CN100492935C - 一种波束赋形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波束赋形方法，该方法包括以下步骤：a.将当前阵列天线的所有阵元划分为一个以上阵元组；b.计算第一阵元组对应的子阵的波束赋形权矢量；c.顺序计算每个阵元组对应子阵的波束赋形权矢量，将当前计算出的子阵的波束赋形权矢量进行相位旋转，抵消当前子阵与已计算出的相邻子阵中的相邻阵元的来波相位差后，与已计算出的相邻子阵的波束赋形权矢量进行合并，得到当前阵列天线的波束赋形权系数。该方法能在大大降低计算量的同时，避免子阵合并后赋形方向的偏差。

Description

一种波束赋形方法

技术领域

本发明涉及波束赋形技术，尤指一种基于来波方向估计的简化的波束赋形方法。

背景技术

阵列天线是由多个阵元按照一定分布方式构成的，主要用于在移动通信中提高包括高增益在内的天线系统性能。阵列天线中的每个阵元是相互独立的单元，每个阵元可以采用全向天线或定向天线，所有阵元的分布可以是直线型、环型、平面型或立体型。阵列天线技术是通过所有阵元之间的相互配合完成各种环境下用户信号的接收与发送，一般来说，阵列天线技术通过对接收信号的估计来计算确定发射信号在每个阵元上的加权参数或称赋形权参数，进而利用计算出的加权参数完成天线阵列信号的合并接收和/或发射。具体地说，现有阵列天线发射技术就是对所有阵元上的接收信号进行处理，确定各阵元的加权系数。这里，所述对接收信号的处理是采用各种收发波束赋形技术、接收分集技术以及闭环发射分集技术。

阵列天线信号处理过程是：先确定当前所用阵列天线的阵元数M，每个阵元对应一路信号；对所接收的M路信号进行处理，获得用户的特征参数估计；利用所得到的用户特征参数进行所有阵元赋形权系数的估计。可见，阵列天线信号处理的计算量是随着阵元数的增加而增加的，其中主要的计算量是对各天线赋形权系数的计算。例如：M＝8阵元特征波束赋形的计算量为LM²＝64L，其中L为迭代次数；如果将8阵元分解为两个4阵元子阵的特征波束分别求解，则每个子阵的计算量将变为L4²＝16L，总的计算量就下降了一半。

对基于子阵获得波束赋形权系数的方法目前还没有人提出具体的实现方案，以采用8阵元的阵列天线为例，如果不考虑子阵间的相互关系，采用直接将子阵的波束赋形权系数简单合并的思路，那么可通过以下步骤实现：首先，将8个阵元分解为两个4阵元组，比如：将第1、第2、第3、第4阵元划分为一组，将第5、第6、第7、第8阵元划分为另一组；然后，分别计算每组4阵元对应的子阵；之后，将计算得到的两个子阵的空间协方差矩阵按照公式(1)进行合并；最后，再以公式(1)得到的整个阵列的空间协方差矩阵获得波束赋形权系数。

其中，R₁₁(t)和R₂₂(t)分别为两组4阵元对应的子阵。

可以看出，直接合并的实现方法虽然将两个子阵分别独立进行计算，但在合并时忽略了两个子阵之间的联系，如公式(1)所示，只是简单的将两个子阵组合在一起，仅考虑了每个子阵内部阵元间的关系，而忽略了两个子阵之间阵元间的关系，造成两个子阵的辐射场在期望信号方向的相干叠加，而这个相干叠加是等增益的，不是优化的，如此会造成合并后阵列赋形方向的偏差，显然，简单的合并是不可行的，甚至会带来恶劣的影响，导致阵列天线对用户信号处理的错误。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种波束赋形方法，能在大大降低计算量的同时，避免子阵合并后赋形方向的偏差。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种波束赋形方法，该方法包括以下步骤：

a.将当前阵列天线的所有阵元划分为一个以上阵元组；

b.计算第一阵元组对应的子阵的波束赋形权矢量；

c.顺序计算每个阵元组对应子阵的波束赋形权矢量，将当前计算出的子阵的波束赋形权矢量进行相位旋转，抵消当前子阵与已计算出的相邻子阵中的相邻阵元的来波相位差后，与已计算出的相邻子阵的波束赋形权矢量进行合并，得到当前阵列天线的波束赋形权系数。

上述方法中，步骤c中每完成一次合并后，该方法进一步包括：判断当前计算的是否为最后一个阵元组对应的子阵，如果是，重新从第一阵元组对应的子阵开始执行步骤c；否则，执行步骤c。

其中，步骤a所划分的每个阵元组包括至少两个连续的阵元。步骤a所述划分为将所有阵元等分。步骤a所划分的阵元组数大于等于2，且小于当前所用阵列天线中所有阵元数与2之商。每个阵元组对应的子阵在不同帧中计算波束赋形权矢量。

其中，步骤c中所述顺序根据当前所用阵列天线的阵元排列顺序确定。这里，所述进行相位旋转及合并具体包括：

c1.计算当前阵元组对应子阵的波束赋形权矢量；

c2.根据用户来波方向和当前阵列天线形式计算该用户的阵列响应矢量；

c3.根据步骤c2的计算结果，将步骤c1得到的波束赋形权矢量按抵消相邻两个阵元的来波相位差的原则进行相位旋转，然后，将旋转后的波束赋形权矢量与当前阵元组对应子阵的前一子阵的波束赋形权矢量进行合并。

上述方法中，所述当前阵列天线为8阵元均匀圆形阵列，所述划分为将8个阵元等分为2组，且在每个帧中计算一个阵元组对应子阵的波束赋形权矢量。

上述方法中，所述计算波束赋形权矢量具体采用固定波束赋形算法、或迭代波束赋形算法、或特征波束赋形算法计算。

本发明所提供的波束赋形方法，将当前所用阵列天线的所有阵元划分为一个以上阵元组，分别计算每个阵元组对应的子阵，并在计算每个子阵后，根据相邻子阵之间阵元间的关系通过相位旋转的方法将相邻子阵的权矢量进行合并，该方法具有以下的优点和特点：

1)由于将阵列天线的波束赋形问题有效的分解为子阵的波束赋形问题，并提出相位旋转方法有效的将几个子阵的波束赋形系数合并成整个阵列的波束赋形系数，在相邻子阵之间建立了关联关系，因此，本发明的方法不仅能大大降低计算量，而且同时能保证波束赋形方向的准确性。

2)由于用户信号空间特征的缓变特性，可以将不同子阵的波束赋形计算分配到多个连续的子帧中分别进行，如此，可进一步使每帧的计算量再下降，比如：在两个子帧中分别计算两个子阵与在一个子帧中计算两个子阵相比，计算量又会下降一半，从而进一步简化了算法，降低了计算量和复杂度。

3)本发明的方法对任何波束赋形算法都适用，对具体求解过程也不做限制，实现起来更灵活、简单，且通用性和实用性更强。

附图说明

图1为本发明方法实现的流程图；

图2为一直线阵的组成结构示意图；

图3为一均匀圆形8阵元阵列天线的组成结构示意图；

图4为本发明实现的效果图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：将当前所用阵列天线的所有阵元划分为一个以上阵元组，每个阵元组包括两个或两个以上阵元；分别计算每个阵元组对应子阵的赋形权矢量，并在计算每个子阵的赋形权矢量后，根据相邻子阵之间相邻阵元间的关系和期望信号的角度通过相位旋转的方法将相邻子阵的赋形权矢量进行合并，得到最终的波束赋形权系数。

本发明方法所基于的原理是：对于确定方向的信号，该信号在两个相邻阵元上的信号关系是确定的，即：存在因时延造成的相位差。在子阵波束赋形权系数合并时抵消这个相位差，使得对某一方向的来波信号而言，子阵之间可以采用最佳的合并方式进行接收或发射。

这里，可以将所有阵元划分为两个或更多个阵元组，只要每个阵元组中包括至少两个连续的阵元，且所有阵元组中的阵元之和等于阵列天线总阵元数即可，各个阵元组中的阵元数可以相同，也可以不同，比如：将8个阵元分为两组，可以每组4个阵元，也可以一组3个阵元，另一组5个阵元，通常采用等分的方式。所述计算每个子阵的赋形权矢量可以将每个子阵分配到不同帧中分别计算，比如：共有两个子阵，第一帧计算第一子阵的赋形权矢量，第二帧计算第二子阵的赋形权矢量；也可以在同一帧中计算多个子阵的赋形权矢量，考虑到能有效降低计算量和复杂度，一般都采用每帧计算一个子阵赋形权矢量的方式。

如图1所示，本发明的方法包括以下步骤：

步骤101：将当前所用阵列天线的所有阵元划分为一个以上阵元组，其中，每个阵元组包括至少两个连续的阵元；

步骤102：计算第一个阵元组对应子阵的波束赋形权矢量；

步骤103：顺序计算每个阵元组对应子阵的波束赋形权矢量，将当前计算出的子阵的波束赋形权矢量按照相邻两个阵元相位差抵消的原则进行相位旋转后，与已计算出的相邻子阵的波束赋形权矢量进行合并；通过对所有子阵的计算、相位旋转、合并得到整个阵列的波束赋形权系数。如果计算到最后一个子阵，再从第一子阵开始循环，执行步骤103的操作。其中，如果是基于来波方向估计，则相位旋转原则就是抵消相邻两个阵元的来波相位差。

本步骤中，所述顺序计算的顺序是根据阵元的排列顺序确定的，比如：将8个阵元等分为四组，那么，第1、2阵元所属阵元组为第一阵元组，对应的子阵为第一子阵，第3、4阵元所属阵元组为第二阵元组，对应的子阵为第二子阵，第5、6阵元所属阵元组为第三阵元组，对应的子阵为第三子阵，第7、8阵元所属阵元组为第四阵元组，对应的子阵为第四子阵。当然，也可以将第5、6阵元所属阵元组作为第一阵元组，然后根据阵元排列顺序将第7、8阵元所属阵元组作为第二阵元组，第1、2阵元所属阵元组作为第三阵元组，第3、4阵元所属阵元组作为第四阵元组，本发明并不限定将哪个阵元组作为第一阵元组。

这里，如果某个子阵有两个相邻子阵，考虑到计算准确度的问题，一般是将当前计算出的子阵的波束赋形矢量进行相位旋转后，与已计算的前一个子阵的波束赋形矢量进行合并。比如：对于均匀圆形阵列天线，假设分为四个阵元组，第四个子阵既与第三子阵相邻，又与第一子阵相邻，那么，第四子阵既可与第三子阵合并，又可与第一子阵合并，但考虑到计算准确度，通常与前一子阵即第三子阵合并，因为第三子阵为刚刚计算过的子阵。

以将所有阵元等分为两组，每个帧计算一个子阵的赋形权矢量为例，该方法就是将阵列天线的两个子阵的波束赋形系数复合为整个阵列的波束赋形系数，其中，两个子阵的波束赋形系数可以分布到不同帧求解，两帧循环一次，如表一所示。

表一

假设阵列天线为M维天线阵，即包括M阵元，本实施例具体包括以下步骤：

步骤1：将M维天线阵的所有阵元分为两组，每组中的阵元数分别为M₁，M₂，M₁+M₂＝M，且每组中包括四个连续的阵元。

步骤2：在第一帧计算第一个子阵的波束赋形权矢量w₁＝[w_1，1，w_1，2，…，w_1，M1]^T，其中，T表示转置，即：将行向量变成列向量。

步骤3：在第二帧计算第二个子阵的波束赋形权矢量w₂，并与第一个子阵的赋形权矢量进行旋转合并。其中，波束赋形的计算方法有很多，例如：采用固定波束赋形算法、迭代波束赋形算法、特征波束赋形算法等等。本步骤具体包括三个子步骤：

a)在第二帧计算第二个子阵的波束赋形权矢量 $w_2^{\′}={[w_{\mathrm{2,1}},w_{\mathrm{2,2}},\·\·\·,w_{2,M2}]}^T;$

b)假设某用户的来波方向已知为

则根据来波方向

和所用的阵列形式，按照公式(2)计算该用户的阵列响应矢量a_user：

$a_{\mathrm{user}}=\left[\begin{array}{c}\exp \left({\mathrm{j\φ}}_1\right)\\ \exp \left({\mathrm{j\φ}}_2\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left({\mathrm{j\φ}}_M\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，j表示虚部，φ_m，m＝1，…，M是各阵元的相位旋转，φ_m的计算与阵列形式和来波方向有关，例如：对于图2所示的均匀直线阵来说，以第1个天线为相位参考点，则第1个天线的相位为0，第2个天线的相位为

第3个天线的相位为

以次类推，第k_c1个天线的相位就是d为相邻天线之间的间距。这里，所述阵列形式就是指直线阵、圆形阵等，无论阵列形式是什么，都可将每个天线以相位的形式表示。

c)基于步骤b的计算结果，对第二个子阵的波束赋形权矢量系数做相位旋转之后，与第一个子阵的波束赋形权矢量系数合并，旋转的准则是：相邻两个阵元的相位抵消来波的相位差。具体如何旋转采用公式(3)，合并采用公式(4)。

$w_2=w_2^{\′}*\exp \left(j({\mathrm{\φ}}_{M1}-{\mathrm{\φ}}_{M1+1})\right)---\left(3\right)$

$w={[w_1^T,w_2^T]}^T---\left(4\right)$

步骤4：在第三帧再计算第一个子阵的波束赋形权矢量

之后，将计算出的第一个子阵的波束赋形权矢量系数做相位旋转得到w₁，然后与步骤3计算出的第二个子阵的波束赋形权矢量w₂进行合并，并依此类推。其中，旋转的准则是：使第一个子阵与第二个子阵的相邻阵元的相位抵消来波的相位差。在利用公式(3)进行旋转时，φ_M1-φ_M1+1就变为φ_M2-φ₁。

在实际应用中，如果将阵列天线的所有阵元分为三组，那么，就每三帧循环一次，第一帧计算第一子阵的赋形权矢量，第二帧计算第二子阵的赋形权矢量，第三帧计算第三子阵的赋形权矢量，第四帧再重新计算第一子阵的赋形权矢量......依此类推。同理，分四组就每四帧循环一次，分五组就每五帧循环一次，......，分N组就每N帧循环一次。

另外，如果在同一帧中计算两个子阵的赋形权矢量，就相当于将步骤2和步骤3的操作合并到一帧中进行，且一帧循环一次。如果划分两个以上的阵元组，可以采用小于等于组数的帧分别计算不同子阵的赋形权矢量，比如：划分四组，可以采用四帧，每帧计算一个子阵的赋形权矢量；也可以采用三帧，其中一帧计算两个子阵的赋形权矢量，另两帧各自计算一个子阵的赋形权矢量；也可以采用两帧，每帧计算两个子阵的赋形权矢量，或是一帧计算三个子阵的赋形权矢量，另一帧计算一个子阵的赋形权矢量；还可以直接采用一帧计算四个子阵的赋形权矢量。

下面给出一具体实施例，M＝8阵元的均匀圆形阵列，圆环的半径为0.65λ，λ为载波波长，如图3所示。将8阵元等分为两个阵元组M₁＝M₂＝4，子阵1包含第1、2、3、4阵元，子阵2包含第5、6、7、8阵元，且在每帧计算一个子阵的波束赋形权矢量，波束赋形算法为基于最大功率准则的特征波束赋形算法，用户来波方向为

相应的，两个子阵的阵列响应矢量分别为

和

本实施例的波束赋形方法包括以下步骤：

步骤11：将8阵元阵列天线的所有阵元等分为两组，每组阵元数分别为M₁＝M₂＝4，子阵1包含第1、2、3、4阵元，子阵2包含第5、6、7、8阵元。

步骤12：在第一帧计算第一个子阵的波束赋形权矢量w₁：

这里，采用特征波束赋形算法，在单径情况下，特征波束赋形算法的解与基于来波方向的解是相同的，即接收的阵列响应矢量的共轭。

步骤13：在第二帧计算第二个子阵的波束赋形权矢量w₂，并与第一个子阵的波束赋形权矢量进行旋转合并。具体包括：

步骤a：在第二帧计算第二个子阵的波束赋形权矢量

：

步骤b：根据用户来波方向

以及当前采用的阵列形式，按照公式(6)计算该用户的阵列响应矢量a(230)：

步骤c：根据步骤b的计算结对第二个子阵的权矢量系数按照公式(7)进行相位旋转，之后将旋转后得到波束赋形权矢量按照公式(8)与第一个子阵的波束赋形权矢量系数合并，旋转的准则是：相邻的两个单元的相位抵消来波的相位差。

$w_2=w_2^{\′}*\exp \left(j({\mathrm{\φ}}_4-{\mathrm{\φ}}_5)\right)=w_2^{\′}*\exp (-2.8665j)=\left[\begin{array}{c}-0.9624-0.2717i\\ -0.5088+0.7816i\\ -0.8230-0.1779i\\ 0.6535-0.5435i\end{array}\right]---\left(7\right)$

$w={(w_1^T,w_2^T)}^T=\left[\begin{array}{c}-1.0779+1.2227i\\ -1.0745-0.2605i\\ -1.2431+0.5366i\\ 1.0000\\ -0.9624-0.2717i\\ -0.5088+0.7816i\\ -0.8230-0.1779i\\ 0.6535-0.5435i\end{array}\right]---\left(8\right)$

步骤14：在第三帧再计算第一个子阵的波束赋形权矢量

之后，将计算出的第一个子阵的波束赋形权矢量系数做相位旋转得到w₁，然后与步骤3计算出的第二个子阵的波束赋形权矢量w₂进行合并，并依此类推。其中，旋转的准则是：使第一个子阵与第二个子阵的相邻阵元的相位抵消来波的相位差。

在实际应用中，波束赋形过程体现在每一帧的处理都是部分波束赋形权矢量的更新过程。如图4所示，图4中曲线41即最外侧波束为8阵元阵列天线实际的波束赋形，曲线42为采用本发明方法通过相位旋转合并得到的赋形，曲线43为直接合并方法得到的波束赋形，可以看出，本发明方法所得到的波束赋形与所用阵列天线实际的波束赋形非常接近，且比现有技术直接相加得到的波束赋形效果好很多。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种波束赋形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.将当前阵列天线的所有阵元划分为一个以上阵元组；

b.计算第一阵元组对应的子阵的波束赋形权矢量；

c.顺序计算每个阵元组对应子阵的波束赋形权矢量，将当前计算出的子阵的波束赋形权矢量进行相位旋转，抵消当前子阵与已计算出的相邻子阵中的相邻阵元的来波相位差后，与已计算出的相邻子阵的波束赋形权矢量进行合并，得到当前阵列天线的波束赋形权系数。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c中每完成一次合并后，该方法进一步包括：判断当前计算的是否为最后一个阵元组对应的子阵，如果是，重新从第一阵元组对应的子阵开始执行步骤c；否则，执行步骤c。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤a所划分的每个阵元组包括至少两个连续的阵元。

4、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤a所述划分为将所有阵元等分。

5、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤a所划分的阵元组数大于等于2，且小于当前所用阵列天线中所有阵元数与2之商。

6、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每个阵元组对应的子阵在不同帧中计算波束赋形权矢量。

7、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤c中所述顺序根据当前所用阵列天线的阵元排列顺序确定。

8、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述进行相位旋转及合并具体包括：

c1.计算当前阵元组对应子阵的波束赋形权矢量；

c2.根据用户来波方向和当前阵列天线形式计算该用户的阵列响应矢量；

c3.根据步骤c2的计算结果，将步骤c1得到的波束赋形权矢量按抵消相邻两个阵元的来波相位差的原则进行相位旋转，然后；将旋转后的波束赋形权矢量与当前阵元组对应子阵的前一子阵的波束赋形权矢量进行合并。

9、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述当前阵列天线为8阵元均匀圆形阵列，所述划分为将8个阵元等分为2组，且在每个帧中计算一个阵元组对应子阵的波束赋形权矢量。

10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算波束赋形权矢量具体采用固定波束赋形算法、或迭代波束赋形算法、或特征波束赋形算法计算。

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