满足以下公式:
则被称为(N,L)互补序列集;其中,δ(τ)是克罗内克-delta函数,且
全方向波束赋形矩阵为达到全方向覆盖,需要满足如下要求:
定义公式(8)中S矩阵的各对角线上的子矩阵块之和如下:
并以 和 重写公式(3),并代入公式(7)经过推导后得
到:
其中, 代表在第(-n)条副对角上为1、其余对角线上全为零的托普利兹矩阵;从公式(13)可知,每一个方向上得到的信号能量是 的二维傅里叶变换,于是,
满足如下条件:
则得到的 的值与方向 无关;
第四步中,所使用的波束赋形矩阵设计方案具体如下:
假设b1,b2是长度为P的互补序列,c1,c2是长度为Q的互补序列,则满足全方向覆盖的秩为4波束赋形矩阵设计如下:
其中, 操作 表示克罗尼克积;
由公式(15)及公式(8)得到:
其中,b1=[b11,b12,…,b1P]T,b2=[b21,b22,…,b2P]T,c1=[c11,c12,…,c1Q]T,c2=[c21,c22,…,c2Q]T;
再根据公式(13)得到:
即由公式(15)构造的全方向波束赋形矩阵满足全方向覆盖条件,即公式(14)。

说明书全文

均匀矩形阵列下的全方向波束赋形设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于公共信号传输技术领域,具体涉及全方向波束赋形设计方法。

背景技术

[0002] 大规模天线是实现5G商用的关键技术之一,天线规模增大之后为了便于产品化,其实现更倾向于使用均匀矩形阵列。对于部署均匀矩形阵列的基站端,实现公共信号的全方向传输与全小区覆盖是提升整体网络性能的关键因素之一。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种对均匀矩形阵列能够实现公共信号全方向传输的全方向波束赋形设计方法。
[0004] 本发明提供的均匀矩形阵列下的全方向波束赋形设计方法,具体步骤为:
[0005] 第一步,对于一个M根天线组成的均匀矩形大规模天线阵列组成的基站端,将流入待发送的数据流进行空时编码,空时块编码所用矩阵为4×N,具体如下:
[0006]
[0007] M=P×Q,P、Q为天线阵列的行和列;参见图1所示;
[0008] 第二步,利用4个波束赋形向量W=[w1,w2,…,w4](也就是一个M×4维的波束赋形矩阵)对得到的空时块编码进行波束赋形,得到发送信号如下:
[0009] X=WB   (2)
[0010] 其中, 是基站端待广播发送给各个用户的公共信号,且每一个波束赋形向量wk可以分组成P个对应举行阵列P行天线的长为Q的向量:wk=[wk,1T,wk,2T,…,wk,PT]T,Tk=1,2,3,4,其中wk,p=[wk,p1,wk,p2,…,wk,pQ];
[0011] 第三步,上述第一步中均匀矩形阵列的导向矢量矩阵 及其矢量化后的导向矢量 定义如下:
[0012]
[0013]
[0014] 其中,和θ是如图1所示均匀矩形阵列下空间某一发射方向与x-轴和z-轴形成的夹,dy和dx分别表示均匀矩形阵列相邻天线在y-轴和x-轴上的间距,λ表示发射信号波长,操作vec表示矩阵列向量化;由此可得到系统有效的阵列响应:
[0015]
[0016] 再进一步结合空时块编码,根据参考文献[1],可以得到用户端接收信号处理后的信号噪声比(SNR)为:
[0017]
[0018] 其中,ES是发送信号的能量,σ2是噪声能量, 代表输入信噪比
[0019] 第四步,为了使发送波束图达到全平,设计波束赋形矩阵达到如下目标:
[0020]
[0021] 定义, 将其分成P×P个子矩阵如下:
[0022]
[0023] 其中:
[0024] 第四步中,完成全方向波束赋形设计,需要用到的已有序列如下:
[0025] 考虑两个长L的序列c1和c2如下:
[0026] c1=(c1,1,…,c1,L),c2=(c2,1,…,c2,L)   (9)
[0027] 其非周期相关函数 定义为:
[0028]
[0029] 关于c的自相关函数与式(9)相同,只要设置c=c1=c2;一个序列集 若满足以下公式:
[0030]
[0031] 则被称为(N,L)互补序列集;其中,δ(τ)是克罗内克-delta函数,且[0032] 第四步中,全方向波束赋形矩阵为达到全方向覆盖所需要满足的要求如下:
[0033] 定义公式(8)中S矩阵的各对角线上的子矩阵块之和如下:
[0034]
[0035] 并以 和 重写公式(3),并代入公式(7)经过推导后得到:
[0036]
[0037] 其中, 代表在第(-n)条副对角上为1其余对角线上全为零的托普利兹矩阵(-n大于0为上对角,小于0为下对角);从公式(13)可以看到,每一个方向上得到的信号能量是的二维傅里叶变换,因此只要 满足如下条件:
[0038]
[0039] 则得到的 的值与方向 (包含在(u,v)中)无关。
[0040] 第四步中,所使用的波束赋形矩阵设计方案具体如下:
[0041] 假设b1,b2是长度为P的互补序列,c1,c2是长度为Q的互补序列,则可满足全方向覆盖的秩为4波束赋形矩阵可设计如下:
[0042]
[0043] 其中, 操作 表示克罗尼克积。(实际上,如果将各列展开成矩阵,则得到四个矩阵 )
[0044] 由公式(15)及公式(8)可以得到:
[0045]
[0046] 其中,b1=[b11,b12,…,b1P]T,b2=[b21,b22,…,b2P]T,c1=[c11,c12,…,c1Q]T,c2=[c21,c22,…,c2Q]T。
[0047] 再根据公式(13)得到:
[0048]
[0049] 因此,由公式(15)构造的全方向波束赋形矩阵满足全方向覆盖条件(即公式(14))。
[0050] 本发明主要目标是解决公共信号下行传输及小区全覆盖的波束赋形设计问题。对于装备均匀矩形阵列的大规模天线基站,本发明提供的波束赋形设计方案都能在各个方向达到完全平滑的波束图,并且具有低复杂度和有闭式解的优秀特性。且设计方案中的码字本身具有恒模特性,使得整个波束赋形方案可以仅仅使用模拟域波束赋形架构高效实现,有效提升硬件效率。
[0051] 本发明方法的优点:
[0052] (1)得到了理论上完全满足公共信号全方向传输的波束赋形设计,在空间任意一点上都有相同的阵列响应;
[0053] (2)本发明中的全方向波束赋形设计都具有极低复杂度且具有闭式解,实现简单且不耗计算资源;
[0054] (3)所得波束赋形矩阵非零元素具有恒模性质,可以使用图3的全连接射频波束赋形结构,可以大大提升射频端功率效率。附图说明
[0055] 图1为均匀矩形阵列图示。
[0056] 图2为公共信号全方向传输系统图示。
[0057] 图3为全连接射频波束赋形结构。
[0058] 图4为基于互补序列集的波束赋形设计的空间波束图。

具体实施方式

[0059] 下面进一步通过具体实施例,进一步介绍本发明。
[0060] 作为实施例,本发明用计算机仿真了8×16均匀矩形天线阵列下的波束赋形矩阵的波束图。利用长度为8的CS序列对b1=[1 1 1 1 1 -1 -1 1],b2=[-1 1 -1 1 -1 -1 1 1],和长度为16的CS序列对c1=[1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1],c2=[1 -1 1 
1  1  -1  1  1  1  -1  - 1  -1  - 1  1  1  1 ]。根 据前述 矩阵 构 造我们生成四个8×16的相移矩阵,
[0061]
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] 它们对应四个射频各自连接到8×16均匀矩形天线阵列的相移(1代表0°相位旋转,-1代表180°相位旋转)。
[0066] 如图2中,利用4x4的STBC编码,(可以是正交OrthogonalSTBC[2]或半正交码Quasi-Orthogonal STBC[3]),并基于上述4个相移矩阵,可以实现空间全向的信号能量发射,如图4所示。
[0067] 参考文献
[0068] [1]Ganesan G,Stoica P.Space-time block  codes:a maximum SNR approach.IEEE Transactions on Information Theory,vol.47,no.4,pp.1650-1656,May.2001
[0069] [2]V.Tarokh,H.Jafarkhani,and A.R.Calderbank,"Space-Time Block Coding from Orthogonal Designs,"IEEE Transactions on Information Theory,July 1999.[0070] [3]H.Jafarkhani,"A Quasi-Orthogonal Space-Time Block Code,"IEEE Transactions on Communications,Jan.2001.。
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