CN101536356B - 用于合成阵列天线的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于根据阵列因子振幅的目标形状来合成阵列天线的阵列因子的方法，包括：根据阵列因子振幅的目标形状来计算阵列因子相位，和利用最小均方法来计算阵列天线加权系数，其中在LMS方法中使用的目标函数是由阵列因子振幅的所述目标形状和计算的阵列因子相位构成的复函数，其中计算的加权系数确定阵列因子。

Description

用于合成阵列天线的方法和系统

技术领域

本发明一般涉及天线领域，例如(但不限于)用于诸如移动电话网的移动通信的天线的领域，尤其涉及用于设计例如通信系统的天线的方法。更具体地说，本发明涉及用于合成阵列天线的方法。

背景技术

本领域中已知，阵列天线是由排列形成阵列的多个均等的辐射元形成的天线，所述多个均等的辐射元由相互呈适当的振幅和相位关系的信号来馈电。

为了设计阵列天线，设计人员通常不得不按照符合设计前提的方式，合成天线的所谓“辐射图”或“辐射方向图”。

本领域中已知几种合成阵列天线的辐射图的方法。已知方法的例子有Dolph-Chebyshev法、Taylor法、Fourier级数法和Woodward-Lawson法，仅仅列举了一些方法。

不过多地详述，本领域的技术人员众所周知，Dolph-Chebyshev法和Taylor法允许设计人员设定副瓣的电平(副瓣高度影响主瓣宽度)；更具体地说，Dolph-Chebyshev法目的在于实现具有相等振幅的副瓣的辐射图，而Taylor法目的在于实现具有振幅小于预定水平的副瓣的辐射图。Fourier级数方法试图利用对天线的辐射元进行馈电的信号的系数和辐射电磁场之间的Fourier变换关系，产生所需的辐射图；Woodward-Lawson法试图把目标辐射图再现成由均匀的辐射元子阵列产生的基本波束的重叠。

在R.J.Mailloux的“Phased Array Antenna Handbook”(ArtecHouse，Norwood，MA，1993)第17-19和112-136页中说明了上述(及其它)阵列天线合成方法。

在S.Takubo等人的“Radiation Pattern Synthesis of anUnequally Spaced Array Antenna”(IEEE Antennas and PropagationInternational Symposium，July 16-21，2000，Salt Lake City，Utah)中，提出一种间隔不均匀的阵列天线的辐射图合成方法，该方法采用LMS(最小均方)法。描述了-25dB Chebyshev图的目标辐射图[A](振幅和相位)的设计例子。

发明内容

申请人注意到，在S.Takubo等人的论文中提出的方法是以设计人员知晓振幅和相位两方面的目的辐射图即目标辐射图的假设为基础的，不过，设计人员通常并不具备对目标辐射图的这种完全了解；相反，设计人员通常仅仅规定目标辐射图振幅轮廓(mask)。

申请人解决了下述问题：设计一种在设计人员的有限监督下，根据设计人员指定的天线辐射图的振幅的任意目标曲线来合成阵列天线的方法，该方法能够容易地用软件和用硬件实现。

申请人发现，从目标阵列因子振幅轮廓开始，并由目标阵列因子振幅轮廓得到要经过LMS算法的优化处理的复函数，LMS算法能够方便地用在阵列天线的阵列因子的合成中。

特别地，申请人发现，通过把目标阵列因子振幅轮廓看作好像它是解析复函数的模，能够得到要经过优化处理的复函数。事实上，按照电路理论，如果电路是稳定的，那么复变量p的每个输出/输入网络复函数F(p)在由Re{p}＞0表征的区域中是解析的。结合因果属性(在对应的激发之前不存在任何响应)，这个条件意味着，复函数F(p)的实部和虚部，从而复函数F(p)的模和相位不是独立的，因此，一旦已知这两个分量之一，那么通过应用被称为hilbert变换的积分算子可以导出另一分量。申请人发现，通过利用这些关系并且把目标阵列因子振幅轮廓看作要经过LMS算法的优化处理的复函数的模，就能够通过积分模的自然对数来计算这种复函数的相位。

申请人通过实验发现，按照这种方式从目标阵列因子振幅轮廓得到的、并且用在利用LMS算法的优化处理中的复函数给出了极好的结果。

按照本发明的一个方面，提供一种如所附权利要求1中陈述的方法，用于根据阵列因子振幅的目标形状来合成阵列天线的阵列因子。该方法包括：

-根据阵列因子振幅的目标形状来计算阵列因子相位，和

-利用最小均方法来计算阵列天线加权系数，其中在LMS方法中使用的目标函数是由阵列因子振幅的所述目标形状和计算的阵列因子相位构成的复函数，

其中，计算的加权系数确定阵列因子。

特别地，所述计算阵列因子相位包括应用下面的公式：

Hilb{ln(M(θ))}

其中M(θ)表示作为相对于参考方向测量的角度θ的函数的阵列因子振幅的目标形状，Hilb{ln(M(θ))}表示阵列因子振幅的目标形状的自然对数的Hilbert变换。

所述利用最小均方法来计算阵列因子可包括：

a)把误差定义成函数s(θ)和被合成的阵列因子之差，其中将函数s(θ)定义为：

s(θ)＝M(θ)e^{jHilb{ln(M(θ))}}

将被合成的阵列因子表述成：

AF(θ)＝w ^H Θ(θ)

其中w表示所述加权系数的矢量，Θ(θ)表示阵列天线的导向矢量；

b)初始地把加权系数设置成初始值；

c)计算加权系数的当前值的误差；

d)根据计算的误差来更新加权系数的值，和

e)迭代步骤c)和d)，直到误差小于预定阈值或者达到最大迭代次数为止。

特别地，加权系数的当前值的误差被计算成：

$e\left({\underset{\‾}{w}}_n\right)=s\left(\mathrm{\θ}\right)-{\underset{\‾}{w}}_n^H\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}}\left(\mathrm{\θ}\right);$

可利用下面的公式计算加权系数的更新值：

w _n+1＝w _n+μe^*(w _n)Θ(θ)

其中μ表示收敛因子，n表示通用迭代。

按照本发明的另一方面，提供一种如权利要求6中陈述的系统，用于根据阵列因子振幅的目标形状来计算阵列天线的加权系数。该系统适合于：

-根据阵列因子振幅的目标形状来计算阵列因子相位，和

-利用最小均方法来计算阵列天线加权系数，其中在LMS方法中使用的目标函数是由阵列因子振幅的所述目标形状和计算的阵列因子相位构成的复函数。

特别地，所述系统还适合于通过应用下面的公式来计算阵列因子相位：

Hilb{ln(M(θ))}

其中M(θ)表示作为相对于参考方向测量的角度θ的函数的阵列因子振幅的目标形状，Hilb{ln(M(θ))}表示阵列因子振幅的目标形状的自然对数的Hilbert变换。

所述系统还进一步适合于：

a)把误差定义成函数s(θ)和被合成的阵列因子之差，其中将函数s(θ)定义为：

s(θ)＝M(θ)ejHilb{ln(M(θ))}

将被合成的阵列因子表述成：

AF(θ)＝w ^H Θ(θ)

其中w表示所述加权系数的矢量，Θ(θ)表示阵列天线的导向矢量；(参见方程式4)。

b)初始地把加权系数设置成初始值；

c)计算加权系数的当前值的误差；

d)根据计算的误差来更新加权系数的值，和

e)迭代步骤c)和d)，直到误差小于预定阈值或者达到最大迭代次数为止。

加权系数的当前值的误差可被系统计算成：

$e\left({\underset{\‾}{w}}_n\right)=s\left(\mathrm{\θ}\right)-{\underset{\‾}{w}}_n^H\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}}\left(\mathrm{\θ}\right);$

可利用下面的公式计算加权系数的更新值：

w _n+1＝w _n+μe^*(w _n)Θ(θ)

其中μ表示收敛因子，n表示通用迭代。

本发明的再另一方面涉及包括本发明上述方面的系统的阵列天线。

本发明的再又一方面涉及如所附权利要求12中陈述的蜂窝无线电网络，包括：

-多个无线电发射和/或接收站，每个无线电站包括阵列天线和按照本发明前述方面的用于根据阵列因子振幅的目标形状来计算阵列天线的加权系数的系统，以及

-与无线电站通信并适合于把有关要由阵列天线实现的阵列因子振幅的目标形状的信息传送给无线电站的网络控制中心。

附图说明

通过阅读仅仅作为非限制性例子提供的对本发明实施例的下述详述说明，本发明的特征和优点将变得明显，为了清楚起见，将参考附图进行说明，其中：

图1A图示了其中适用按照本发明的方法的通信系统的场景；

图1B示意性地示出了与图1A中所示的场景相关的所需天线辐射图；

图1C示出了目标天线阵列因子振幅(纵坐标，[dB])与和图1B的所需辐射图有关的、相对于和辐射元的阵列正交的方向(参见图2)的角度θ(横坐标，[deg])的关系曲线，以及在假定阵列天线由32个单元构成，单元间间隔为半波长的情况下，由按照本发明实施例的方法获得的适当合成图；

图2示意性地示出了形成阵列天线，尤其是均匀线性阵列(ULA)的辐射元阵列；

图3是用于合成阵列因子的按照本发明实施例的方法的示意流程图；

图4是阵列因子振幅(纵坐标，[dB])与相对于和辐射元阵列正交的方向(参见图2)的角度θ(横坐标，[deg])的关系曲线的图，示出了另一目标阵列因子振幅和通过使用按照本发明实施例的方法获得的结果阵列因子振幅；

图5是阵列因子振幅(纵坐标，[dB])与相对于和辐射元阵列正交的方向的角度θ(横坐标，[deg])的关系曲线的图，示出了第二个例证的目标阵列因子振幅和通过使用按照本发明实施例的方法获得的结果阵列因子振幅；

图6是这样的图：用实线表示目标阵列因子振幅(纵坐标，[dB])与相对于和辐射元阵列正交的方向(参见图2)的角度θ(横坐标，[deg])的关系曲线，用虚线表示由按照本发明实施例的方法获得的结果阵列因子振幅，而用点线表示在不从目标阵列因子振幅得到阵列因子相位信息的情况下计算的阵列因子振幅；

图7是适合于被配置为实现按照本发明实施例的方法的数据处理设备的示意功能方框图；

图8以功能块形式示意性地示出了适合于由图7的数据处理设备执行并且启动按照本发明实施例的方法的软件的主要组件；

图9示意性地示出了使用按照本发明实施例的方法的例证无线电通信网络。

具体实施方式

参见附图，图1中图示了其中适用按照本发明实施例的方法的通信系统的场景。

特别地，该图示意性地描述了被移动通信网络，尤其是蜂窝网络，比如诸如GSM(全球移动通信系统)网络之类的第二代(2G)网络，或者诸如UMTS(通用移动通信系统)网络之类的第三代(3G)网络覆盖的地理区域的假设部分。

图1A中示出的那部分地理区域被假定包括覆盖区域(“蜂窝小区”)110的基站(BS)105，并且假定必须在BS 105附近安装新基站(NBS)115(例如，为了增大网络容量)。NBS 115包括阵列天线。如图1A中所示，由于该区域的形态特征(例如，山脉、丘陵、森林等的存在)，或者由于人造结构(建筑物)的缘故，可能会出现BS蜂窝小区110在区域125中与NBS蜂窝小区120重叠，导致干扰。为了解决该问题，NBS 115可配备能够产生如图1B中示意描述的辐射图130的天线阵列(在图1B中，θ表示由通用方向与阵列方向L，即，NBS 115的阵列天线的单元沿其排列的方向所形成的角度；θ₁和θ₂是与确定干扰区125边界的方向相对应的角度)；在图1C中用虚线135画出了与辐射图130有关的目标辐射图轮廓。

下面详细说明用于设计阵列天线以便与NBS 115所要求的目标辐射图轮廓相符的按照本发明实施例的方法。

如在本说明书的背景技术部分中所述，阵列天线是由排列形成阵列的多个均等的辐射元形成的天线，所述多个辐射元由相互呈适当的振幅和相位关系的信号来馈电。

数学上，由阵列天线辐射的电场可被表示成：

E(r，t)＝E ₀(r，t)·AF(r)           (1)

其中E ₀(r，t)是阵列的通用辐射元辐射的电场，AF(r)是所谓的“阵列因子”，阵列因子取决于阵列单元的馈电系数以及天线的几何形状，即，辐射元的数目及其各自空间定位。

下面，假定辐射元的阵列是均匀线性阵列(ULA)，即，沿直线排列并且彼此间隔均匀的辐射元阵列。要指出的是这种假设并不限制本发明的适用性，因为更普遍的情况，例如辐射元的平面阵列仅仅是下面要说明的内容的扩展；另外，通过适当的因式分解(方位角-仰角)，辐射元的几种定位可被还原成ULA情况。

图2中示意性地示出了N个辐射元的通用ULA，其中附图标记1，2，...，N分别表示阵列的一个辐射元，d是任何两个辐射元之间的(均匀)距离，θ是辐射场的传播方向相对于参考方向O形成的角度，参考方向O是与沿其排列辐射元1，2，...，N的方向L正交的方向(0°的角度θ对应于与辐射元的阵列的轴垂直的方向，而±90°的角度θ表示两极端中的任意之一)。

如本领域中已知(并且如例如在引用的R.J.Mailloux的手册中所述)，在均匀间隔距离d的N个辐射元的ULA的情况下，阵列因子AF由下面的表达式给出：

$\mathrm{AF}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n\exp (-j2\mathrm{\πn}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ})---\left(2\right)$

其中λ表示与所关心的工作频率相对应的波长，w_n(n＝1，...，N)是描述向阵列中的通用辐射元馈电的信号之间的振幅和相位关系的复加权系数。

借助于矩阵形式，上面的表达式(2)可被重写成：

AF(θ)＝w ^H Θ(θ)             (3)

其中Θ(θ)是“导向矢量”，被定义为：

$\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}}\left(\mathrm{\θ}\right)={[e^{\left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ}\right)}{e}^{\left(j2\mathrm{\π}2\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ}\right)}\·\·\·e^{\left(j2\mathrm{\πN}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ}\right)}]}^H---\left(4\right)$

w ^H是加权系数的矢量(右上方的H表示Hermitian运算符，即，复共轭和转置运算符)，被定义为：

w ^H＝[w₁ w₂ … w_N]               (5)

考虑上面的表达式(2)或(3)，可认识到，通过作用于加权系数(即，作用于对辐射元馈电的信号)以及作用于每个辐射元相对于其它辐射元的空间位置，能够控制阵列天线的辐射图。

阵列天线的设计人员必须解决的问题是，如何按照阵列因子AF(θ)具有所需特征，即，辐射元的阵列表现出期望的辐射行为的方式来选择一组加权因子。

按照本发明的实施例，提供一种方法，该方法能够使合成的阵列因子AF(θ)与在角度θ的范围的每个点上定义的目标图(轮廓)之差最小。

特别地，按照本发明的实施例，提供一种使用最小均方(LMS)法作为优化技术的方法。

本领域中已知(例如，参见B.D.Van Veen和K.M.Buckley的“Beamforming：A Versatile Approach to Spatial Filtering”，IEEEASSP Magazine，April 1988，第4-24页)，LMS法是一种健壮的并且高效的优化技术，用于确定如何线性地组合一组信号(时间和/或空间)样本，以使所得到的值尽可能地接近目标值。

数学上，考虑通用离散时刻m，并且定义N个信号样本的矢量为：

$\underset{\‾}{x}\left(m\right)={[x_1^{*}\left(m\right)x_2^{*}\left(m\right)...x_N^{*}\left(m\right)]}^H$

w ^H＝[w₁ w₂ ... w_N]

为加权系数矢量，s(m)为目标或参考信号，由信号样本的线性组合产生的信号为：

y(m)＝w ^H x(m)             (6)

并且所述信号和参考信号之间的误差为：

e(m，w)＝s(m)-w ^H x(m).    (7)

通常，s(m)，y(m)，w，x(m)是复量，从而误差信号e(m，w)也是复量，并且信号本质上是随机的。下面，为了简单起见，误差表达式中的离散时间显性相关性被忽略，从而将使用e(w)而不是e(m，w)。

要解决的问题是，使方程式(7)表述的误差最小化。通过应用最小平方的方法，该问题的解决方案在于使误差模的平方值最小化。这可借助LMS方法数字地计算出来，LMS方法是一种迭代法，它能够通过初始地把加权系数w设置成预定初始值，例如，w ₀＝0，随后循环迭代下述步骤而获得近似最优解：

步骤a)： $e\left({\underset{\‾}{w}}_n\right)=s\left(m\right)-{\underset{\‾}{w}}_n^H\underset{\‾}{x}\left(m\right),$

步骤b)：w _n+1＝w _n+μe^*(w _n)x(m)

其中在第一步骤(步骤a))中，计算通用迭代m的误差值，在第二步骤(步骤b))中，更新加权系数。参数μ是收敛系数：μ越小，收敛越慢，μ越大，收敛越快，不过μ过高的话，该算法可能会发散。上方的“^＊”用于表示复共轭。

申请人注意到，在表述阵列天线的阵列因子的方程式(3)和表述通过线性组合一定数目的函数而获得的最小平方问题的典型参量信号的方程式(6)之间存在重要的形式类似；特别地，选取方程式(3)并进行下述替代：

θ→m

Θ→x

AF(θ)→y(m)           (8)

便得到方程式(6)。

从而，通过循环迭代下述步骤，上面关于方程式(6)讨论的LMS迭代法也可应用于由方程式(3)表述的问题：

步骤a)： $e\left({\underset{\‾}{w}}_n\right)=s\left(\mathrm{\θ}\right)-{\underset{\‾}{w}}_n^H\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}}\left(\mathrm{\θ}\right)$

步骤b)：w _n+1＝w _n+μe^*(w _n)Θ(θ)

其中s(θ)是目标信号，Θ(θ)是导向矢量。

下面，为了简明起见，讨论接收阵列天线的设计；不过，要指出的是，相应地，相同的考虑也适用于发射信号，即当阵列天线工作于发射状态时的情况。

假定待设计的阵列天线接收的通用信号y(θ)是由一组N个天线元接收的信号

的重叠结果；在应用(8)的替代之后，出现在方程式(7)中的目标信号s(θ)被假定为是被设计的阵列天线的阵列因子的预定目标曲线(轮廓)；最优加权系数w是所计算的阵列因子最贴合目标曲线的那些加权系数。

为了进行LMS方法的计算，必须充分描述目标信号；不过，这种情况下，目标信号是复函数，为阵列因子。如前所述，天线设计人员通常部分地了解所需阵列因子，即他/她了解把目标阵列因子的振幅表示成角度的函数的轮廓，而不了解相位。

从而，为了使用LMS方法，需要有关阵列因子的相位的信息。

特别地，申请人发现，通过把目标阵列因子振幅轮廓看作好像它是解析复函数的模，能够得到要经过优化处理的复函数。事实上，按照电路理论，如果电路是稳定的，那么复变量p的每个输出/输入网络复函数F(p)在由Re{p}＞0表征的区域中是解析的。结合因果属性(在对应的激发之前不存在任何响应)，这个条件意味着复函数F(p)的实部和虚部从而复函数F(p)的模和相位不是独立的，因此，一旦已知这两个分量之一，那么通过应用被称为hilbert变换的积分算子，便能够得出另一分量。申请人发现，通过利用这些关系，并把目标阵列因子振幅轮廓看作要经过LMS算法的优化处理的复函数的模，便可以通过积分模的自然对数来计算这种复函数的相位。

申请人通过实验发现，按照这种方式从目标阵列因子振幅轮廓得到的、并且用在采用LMS算法的优化处理中的复函数给出了极好的结果。

从而，按照本发明的实施例，假定阵列因子可被表示成复解析函数F(θ)：

阵列因子的模M(θ)和相位

之间的关系由下式给出(例如，参见C.Beccari，“Sintesi dei circuiti passivi”，1988C.L.U.T.editrice，第8.2.2段，第8.5-8.7页)：

其中ln(·)表示自然对数，Hilb{·}是Hilbert变换。

从而，在给定目标阵列因子的振幅轮廓M(θ)的情况下，方程式(9)和(10)能够计算出将在方程式(7)中，即在LMS方法中使用的目标信号s(θ)，以合成阵列因子。这种目标信号为：

s(θ)＝M(θ)e^{jHilb{ln(M(θ))}}

                                   (11)

从而，按照本发明的实施例，借助图3的示意流程图，按照下面说明的方式，进行待设计的阵列天线的阵列因子的计算。

提供阵列因子的目标(振幅)轮廓(方框305)。通过应用上面的方程式(11)，计算缺少的阵列因子的相位信息(方框310)。随后，加权系数被初始化为例如0(方框315)。随后通过每次计算误差，随后更新加权系数，来迭代LMS方法的两个步骤(方框320)。最后，当误差低于预先安排的阈值，或者超过最大迭代次数时，就获得优化的阵列因子325。

图4中示出了具有阵列因子AF(θ)的阵列天线的图，所述阵列因子AF(θ)是对于具有间隔均匀距离的32个辐射元的例证阵列天线，从目标曲线开始，利用上面说明的方法合成的，所述距离等于关心的工作波长λ的0.5倍(μ＝0.001，LMS方法的迭代次数等于40)；目标曲线用405表示(可认识到，曲线405不是解析函数)，而合成的阵列因子用410表示。

图5示出了与具有阵列因子AF(θ)的阵列天线的另一例子相对应的图，所述阵列因子AF(θ)是对于具有间隔均匀距离的32个辐射元的例证阵列天线，从目标曲线开始，利用上面说明的方法合成的，所述距离等于关心的工作波长λ的0.5倍(μ＝0.001，LMS方法的迭代次数等于40)；目标曲线用505表示(可认识到，曲线505不是解析函数)，而合成的阵列因子用510表示。

在图6中，示出了应用在振幅和相位方面完全了解目标阵列因子的LMS算法的重要性。实线曲线605是目标阵列因子振幅轮廓；例如，它是通过对10单元阵列和-25dB副瓣约束应用Dolph-Chebyshev法而获得的形状；本领域技术人员已知，应用Dolph-Chebyshev法会产生振幅和相位都已知的图案。点线曲线610是当用作基于LMS算法的合成方法的目标函数的目标阵列因子在振幅和相位两方面都已知时的合成的阵列因子结果：可认识到，合成的阵列因子振幅的形状基本上是目标形状的忠实复制。不同地，如果相位信息被丢弃，那么获得虚线曲线615，曲线615是对目标阵列因子振幅的极其不足的近似。目标函数的相位信息对于把LMS算法能力用于阵列图合成来说是必要的。幸好本发明提供了一种方法，借助该方法，即使设计人员事先不知晓相位信息，也能够从目标阵列因子振幅轮廓得到相位信息，因此，LMS算法的结果良好。

特别地，上述方法可由恰当编程的数据处理设备或系统，比如个人计算机或工作站实现；图7中示意性地示出了通用计算机700的结构。

计算机700由并联连接到系统总线703的几个单元构成。具体地说，一个(可能多个)处理器(μp)706控制计算机700的操作；RAM 709直接被微处理器706用作工作存储器，ROM 711存储用于计算机700的引导的基本代码。外围单元(借助相应接口)与本地总线713连接。特别地，大容量存储装置包括硬盘715和用于读取CD-ROM/DVD-ROM 719的CD-ROM/DVD-ROM驱动器717。此外，计算机700一般包括输入装置721，例如键盘和鼠标，以及输出装置723，例如显示装置(监视器)和打印机。网络接口卡(NIC)725被用于连接计算机700和网络727，例如LAN。桥接器单元729连接系统总线703与本地总线713。每个微处理器706和桥接器单元729能够起请求访问系统总线703以便传送信息的主代理的作用；判优器731管理对系统总线703的访问的批准。

在图8中，按照本发明的实施例，示意性地示出了适合于实现上述方法的计算机程序组件。特别地，图8示意性地示出了图7的计算机的工作存储器709的部分内容。信息(程序和数据)一般被存储在硬盘上，当程序被执行时，(至少部分地)被载入工作存储器中。程序最初可从例如CD-ROM或DVD-ROM被安装到硬盘上，或者程序可以被例如通过数据通信网络727从分发服务器机器下载。相位计算器模块805适合于接收阵列因子的目标(振幅)轮廓，并利用上面的方程式(11)计算阵列因子的相位，从而获得复函数；加权系数初始化器模块810把加权系数初始化为例如0。模块805计算的复函数和初始化的加权系数被提供给适合于按照上面的方程式(7)计算误差的误差计算器模块815。计算的误差被提供给更新的加权系数计算器模块820，模块820根据模块815计算的误差来计算更新的加权系数。模块820在输出中提供天线的优化阵列因子系数。在本发明的优选实施例中，加权系数初始化器模块810，误差计算器模块815和更新的加权系数计算器模块820还在输入中接收描述天线的辐射元阵列的几何参数；这样，该软件可用在任何阵列天线上，而与天线元的数目及其间距无关。

按照本发明的实施例，包括例如具有图7中所示的结构、安装有图8的计算机程序(可能嵌入在固件中)、适合于实现按照本发明的方法的波束形成设备(包括例如计算机)可装备例如移动电话网的基站(就UMTS系统来说，节点B)等的天线，一般来说，可装备其中希望恰当地形成辐射图的任何阵列天线。借助空间干扰测量，也可自动获得目标辐射图振幅轮廓。

图9中，示意性地示出了采用按照本发明实施例的方法的例证无线电通信网络。特别地，该无线电通信网络是蜂窝移动电话网络，比如第二代(GSM)或第三代(UMTS)网络，不过并不局限于此。

该网络包括网络控制中心905，所述网络控制中心905可以访问中央目标振幅轮廓数据库910，数据库910是多个目标振幅轮廓的储存库；例如，目标振幅轮廓被存储在CD或DVD-ROM盘915-1，...，915-n中，不过任何其它形式的存储器也是适当的，例如半导体存储器组件。网络控制中心905与网络的多个无线电站920a，...，920k通信，每个无线电站管理一个或多个阵列天线(图中未示出)；例如，就GSM网络来说，无线电站920a，...，920k是BTS(基站收发台)；就UMTS网络来说，无线电站例如可以是节点B。网络控制中心905和无线电站920a，...，920k之间的通信可以是有线的或无线的。每个无线电站920a，...，920k包括前面所述的那种类型的波束形成设备925，和存储中央数据库910中所存储的多个目标振幅轮廓的本地副本的本地目标振幅轮廓数据库930；例如，在本地数据库930中，目标振幅轮廓被存储在CD或DVD-ROM盘915-1，...，915-n上，CD或DVD-ROM盘915-1，...，915-n是存在于中央数据库910中的盘915-1，...，915-n的副本。波束形成设备925可以访问本地数据库930，还可接收由各无线电站920a，...，920k管理的阵列天线的几何参数935。

集中地，网络设计人员/管理人员进行网络规划，在例如容量、覆盖、不同蜂窝小区之间的干扰方面优化网络。作为网络规划的结果，确定对于每个无线电站来说最适当的辐射图，所述辐射图例如选自存储在中央数据库910中的一组目标振幅轮廓。网络控制中心905随后向每个无线电站920a，...，920k传达要实现哪个辐射图；为此，网络控制中心905例如可向通用无线电站920a，...，920k传送其上存储了目标振幅轮廓的CD或DVD-ROM盘的标识符，以及目标振幅轮廓本身的标识符。

在通用无线电站920a，...，920k，根据从网络控制中心905接收的信息，波束形成设备925访问本地数据库930，取回恰当的目标振幅轮廓；根据取回的目标振幅轮廓，并根据该无线电站管理的天线特有的几何参数935，波束形成设备925计算该天线的一组加权因子940a，...，940k。

从而，使得网络易于(重新)配置；另外，适用于任何无线电站，即，适用于任何天线，可以采用单独的一组目标振幅轮廓，而不考虑阵列单元的数目和部署；对于每个天线，考虑该天线特有的几何参数，本地计算确定天线辐射图的权重。

几种备选方案是可能的；例如，目标振幅轮廓不是本地存储在每个无线电站，而是仅集中地存储，以及可由网络控制中心905将适合于使波束形成设备925能够重构目标振幅轮廓的数据传递给无线电站920a，...，920k。

按照本发明的方法非常灵活；例如，借助配备有定向天线的传感器，可以部署具有定期测量相邻蜂窝小区导致的干扰、并重新计算辐射图、以便跟踪网络配置的变化的设备的网络，所述定向天线能够测量周围环境对移动通信网络的一般蜂窝小区所产生的干扰作为与预定方向的角度θ的函数。

要指出的是，按照本发明的方法并不仅仅适用于移动通信网络：该方法可应用于其中存在着相互干扰的接收站和发射站的任何情况下，例如应用在点对点系统，点对多点系统，具有返回信道，比如DVB-T(地面数字视频广播)，无线电链路的广播系统，以及雷达系统等中。

Claims (12)

1.一种用于根据阵列因子振幅的目标形状来合成阵列天线的阵列因子的方法，所述方法包括：

-根据阵列因子振幅的目标形状的自然对数的Hilbert变换来计算阵列因子相位，和

-利用最小均方法来计算阵列天线加权系数，其中在最小均方法中使用的目标函数是由所述阵列因子振幅的目标形状和计算的阵列因子相位构成的复函数，

其中，计算的加权系数确定阵列因子。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，所述计算阵列因子相位包括应用下面的公式：

$\mathrm{Hilb}\left\{\ln \left(M\left(\mathrm{\θ}\right)\right)\right\},$

其中

表示作为相对于参考方向测量的角度

的函数的阵列因子振幅的目标形状，

表示阵列因子振幅的目标形状的自然对数的Hilbert变换。

3.按照权利要求2所述的方法，其中，所述利用最小均方法来计算阵列因子包括：

a)把误差定义成函数

和被合成的阵列因子之差，其中将函数

定义为：

$s\left(\mathrm{\θ}\right)=M\left(\mathrm{\θ}\right)e^{\mathrm{jHilb}\left\{\ln \left(M\left(\mathrm{\θ}\right)\right)\right\}},$

将被合成的阵列因子表述成：

$\mathrm{AF}\left(\mathrm{\θ}\right)={\underset{\‾}{w}}^H\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}}\left(\mathrm{\θ}\right),$

其中w表示所述加权系数的矢量，

表示阵列天线的导向矢量；

b)初始地把加权系数设置成初始值；

c)计算加权系数的当前值的误差；

d)根据计算的误差来更新加权系数的值，和

e)迭代步骤c)和d)，直到误差小于预定阈值或者达到最大迭代次数为止。

4.按照权利要求3所述的方法，其中在步骤c)中，加权系数的当前值的误差被计算成：

$e\left({\underset{\‾}{w}}_n\right)=s\left(\mathrm{\θ}\right)-{\underset{\‾}{w}}_n^H\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}}\left(\mathrm{\θ}\right).$

5.按照权利要求3或4所述的方法，其中步骤d)包括利用下面的公式来计算加权系数的更新值：

${\underset{\‾}{w}}_{n+1}={\underset{\‾}{w}}_n+\mathrm{\μ}{e}^{*}\left({\underset{\‾}{w}}_n\right)\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}}\left(\mathrm{\θ}\right),$

其中μ表示收敛因子，n表示通用迭代。

6.一种用于根据阵列因子振幅的目标形状来计算阵列天线的加权系数的系统，所述系统包括：

-相位计算器，根据阵列因子振幅的目标形状的自然对数的Hilbert变换来计算阵列因子相位，和

-加权系数计算器，利用最小均方法来计算阵列天线加权系数，其中在最小均方法中使用的目标函数是由阵列因子振幅的所述目标形状和计算的阵列因子相位构成的复函数。

7.按照权利要求6所述的系统，所述相位计算器通过应用下面的公式来计算阵列因子相位：

$\mathrm{Hilb}\left\{\ln \left(M\left(\mathrm{\θ}\right)\right)\right\},$

其中

表示作为相对于参考方向测量的角度

的函数的阵列因子振幅的目标形状，

表示阵列因子振幅的目标形状的自然对数的Hilbert变换。

8.按照权利要求7所述的系统，其中，误差被定义成函数

和被合成的阵列因子之差，其中将函数

定义为：

$s\left(\mathrm{\θ}\right)=M\left(\mathrm{\θ}\right)e^{\mathrm{jHilb}\left\{\ln \left(M\left(\mathrm{\θ}\right)\right)\right\}},$

将被合成的阵列因子表述成：

$\mathrm{AF}\left(\mathrm{\θ}\right)={\underset{\‾}{w}}^H\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}}\left(\mathrm{\θ}\right),$

其中w表示所述加权系数的矢量，表示阵列天线的导向矢量；所述系统还包括：

加权系数初始化器，初始地把加权系数设置成初始值；以及

误差计算器，计算加权系数的当前值的误差，

其中，所述加权系数计算器根据计算的误差来更新加权系数的值，以及

所述误差计算器的上述计算操作和加权系数计算器的上述更新操作被迭代，直到误差小于预定阈值或者达到最大迭代次数为止。

9.按照权利要求8所述的系统，所述误差计算器把加权系数的当前值的误差计算成：

$e\left({\underset{\‾}{w}}_n\right)=s\left(\mathrm{\θ}\right)-{\underset{\‾}{w}}_n^H\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}}\left(\mathrm{\θ}\right).$

10.按照权利要求8或9所述的系统，所述加权系数计算器利用下面的公式来计算加权系数的更新值：

${\underset{\‾}{w}}_{n+1}={\underset{\‾}{w}}_n+\mathrm{\μ}{e}^{*}\left({\underset{\‾}{w}}_n\right)\underset{\‾}{\mathrm{\Θ}}\left(\mathrm{\θ}\right),$

其中μ表示收敛因子，n表示通用迭代。

11.一种包含按照权利要求6-10任意之一所述的系统的阵列天线。

12.一种蜂窝无线电网络，包括：

-多个无线电发射和/或接收站(920a，...，920k)，每个无线电站包括阵列天线和按照权利要求6-10任意之一所述的用于根据阵列因子振幅的目标形状来计算阵列天线的加权系数的系统，以及

-与无线电站通信并适合于把有关要由阵列天线实现的阵列因子振幅的目标形状的信息传送给无线电站的网络控制中心(905)。

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