專利名稱：一種波束賦形方法
技術領域：
本發明涉及波束賦形技術，尤指一種基于來波方向估計的簡化的波束賦形方法。
背景技術：
陣列天線是由多個陣元按照一定分布方式構成的，主要用于在移動通信中提高包括高增益在內的天線系統性能。陣列天線中的每個陣元是相互獨立的單元，每個陣元可以采用全向天線或定向天線，所有陣元的分布可以是直線型、環型、平面型或立體型。陣列天線技術是通過所有陣元之間的相互配合完成各種環境下用戶信號的接收與發送，一般來說，陣列天線技術通過對接收信號的估計來計算確定發射信號在每個陣元上的加權參數或稱賦形權參數，進而利用計算出的加權參數完成天線陣列信號的合并接收和/或發射。具體地說，現有陣列天線發射技術就是對所有陣元上的接收信號進行處理，確定各陣元的加權系數。這里，所述對接收信號的處理是采用各種收發波束賦形技術、接收分集技術以及閉環發射分集技術。
陣列天線信號處理過程是先確定當前所用陣列天線的陣元數M，每個陣元對應一路信號；對所接收的M路信號進行處理，獲得用戶的特征參數估計；利用所得到的用戶特征參數進行所有陣元賦形權系數的估計。可見，陣列天線信號處理的計算量是隨著陣元數的增加而增加的，其中主要的計算量是對各天線賦形權系數的計算。例如M＝8陣元特征波束賦形的計算量為LM2＝64L，其中L為迭代次數；如果將8陣元分解為兩個4陣元子陣的特征波束分別求解，則每個子陣的計算量將變為L42＝16L，總的計算量就下降了一半。
對基于子陣獲得波束賦形權系數的方法目前還沒有人提出具體的實現方案，以采用8陣元的陣列天線為例，如果不考慮子陣間的相互關系，采用直接將子陣的波束賦形權系數簡單合并的思路，那么可通過以下步驟實現首先，將8個陣元分解為兩個4陣元組，比如將第1、第2、第3、第4陣元劃分為一組，將第5、第6、第7、第8陣元劃分為另一組；然后，分別計算每組4陣元對應的子陣；之后，將計算得到的兩個子陣的空間協方差矩陣按照公式(1)進行合并；最后，再以公式(1)得到的整個陣列的空間協方差矩陣獲得波束賦形權系數。
其中，R11(t)和R22(t)分別為兩組4陣元對應的子陣。
可以看出，直接合并的實現方法雖然將兩個子陣分別獨立進行計算，但在合并時忽略了兩個子陣之間的聯系，如公式(1)所示，只是簡單的將兩個子陣組合在一起，僅考慮了每個子陣內部陣元間的關系，而忽略了兩個子陣之間陣元間的關系，造成兩個子陣的輻射場在期望信號方向的相干疊加，而這個相干疊加是等增益的，不是優化的，如此會造成合并后陣列賦形方向的偏差，顯然，簡單的合并是不可行的，甚至會帶來惡劣的影響，導致陣列天線對用戶信號處理的錯誤。
發明內容
有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種波束賦形方法，能在大大降低計算量的同時，避免子陣合并后賦形方向的偏差。
為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的一種波束賦形方法，該方法包括以下步驟
a.將當前陣列天線的所有陣元劃分為一個以上陣元組；b.計算第一陣元組對應的子陣的波束賦形權矢量；c.順序計算每個陣元組對應子陣的波束賦形權矢量，將當前計算出的子陣的波束賦形權矢量按相鄰陣元相位差抵消的原則進行相位旋轉后，與已計算出的相鄰子陣的波束賦形權矢量進行合并，得到當前陣列天線的波束賦形權系數。
上述方法中，步驟c中每完成一次合并后，該方法進一步包括判斷當前計算的是否為最后一個陣元組對應的子陣，如果是，重新從第一陣元組對應的子陣開始執行步驟c；否則，執行步驟c。
其中，步驟a所劃分的每個陣元組包括至少兩個連續的陣元。步驟a所述劃分為將所有陣元等分。步驟a所劃分的陣元組數大于等于2，且小于當前所用陣列天線中所有陣元數與2之商。每個陣元組對應的子陣在不同幀中計算波束賦形權矢量。
其中，步驟c中所述順序根據當前所用陣列天線的陣元排列順序確定。步驟c中所述相鄰陣元相位差抵消原則為抵消相鄰兩個陣元的來波相位差。這里，所述進行相位旋轉及合并具體包括c1.計算當前陣元組對應子陣的波束賦形權矢量；c2.根據用戶來波方向和當前陣列天線形式計算該用戶的陣列響應矢量；c3.根據步驟c2的計算結果，將步驟c1得到的波束賦形權矢量按抵消相鄰兩個陣元的來波相位差的原則進行相位旋轉，然后，將旋轉后的波束賦形權矢量與當前陣元組對應子陣的前一子陣的波束賦形權矢量進行合并。
上述方法中，所述當前陣列天線為8陣元均勻圓形陣列，所述劃分為將8個陣元等分為2組，且在每個幀中計算一個陣元組對應子陣的波束賦形權矢量。
上述方法中，所述計算波束賦形權矢量具體采用固定波束賦形算法、或迭代波束賦形算法、或特征波束賦形算法計算。
本發明所提供的波束賦形方法，將當前所用陣列天線的所有陣元劃分為一個以上陣元組，分別計算每個陣元組對應的子陣，并在計算每個子陣后，根據相鄰子陣之間陣元間的關系通過相位旋轉的方法將相鄰子陣的權矢量進行合并，該方法具有以下的優點和特點1)由于將陣列天線的波束賦形問題有效的分解為子陣的波束賦形問題，并提出相位旋轉方法有效的將幾個子陣的波束賦形系數合并成整個陣列的波束賦形系數，在相鄰子陣之間建立了關聯關系，因此，本發明的方法不僅能大大降低計算量，而且同時能保證波束賦形方向的準確性。
2)由于用戶信號空間特征的緩變特性，可以將不同子陣的波束賦形計算分配到多個連續的子幀中分別進行，如此，可進一步使每幀的計算量再下降，比如在兩個子幀中分別計算兩個子陣與在一個子幀中計算兩個子陣相比，計算量又會下降一半，從而進一步簡化了算法，降低了計算量和復雜度。
3)本發明的方法對任何波束賦形算法都適用，對具體求解過程也不做限制，實現起來更靈活、簡單，且通用性和實用性更強。
圖1為本發明方法實現的流程圖；圖2為一直線陣的組成結構示意圖；圖3為一均勻圓形8陣元陣列天線的組成結構示意圖；圖4為本發明實現的效果圖。
具體實施例方式
本發明的核心思想是將當前所用陣列天線的所有陣元劃分為一個以上陣元組，每個陣元組包括兩個或兩個以上陣元；分別計算每個陣元組對應子陣的賦形權矢量，并在計算每個子陣的賦形權矢量后，根據相鄰子陣之間相鄰陣元間的關系和期望信號的角度通過相位旋轉的方法將相鄰子陣的賦形權矢量進行合并，得到最終的波束賦形權系數。
本發明方法所基于的原理是對于確定方向的信號，該信號在兩個相鄰陣元上的信號關系是確定的，即存在因時延造成的相位差。在子陣波束賦形權系數合并時抵消這個相位差，使得對某一方向的來波信號而言，子陣之間可以采用最佳的合并方式進行接收或發射。
這里，可以將所有陣元劃分為兩個或更多個陣元組，只要每個陣元組中包括至少兩個連續的陣元，且所有陣元組中的陣元之和等于陣列天線總陣元數即可，各個陣元組中的陣元數可以相同，也可以不同，比如將8個陣元分為兩組，可以每組4個陣元，也可以一組3個陣元，另一組5個陣元，通常采用等分的方式。所述計算每個子陣的賦形權矢量可以將每個子陣分配到不同幀中分別計算，比如共有兩個子陣，第一幀計算第一子陣的賦形權矢量，第二幀計算第二子陣的賦形權矢量；也可以在同一幀中計算多個子陣的賦形權矢量，考慮到能有效降低計算量和復雜度，一般都采用每幀計算一個子陣賦形權矢量的方式。
如圖1所示，本發明的方法包括以下步驟步驟101將當前所用陣列天線的所有陣元劃分為一個以上陣元組，其中，每個陣元組包括至少兩個連續的陣元；步驟102計算第一個陣元組對應子陣的波束賦形權矢量；步驟103順序計算每個陣元組對應子陣的波束賦形權矢量，將當前計算出的子陣的波束賦形權矢量按照相鄰兩個陣元相位差抵消的原則進行相位旋轉后，與已計算出的相鄰子陣的波束賦形權矢量進行合并；通過對所有子陣的計算、相位旋轉、合并得到整個陣列的波束賦形權系數。如果計算到最后一個子陣，再從第一子陣開始循環，執行步驟103的操作。其中，如果是基于來波方向估計，則相位旋轉原則就是抵消相鄰兩個陣元的來波相位差。
本步驟中，所述順序計算的順序是根據陣元的排列順序確定的，比如將8個陣元等分為四組，那么，第1、2陣元所屬陣元組為第一陣元組，對應的子陣為第一子陣，第3、4陣元所屬陣元組為第二陣元組，對應的子陣為第二子陣，第5、6陣元所屬陣元組為第三陣元組，對應的子陣為第三子陣，第7、8陣元所屬陣元組為第四陣元組，對應的子陣為第四子陣。當然，也可以將第5、6羰基化合物。用實施例1-5相同的方法，計算得每個鍍錫制品的涂層的碳含量，并計算得其摩擦系數。此外還測量鍍錫制品的接觸電阻、光澤度和硬度。再觀測鍍錫制品表面的形狀，并評價其錫基質的定向。這樣，摩擦系數為0.28-0.35。此外，接觸電阻為0.7-1.1毫歐，光澤度為1.55-1.96，維氏硬度為HV16-86，同涂層的厚度一致。此外，涂層表面平滑，未在其表面觀察到碳粒子。錫基質的定向面為(112)和(101)面。
這些實施例和對比實施例的結果見表1和表2，涂層摩擦系數和厚度的關系見圖1。由圖1可得，實施例1-5每一個的摩擦系數遠低于對比實施例1-11的摩擦系數，無論涂層厚度如何變化。此外，圖2顯示實施例1-7和對比實施例1-11中X射線衍射的圖案。圖3至圖8為實施例2、4、5和對比實施例1-3中每個鍍錫制品表面的SEM照片，圖9和10顯示實施例2和對比實施例1中每個鍍錫制品橫截面的SEM照片。
表1
b)假設某用戶的來波方向已知為user，則根據來波方向user和所用的陣列形式，按照公式(2)計算該用戶的陣列響應矢量auserauser=exp(jφ1)exp(jφ2)···exp(jφM)---(2)]]>其中，j表示虛部，φm，m＝1，…，M是各陣元的相位旋轉，φm的計算與陣列形式和來波方向有關，例如對于圖2所示的均勻直線陣來說，以第1個天線為相位參考點，則第1個天線的相位為0，第2個天線的相位為 第3個天線的相位為 以次類推，第ka個天線的相位就是 d為相鄰天線之間的間距。這里，所述陣列形式就是指直線陣、圓形陣等，無論陣列形式是什么，都可將每個天線以相位的形式表示。
c)基于步驟b的計算結果，對第二個子陣的波束賦形權矢量系數做相位旋轉之后，與第一個子陣的波束賦形權矢量系數合并，旋轉的準則是相鄰兩個陣元的相位抵消來波的相位差。具體如何旋轉采用公式(3)，合并采用公式(4)。
w2＝w2′*exp(j(φM1-φM1+1)) (3)w=[w1T,w2T]T---(4)]]>步驟4在第三幀再計算第一個子陣的波束賦形權矢量w1′，之后，將計算出的第一個子陣的波束賦形權矢量系數做相位旋轉得到w1，然后與步驟3計算出的第二個子陣的波束賦形權矢量w2進行合并，并依此類推。其中，旋轉的準則是使第一個子陣與第二個子陣的相鄰陣元的相位抵消來波的相位差。在利用公式(3)進行旋轉時，φM1-φM1+1就變為φM2-φ1。
在實際應用中，如果將陣列天線的所有陣元分為三組，那么，就每三幀循環一次，第一幀計算第一子陣的賦形權矢量，第二幀計算第二子陣的賦形權矢量，第三幀計算第三子陣的賦形權矢量，第四幀再重新計算第一子陣的賦形權矢量......依此類推。同理，分四組就每四幀循環一次，分五組就每五幀循環一次，......，分N組就每N幀循環一次。
另外，如果在同一幀中計算兩個子陣的賦形權矢量，就相當于將步驟2和步驟3的操作合并到一幀中進行，且一幀循環一次。如果劃分兩個以上的陣元組，可以采用小于等于組數的幀分別計算不同子陣的賦形權矢量，比如劃分四組，可以采用四幀，每幀計算一個子陣的賦形權矢量；也可以采用三幀，其中一幀計算兩個子陣的賦形權矢量，另兩幀各自計算一個子陣的賦形權矢量；也可以采用兩幀，每幀計算兩個子陣的賦形權矢量，或是一幀計算三個子陣的賦形權矢量，另一幀計算一個子陣的賦形權矢量；還可以直接采用一幀計算四個子陣的賦形權矢量。
下面給出一具體實施例，M＝8陣元的均勻圓形陣列，圓環的半徑為0.65λ，λ為載波波長，如圖3所示。將8陣元等分為兩個陣元組M1＝M2＝4，子陣1包含第1、2、3、4陣元，子陣2包含第5、6、7、8陣元，且在每幀計算一個子陣的波束賦形權矢量，波束賦形算法為基于最大功率準則的特征波束賦形算法，用戶來波方向為user＝230°。相應的，兩個子陣的陣列響應矢量分別為a1()和a2() 本實施例的波束賦形方法包括以下步驟步驟11將8陣元陣列天線的所有陣元等分為兩組，每組陣元數分別為M1＝M2＝4，子陣1包含第1、2、3、4陣元，子陣2包含第5、6、7、8陣元。
步驟12在第一幀計算第一個子陣的波束賦形權矢量w1 這里，采用特征波束賦形算法，在單徑情況下，特征波束賦形算法的解與基于來波方向的解是相同的，即接收的陣列響應矢量的共軛。
步驟13在第二幀計算第二個子陣的波束賦形權矢量w2，并與第一個子陣的波束賦形權矢量進行旋轉合并。具體包括步驟a在第二幀計算第二個子陣的波束賦形權矢量w2′ 步驟b根據用戶來波方向user＝230°以及當前采用的陣列形式，按照公式(6)計算該用戶的陣列響應矢量a(230) 步驟c根據步驟b的計算結對第二個子陣的權矢量系數按照公式(7)進行相位旋轉，之后將旋轉后得到波束賦形權矢量按照公式(8)與第一個子陣的波束賦形權矢量系數合并，旋轉的準則是相鄰的兩個單元的相位抵消來波的相位差。
w2=w2′*exp(j(φ4-φ5))=w2′*exp(-2.8665j)=-0.9624-0.2717i-0.5088+0.7816i-0.8230-0.1779i0.6535-0.5435i---(7)]]>w=[w1,Tw2T]T=-1.0779+0.2227i-1.0745-0.2605i-1.2431+0.5366i1.0000-0.9624-0.2717i-0.5088+0.7816i-0.8230-0.1779i0.6535-0.5435i---(8)]]>步驟14在第三幀再計算第一個子陣的波束賦形權矢量w1′，之后，將計算出的第一個子陣的波束賦形權矢量系數做相位旋轉得到w1，然后與步驟3計算出的第二個子陣的波束賦形權矢量w2進行合并，并依此類推。其中，旋轉的準則是使第一個子陣與第二個子陣的相鄰陣元的相位抵消來波的相位差。
在實際應用中，波束賦形過程體現在每一幀的處理都是部分波束賦形權矢量的更新過程。如圖4所示，圖4中曲線41即最外側波束為8陣元陣列天線實際的波束賦形，曲線42為采用本發明方法通過相位旋轉合并得到的賦形，曲線43為直接合并方法得到的波束賦形，可以看出，本發明方法所得到的波束賦形與所用陣列天線實際的波束賦形非常接近，且比現有技術直接相加得到的波束賦形效果好很多。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種波束賦形方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a.將當前陣列天線的所有陣元劃分為一個以上陣元組；b.計算第一陣元組對應的子陣的波束賦形權矢量；c.順序計算每個陣元組對應子陣的波束賦形權矢量，將當前計算出的子陣的波束賦形權矢量按相鄰陣元相位差抵消的原則進行相位旋轉后，與已計算出的相鄰子陣的波束賦形權矢量進行合并，得到當前陣列天線的波束賦形權系數。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟c中每完成一次合并后，該方法進一步包括判斷當前計算的是否為最后一個陣元組對應的子陣，如果是，重新從第一陣元組對應的子陣開始執行步驟c；否則，執行步驟c。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟a所劃分的每個陣元組包括至少兩個連續的陣元。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟a所述劃分為將所有陣元等分。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟a所劃分的陣元組數大于等于2，且小于當前所用陣列天線中所有陣元數與2之商。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，每個陣元組對應的子陣在不同幀中計算波束賦形權矢量。
7.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟c中所述順序根據當前所用陣列天線的陣元排列順序確定。
8.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟c中所述相鄰陣元相位差抵消原則為抵消相鄰兩個陣元的來波相位差。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述進行相位旋轉及合并具體包括c1.計算當前陣元組對應子陣的波束賦形權矢量；c2.根據用戶來波方向和當前陣列天線形式計算該用戶的陣列響應矢量；c3.根據步驟c2的計算結果，將步驟c1得到的波束賦形權矢量按抵消相鄰兩個陣元的來波相位差的原則進行相位旋轉，然后，將旋轉后的波束賦形權矢量與當前陣元組對應子陣的前一子陣的波束賦形權矢量進行合并。
10.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述當前陣列天線為8陣元均勻圓形陣列，所述劃分為將8個陣元等分為2組，且在每個幀中計算一個陣元組對應子陣的波束賦形權矢量。
11.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述計算波束賦形權矢量具體采用固定波束賦形算法、或迭代波束賦形算法、或特征波束賦形算法計算。
全文摘要
本發明公開了一種波束賦形方法，該方法包括以下步驟a.將當前陣列天線的所有陣元劃分為一個以上陣元組；b.計算第一陣元組對應的子陣的波束賦形權矢量；c.順序計算每個陣元組對應子陣的波束賦形權矢量，將當前計算出的子陣的波束賦形權矢量按相鄰陣元相位差抵消的原則進行相位旋轉后，與已計算出的相鄰子陣的波束賦形權矢量進行合并，得到當前陣列天線的波束賦形權系數。該方法能在大大降低計算量的同時，避免子陣合并后賦形方向的偏差。
文檔編號H01Q21/00GK1855760SQ20051006790
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月28日 優先權日2005年4月28日
發明者孫長果, 李峰 申請人:上海原動力通信科技有限公司