CN101359948B - 一种波束赋形中修正扇区边缘业务波束指向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波束赋形中修正扇区边缘业务波束指向的方法，包括：将天线阵列各根天线的单天线方向图幅度数据矩阵A_m与天线阵列的导向矢量矩阵A进行点乘，生成含有方向图信息的导向矢量矩阵A′；基于含有方向图信息的导向矢量矩阵A′和天线阵列的导向矢量矩阵A计算修正矩阵D；通过修正矩阵D更新原有的波束赋形权值w并赋形。这种方法能够将智能天线在使用由定向天线构成的天线阵列时在扇区边缘角度上出现偏差的业务波束指向调整正确，提高在用户密集区域的下行链路波束赋形性能，减少用户之间的干扰，增加容量，扩大覆盖，改善通信质量。

Description

一种波束赋形中修正扇区边缘业务波束指向的方法

技术领域

本发明涉及移动通讯系统，具体涉及一种波束赋形中修正扇区边缘业务波束指向的方法。

背景技术

智能天线由天线阵列构成，利用无线信号传输的空间特性和数字信号处理技术，可以实现上行链路波达角估计以及下行链路波束赋形，从而达到降低噪声干扰、增加容量、扩大覆盖、改善通信质量、降低发射功率和提高无线数据传输速率的目的。

中国发明专利“一种波达角估计和波束赋形的方法”，中国申请号CN200610074201，公开号CN1917396A，公开了一种利用天线阵列中各根天线的信道估计，计算各用户的天线阵列的协方差矩阵；在天线阵列的覆盖角度范围内，计算各用户对应的上行接收功率瞬时值和接收功率的递归平均值；搜索各用户对应的上行链路接收功率递归平均值的最大值，并据此生成该用户的下行链路波束赋形权值，实现波束赋形的方法，但是未考虑定向天线不同方向上的发射功率及扇区边缘角度大小对扇区边缘业务波束指向的影响。

在实际的智能天线系统中，如果采用的天线阵列不是由全向天线构成，而是由定向天线构成的话，那么因为定向天线在各个不同的方向上的发射功率不同，会使得扇区边缘角度上的业务波束指向出现不同程度的偏差，该偏差的具体数值与不同厂家生产的天线有关，而且也与扇区边缘角度的大小有关。因此需要有一套方法对波束赋形的权值进行修正，使得智能天线在使用由定向天线构成的天线阵列的情况下，在扇区边缘也能使业务波束指向正确。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种波束赋形中修正扇区边缘业务波束指向的方法，能够应用于由定向天线构成的天线阵列波束赋形算法中，对扇区边缘业务波束的指向进行修正。

本发明的上述技术问题这样解决，提供一种波束赋形中修正扇区边缘业务波束指向的方法，包括以下步骤：

1.1)将天线阵列各根天线的单天线方向图幅度数据矩阵A_m与天线阵列的导向矢量矩阵A进行点乘，生成含有方向图信息的导向矢量矩阵A′；

1.2)根据导向矢量矩阵A和含有方向图信息的导向矢量矩阵A′计算修正矩阵D；

1.3)通过修正矩阵D更新原有的波束赋形权值w并赋形，即：利用修正后的波束赋形权值w′进行波束赋形。

按照本发明提供的修正方法，所述步骤1.1)中天线阵列各根天线的单天线方向图幅度数据矩阵表示为

其中N为基站端阵列天线数目，M为角度采样数目，a_i(θ_j)为θj方向的导向矢量，a_i(θ_j)中，i、j是1≤i≤N，1≤j≤M的自然数。

按照本发明提供的修正方法，所述角度采样数目M＝360(度)/角度采样间隔(度)。

按照本发明提供的修正方法，所述步骤1.1)中天线阵列的导向矢量矩阵表示为

其中 ${\mathrm{\ω}}_i=2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin {\mathrm{\θ}}_i,$

(i＝1～M)，λ为波长，d为天线间距。

按照本发明提供的修正方法，所述步骤1.1)中含有方向图信息的导向矢量矩阵表示为

按照本发明提供的修正方法，所述步骤1.2)中修正矩阵的具体计算公式为D＝A·A′^H·(A′·A′^H)^-1。

按照本发明提供的修正方法，所述步骤1.1)和步骤1.2)中方向图的计算公式为Gain＝w^H·A。

按照本发明提供的修正方法，所述波束赋形权值w是指向某一个方向的波束赋形权值，为N×1的列向量；所述天线阵列的导向矢量矩阵A是N×M的矩阵，在全向天线的情况下所述天线阵列的导向矢量矩阵A的每一行都是等幅的。

按照本发明提供的修正方法，所述步骤1.3)中修正的波束赋形权值的计算公式为w′＝(w^H·D)^H。

按照本发明提供的修正方法，所述步骤1.3)还包括将修正的波束赋形权值w′进行归一化处理并代替原来的波束赋形权值w。

本发明提供的波束赋形中修正扇区边缘业务波束指向的方法，可以根据不同厂家的天线阵列利用加入单天线方向图的导向矢量矩阵得到相应的修正矩阵并对原来的波束赋形权值进行修正，对由定向天线构成的线阵进行一定程度的调整，从而能够将扇区边缘业务波束的指向调整正确；进一步提高在用户密集区域的下行链路波束赋形性能，降低对临近方向的发射功率，减少用户之间的干扰，增加容量，扩大覆盖，改善通信质量；且本发明提供的修正算法计算复杂度较低，易于工程实现。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是本发明修正扇区边缘业务波束指向方法的流程示意图。

图2是使用本发明方法对采用8天线阵列、指向50度的业务波束实施例的修正效果图。

图3是图2修正效果的局部放大图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的对业务波束指向进行修正的方法，能够根据智能天线阵列中各根天线的单天线方向图，计算修正矩阵，再通过得到的修正矩阵将波束赋形权值进行修正，使得扇区边缘的业务波束进行正确指向，具体包括以下步骤：

110)生成含有方向图信息的导向矢量矩阵。

天线阵列中各根天线的单天线方向图幅度数据矩阵表示为：

上式中N表示基站端阵列天线数目；M表示角度采样数目，如果角度采样间隔为1度，则M＝360。

天线阵列的导向矢量矩阵表示为：

上式中 ${\mathrm{\ω}}_i=2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin {\mathrm{\θ}}_i,$ (i＝1～M)；λ为波长；d为天线间距。

将上述矩阵A_m和矩阵A进行点乘，得到含有方向图信息的导向矢量矩阵A′，表示为：

120)计算修正矩阵。

计算方向图的公式如下：

Gain＝w^H·A

式中w是指向某一个方向的权值，N×1的列向量；A是导向矢量矩阵，N×M的矩阵。在全向天线的情况下A的每一行都是等幅的，当天线是定向天线时，A的每一行都会点乘该根天线的方向图，这样一来各个方向上的幅度不再是相等的，此时的A变成A′。

通过引入修正矩阵D使得各根天线的方向图得到补偿，设存在修正矩阵D使得下式成立：

w^H·D·A′＝w^H·A

求解以上方程得到修正矩阵为：

D＝A·A′^H·(A′·A′^H)^-1

130)更新波束赋形权值。

根据步骤120)得到的修正矩阵D更新原有的波束赋形权值w，更新后的波束赋形权值w′为：

w′＝(w^H·D)^H

最后将w′进行归一化，代替原有的波束赋形权值w。

图2为使用本发明修正方法对采用8天线阵列、指向50度的业务波束实施例的修正效果图，图3为图2修正效果的局部放大图，图中细实线表示未加修正的指向50度的业务波束，粗虚线表示修正之后的指向50度的业务波束，可以看出，原有指向50度的业务波束的偏离情况得到了较好程度的调整。

Claims (10)

1.一种波束赋形中修正扇区边缘业务波束指向的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1)将天线阵列各根天线的单天线方向图幅度数据矩阵A_m与天线阵列的导向矢量矩阵A进行点乘，生成含有方向图信息的导向矢量矩阵A′；

1.2)根据导向矢量矩阵A和含有方向图信息的导向矢量矩阵A′计算修正矩阵D；

1.3)通过修正矩阵D更新原有的波束赋形权值w并赋形。

2.根据权利要求1所述修正方法，其特征在于，所述步骤1.1)中天线阵列各根天线的单天线方向图幅度数据矩阵A_m表示为

其中N为基站端阵列天线数目，M为角度采样数目，a_i(θ_j)为θj方向的导向矢量，a_i(θ_j)中，i、j是1≤i≤N，1≤j≤M的自然数。

3.根据权利要求2所述修正方法，其特征在于，所述角度采样数目M＝360/角度采样间隔。

4.根据权利要求1所述修正方法，其特征在于，所述步骤1.1)中天线阵列的导向矢量矩阵A表示为

其中

(i＝1～M)，λ为波长，d为天线间距，N为基站端阵列天线数目，M为角度采样数目。

5.根据权利要求1所述修正方法，其特征在于，所述步骤1.1)中含有方向图信息的导向矢量矩阵A′表示为

其中N为基站端阵列天线数目，M为角度采样数目，a_i(θ_j)为θj方向的导向矢量，a_i(θ_j)中，i、j是1≤i≤N，1≤j≤M的自然数。

6.根据权利要求1所述修正方法，其特征在于，所述步骤1.2)中修正矩阵D的具体计算公式为D＝A·A′^H·(A′·A′^H)^-1。

7.根据权利要求1所述修正方法，其特征在于，所述步骤1.1)和步骤1.2)中方向图的计算公式为Gain＝w^H·A。

8.根据权利要求7所述修正方法，其特征在于，所述波束赋形权值w是指向某一个方向的波束赋形权值，为N×1的列向量；所述天线阵列的导向矢量矩阵A是N×M的矩阵，在全向天线的情况下所述天线阵列的导向矢量矩阵A的每一行都是等幅的。

9.根据权利要求1所述修正方法，其特征在于，所述步骤1.3)中修正的波束赋形权值w′的计算公式为w′＝(w^H·D)^H。

10.根据权利要求1所述修正方法，其特征在于，所述步骤1.3)还包括将修正的波束赋形权值w′进行归一化处理并代替原来的波束赋形权值w。

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