CN104467985A - 一种多阵元线阵的到达方位角测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多阵元线阵的到达方位角测量方法及装置。该方法包括:将多个天线阵元平均分组,形成多个子阵;计算每个子阵的导向矢量;计算每个天线阵元对应的上行信道响应;计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应并得到每个子阵的阵元信道响应,将每个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,形成叠加信道响应;根据所述导向矢量和所述叠加信道响应计算每个角度的功率值;选择令所述功率值最大时对应的角度,得到到达方位角。本发明大大降低了计算复杂度,有利于增强型基站的实现。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,尤其涉及一种多阵元线阵的到达方位角测量方法及装置。
背景技术
随着无线通信技术的发展,尤其是物理层技术的不断革新,频谱效率及系统的传输速率得到明显的提高,用户的感知效果也在不断提升。为了能够进一步地改善用户终端(User Equipment,UE)的传输速率,三维多输入多输出(3Dimension-Multiple-Input Multiple-Out-put,3D-MIMO)的技术被更广泛地提及。这种技术能够自适应地测量UE的位置,从而动态地调整天线的下倾角,实现UE接收信号的提升。
如何实现UE位置的测量,是实现天线下倾角动态调整的前提,具体的下倾角动态调整的示意图如图1所示。在现有技术中实现UE位置测量的方法主要是基于波束表格法(Grid Of Beam,GOB),该方法主要是利用上行信道响应对应的空间相关矩阵,并根据导向矢量与相关的矩阵的匹配特性实现到达方位角(Angle of arrival,AOA)的测量。其中AOA测量的具体实现过程是:第一步:假定上行信道响应为H1×M,则将空间相关矩阵记为:Rxx=H′H,其中H′表示矩阵H的共轭转置。第二步:定义导向矢量为:α(θ)=exp[j*k*d*(M-1)*cos(θ)],其中θ为角度,k为波数,k=2πf/c,d为阵元间距,M为天线阵元的数目。第三步:计算每个角度θ的功率值:P(θ)=α′(θ)Rxxα(θ)。第四步:选择P(θ)的最大值所对应的θ值,即得到AOA的值。此后,就可以根据分别计算得到的垂直方向和水平方向AOA的值,测量得到UE的位置,从而实现天线下倾角动态调整。
根据以上描述可以看出,在垂直方向AOA的计算过程中,现有技术的复杂度主要取决于天线阵元M的数量。在一般情况下,为了实现垂直方向的窄波束以及阵列天线的高增益,阵列天线在垂直方向的阵元数为12个以上,相对于水平方向的4个或8个阵元,在垂直方向的阵元数较大,从而垂直方向AOA的计算复杂度也较高,不利于增强型基站(Evolved Node B,eNodeB)的实现。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种多阵元线阵的到达方位角测量方法及装置,能够解决在AOA测量过程中的计算复杂度较高的技术问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明提供多阵元线阵的到达方位角测量方法,包括:
将多个天线阵元平均分组,形成多个子阵;
计算每个子阵的导向矢量;
计算每个天线阵元对应的上行信道响应;
根据每个天线阵元对应的上行信道响应计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应,并得到每个子阵的阵元信道响应,将每个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,形成叠加信道响应;
根据所述导向矢量和所述叠加信道响应计算每个角度的功率值;
选择令所述功率值最大时对应的角度,得到到达方位角。
进一步地,
所述将多个天线阵元平均分组包括:将垂直方向多个天线阵元平均分组;
和/或,
所述计算每个子阵的导向矢量包括:计算每个子阵的导向矢量α(θ),α(θ)=exp[j*k*d*(L-1)*cos(θ)],其中θ为角度,k为波数,k=2πf/c,d为阵元间距,L为每个子阵的阵元数,L=M/N,M为天线阵元的数目,N为子阵个数,α(θ)是1×L的向量。
进一步地,
所述计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应为:其中F为频域带宽;为每个子阵中阵元对应的上行信道响应,其中t=1,2,…,T,T为子载波数目;m=1,2,…,M,M为天线阵元的数目;
所述得到每个子阵的阵元信道响应为:Hn=[HLn-L+1,HLn-L+2,…HLn],其中n=1,2,…,N;
所述将每个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,得到叠加信道响应为:
N为子阵个数,H为1×L的向量。
进一步地,所述根据所述导向矢量和所述叠加信道响应计算每个角度的功率值包括:选取不同的角度θ,计算功率值P(θ)为:P(θ)=|α(θ)*H′|2。
进一步地,所述θ的选取范围为:θ∈(-90,90)。
另一方面,本发明还提供一种多阵元线阵的到达方位角测量装置,包括:分组单元、导向矢量计算单元、上行信道计算单元、叠加单元、功率计算单元和到达方位角选择单元,分组单元分别与导向矢量计算单元和叠加单元相连,上行信道计算单元与叠加单元相连,功率计算单元分别与导向矢量计算单元、叠加单元和到达方位角选择单元相连;其中:
分组单元,用于将多个天线阵元平均分组,形成多个子阵,并将分组结果输出至导向矢量计算单元和上行信道计算单元;
导向矢量计算单元,用于接收分组单元的分组结果,计算每个子阵的导向矢量,并输出至功率计算单元;
上行信道计算单元,用于计算每个天线阵元对应的上行信道响应,并输出至叠加单元;
叠加单元,用于接收分组单元和上行信道计算单元的结果,计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应并得到每个子阵的阵元信道响应,将每个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,形成叠加信道响应,并输出至功率计算单元;
功率计算单元,用于接收导向矢量计算单元和叠加单元的计算结果,根据导向矢量和叠加信道响应计算每个角度的功率值,并输出结果至到达方位角选择单元;
到达方位角选择单元,用于接收功率计算单元发送的功率值,选择使功率值最大时对应的角度,得到到达方位角。
进一步地,
所述分组单元包括:垂直分组子单元,用于将垂直方向多个天线阵元平均分组;
和/或,
所述导向矢量计算单元包括:子阵计算子单元,用于计算子阵的导向矢量α(θ),计算公式为:α(θ)=exp[j*k*d*(L-1)*cos(θ)],其中θ为角度,k为波数,k=2πf/c,d为阵元间距,L为每个子阵的阵元数,L=M/N,M为天线阵元的数目,N为子阵个数,α(θ)是1×L的向量。
进一步地,所述叠加单元包括:
平均子单元,用于计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应,计算公式为:其中F为频域带宽;为每个子阵中阵元对应的上行信道响应,其中t=1,2,…,T,T为子载波数目;m=1,2,…,M,M为天线阵元的数目;
子阵信道响应子单元,用于得到每个子阵的阵元信道响应,公式为:Hn=[HLn-L+1,HLn-L+2,…HLn],其中n=1,2,…,N;
对应叠加子单元,用于将N个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,得到叠加信道响应:N为子阵个数,H为1×L的向量。
进一步地,所述功率计算单元包括:计算子单元,用于针对不同的角度θ,计算功率值P(θ)为:P(θ)=|α(θ)*H′|2。
进一步地,所述方位角选择单元包括:选择子单元,用于将到达方位角θ的选择范围限制于:θ∈(-90,90)。
(三)有益效果
可见,在本发明提出的一种多阵元线阵的到达方位角测量方法及装置中,利用了导向矢量元素之间相位等差变化和线阵阵元的空间信道响应具有等比变化的特性,将多个天线阵元平均分组并简化计算,如果原有12个天线阵元,分为3组,每组4个子阵,则计算复杂度可以从每个天线阵元都需计算一次,共需计算12次,简化至只需计算3次。这样就大大降低了计算复杂度,有利于增强型基站的实现。
同时,本发明利用了正交频分复用(OFDM)系统中天线阵元频域信道响应含有空间方向信息的特点,避免了现有技术中需要计算空间相关矩阵的复杂计算过程,同样有利于增强型基站的成本控制。
另外,由于垂直方向上的天线阵元数相对水平方向更多,本发明也就更加有利于垂直方向AOA的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是天线下倾角动态调整示意图;
图2是本发明实施例多阵元线阵的到达方位角测量方法的基本流程示意图;
图3是本发明一个优选实施例的多阵元线阵的到达方位角测量方法的流程示意图;
图4是本发明一个优选实施例的多阵元线阵子阵分组示意图;
图5是本发明实施例多阵元线阵的到达方位角测量装置的基本结构示意图;
图6是本发明一个优选实施例多阵元线阵的到达方位角测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例首先提出一种多阵元线阵的到达方位角测量方法,参见图2,该方法包括:
步骤201:将多个天线阵元平均分组,形成多个子阵。
步骤202:计算每个子阵的导向矢量。
步骤203:计算每个天线阵元对应的上行信道响应。
步骤204:计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应并得到每个子阵的阵元信道响应,将每个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,形成叠加信道响应。
步骤205:根据所述导向矢量和所述叠加信道响应计算每个角度的功率值。
步骤206:选择令所述功率值最大时对应的角度,得到到达方位角。
可见,在本发明实施例提出的一种多阵元线阵的到达方位角测量方法及装置中,利用了导向矢量元素之间相位等差变化和线阵阵元的空间信道响应具有等比变化的特性,将多个天线阵元平均分组并简化计算,如果原有12个天线阵元,分为3组,每组4个子阵,则计算复杂度可以从每个天线阵元都需计算一次,共需计算12次,简化至只需计算3次。这样就大大降低了计算复杂度,有利于增强型基站的实现。
同时,本发明实施例利用了OFDM系统中天线阵元频域信道响应含有空间方向信息的特点,避免了现有技术中需要计算空间相关矩阵的复杂计算过程,同样有利于增强型基站的成本控制。
在本发明的一个实施例中,由于垂直方向的天线阵元数较多,所以导致计算复杂度也较高,优选地,可以在垂直方向将多个天线阵元平均分组,以简化垂直方向的计算过程。
在本发明实施例的实际应用中,计算每个子阵的导向矢量的方法可以是:计算每个子阵的导向矢量α(θ),α(θ)=exp[j*k*d*(L-1)*cos(θ)],其中θ为角度,k为波数,k=2πf/c,f为电磁波频率,c为电磁波波速,d为阵元间距,L为每个子阵的阵元数,L=M/N,M为天线阵元的数目,N为子阵个数。
在本发明的一个实施例中,优选地,形成叠加信道响应的过程可以是:
计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应:其中F为频域带宽,为每个子阵中阵元对应的上行信道响应,其中t=1,2,…,T,T为子载波数目;m=1,2,…,M,M为天线阵元的数目;
得到每个子阵的阵元信道响应:Hn=[HLn-L+1,HLn-L+2,…HLn],其中n=1,2,…,N,;
将N个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,得到叠加信道响应:
H为1×L的向量。
在本发明的一个实施例中,针对不同的角度θ,根据导向矢量α(θ)和叠加信道响应H,计算功率值P(θ)的方法可以是:P(θ)=|α(θ)*H′|2。
在本发明的另一个实施例中,优选地,可以选择令功率值P(θ)=|α(θ)*H′|2最大时对应的角度θ,θ即为到达方位角,取值范围为:θ∈(-90,90)。
下面以具体测量一个M=12阵元线阵的到达方位角的方法为例,来具体说明本发明一个优选实施例的实现过程,参见图2。
步骤301:将M阵元线阵进行分组,形成N=3个子阵。
在本步骤中,将M阵元线阵分组为N个子阵,从而每个子阵的阵元数为L,L=M/N。如图4所示,本发明实施例将12阵元的线阵分为3组,每组的阵元数为4。
步骤302:计算每个子阵的导向矢量。
本步骤中,将每个子阵的导向矢量表示为α(θ):
α(θ)=exp[j*k*d*(L-1)*cos(θ)],
其中θ为角度,k为波数,k=2πf/c,d为阵元间距,L为每个子阵的阵元数,本发明实施例中,L=4,则α(θ)是1×4的向量。
步骤303:计算每个天线阵元对应的上行信道响应。
计算每个天线阵元对应的上行信道响应可以表示为其中t=1,2,…,T,T为子载波数目;m=1,2,…,M,M为天线阵元的数目。则本发明实施例中,需计算12个天线阵元的上行信道响应。
步骤304:计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应。
本步骤中,将每个天线阵元频域子带的平均信道响应表示为:其中F为频域带宽。
步骤305:得到每个子阵的阵元信道响应。
本步骤中,每个子阵的阵元信道响应为:Hn=[HLn-L+1,HLn-L+2,…HLn],其中n=1,2,…,N,在本发明实施例中,Hn=[H4n-3,H4n-2,H4n-1,H4n],也即H1=[H1,H2,H3,H4],H2=[H5,H6,H7,H8],H3=[H9,H10,H11,H12]。
步骤306:将N个子阵的阵元信道响应进行对应叠加。
本步骤中,将3个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,形成的叠加信道响应为:
其中H为4×1的向量。
步骤307:针对不同的角度θ,计算功率值P(θ)。
针对不同的角度θ,根据导向矢量α(θ)和叠加信道响应H,功率值P(θ)的表达式为:P(θ)=|α(θ)*H′|2。
步骤308:选择令功率值最大时对应的角度,得到到达方位角。
本步骤中,选择令功率值P(θ)=|α(θ)*H′|2最大时对应的角度θ,θ即为到达方位角,θ∈(-90,90)。
至此,则完成了本发明实施例中多阵元线阵的到达方位角的测量过程。
另外,需要说明的是,上述基于图3的所有流程描述是本发明多阵元线阵的到达方位角的测量方法的一种优选的实现过程,在本发明多阵元线阵的到达方位角的测量方法的实际实现中,可以根据需要在图2所示流程的基础上进行任意变形,可以是选择图3中的任意步骤来实现,各步骤的先后顺序也可以根据需要调整等。
本发明的一个实施例中还提出了一种多阵元线阵的到达方位角的测量装置,参见图5,该装置包括:
分组单元501,用于将多个天线阵元平均分组,形成多个子阵,并将分组结果输出至导向矢量计算单元502和上行信道计算单元503;
导向矢量计算单元502,用于接收分组单元501的分组结果,计算每个子阵的导向矢量,并输出至功率计算单元505;
上行信道计算单元503,用于计算每个子阵中阵元对应的上行信道响应,并输出至叠加单元504;
叠加单元504,用于接收分组单元501和上行信道计算单元503的结果,计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应并得到每个子阵的阵元信道响应,将每个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,形成叠加信道响应,并输出至功率计算单元505;
功率计算单元505,用于接收导向矢量计算单元502和叠加单元504的计算结果,根据导向矢量和叠加信道响应计算每个角度的功率值,并输出结果至到达方位角选择单元506;
到达方位角选择单元506,用于接收功率计算单元505发送的功率值,选择使功率值最大时对应的角度,得到到达方位角。
在本发明实施例的实际应用中,由于垂直方向的天线阵元数较多,所以导致计算复杂度也较高,为了简化计算过程,优选地,分组单元501可以包括:垂直分组子单元601,用于将垂直方向多个天线阵元平均分组。
导向矢量计算单元502可以包括:子阵计算子单元602,用于计算子阵的导向矢量α(θ),计算公式为:α(θ)=exp[j*k*d*(L-1)*cos(θ)],其中θ为角度,k为波数,k=2πf/c,d为阵元间距,L为每个子阵的阵元数,L=M/N,M为天线阵元的数目,N为子阵个数,α(θ)是1×L的向量。
在本发明的另一个实施例中,叠加单元504可以包括:
平均子单元603,用于计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应,计算公式为:其中F为频域带宽,为每个子阵中阵元对应的上行信道响应,其中t=1,2,…,T,T为子载波数目;m=1,2,…,M,M为天线阵元的数目;
子阵信道响应子单元604,用于得到每个子阵的阵元信道响应,公式为:Hn=[HLn-L+1,HLn-L+2,…HLn],其中n=1,2,…,N;
对应叠加子单元605,用于将N个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,得到叠加信道响应:H为1×L的向量。
在本发明的一个实施例中,优选地,功率计算单元505可以包括:计算子单元606,用于针对不同的角度θ,根据导向矢量α(θ)和叠加信道响应H,计算功率值P(θ):P(θ)=|α(θ)*H′|2。
在本发明的另一个实施例中,优选地,方位角选择单元506可以包括:选择子单元607,用于将到达方位角θ的选择范围限制于:θ∈(-90,90)。
需要说明的是,上述图6所示的测量多阵元线阵的到达方位角的装置的各个实施例的结构可以进行任意组合使用。上述多阵元线阵的到达方位角测量装置可以设置于基站,尤其是增强型基站中。
可见,本发明实施例具有如下有益效果:
在本发明实施例提出的一种多阵元线阵的到达方位角测量方法及装置中,利用了导向矢量元素之间相位等差变化和线阵阵元的空间信道响应具有等比变化的特性,将多个天线阵元平均分组并简化计算,如果原有12个天线阵元,分为3组,每组4个子阵,则计算复杂度可以从每个天线阵元都需计算一次,共需计算12次,简化至只需计算3次。这样就大大降低了计算复杂度,有利于增强型基站的实现。
同时,本发明实施例利用了OFDM系统中天线阵元频域信道响应含有空间方向信息的特点,避免了现有技术中需要计算空间相关矩阵的复杂计算过程,同样有利于增强型基站的成本控制。
另外,由于垂直方向上的天线阵元数相对水平方向更多,本发明实施例也就更加有利于垂直方向AOA的测量。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种多阵元线阵的到达方位角测量方法,其特征在于,包括:
将多个天线阵元平均分组,形成多个子阵;
计算每个子阵的导向矢量;
计算每个天线阵元对应的上行信道响应;
根据每个天线阵元对应的上行信道响应计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应,并得到每个子阵的阵元信道响应,将每个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,形成叠加信道响应;
根据所述导向矢量和所述叠加信道响应计算每个角度的功率值;
选择令所述功率值最大时对应的角度,得到到达方位角。
2.根据权利要求1所述的多阵元线阵的到达方位角测量方法,其特征在于:
所述将多个天线阵元平均分组包括:将垂直方向多个天线阵元平均分组;
和/或,
所述计算每个子阵的导向矢量包括:计算每个子阵的导向矢量α(θ),α(θ)=exp[j*k*d*(L-1)*cos(θ)],其中θ为角度,k为波数,k=2πf/c,d为阵元间距,L为每个子阵的阵元数,L=M/N,M为天线阵元的数目,N为子阵个数,α(θ)是1×L的向量。
3.根据权利要求1所述的多阵元线阵的到达方位角测量方法,其特征在于,
所述计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应为:其中F为频域带宽;为每个子阵中阵元对应的上行信道响应,其中t=1,2,…,T,T为子载波数目;m=1,2,…,M,M为天线阵元的数目;
所述得到每个子阵的阵元信道响应为:Hn=[HLn-L+1,HLn-L+2,…HLn],其中n=1,2,…,N;
所述将每个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,得到叠加信道响应为:
N为子阵个数,H为1×L的向量。
4.根据权利要求3所述的多阵元线阵的到达方位角测量方法,其特征在于,所述根据所述导向矢量和所述叠加信道响应计算每个角度的功率值包括:选取不同的角度θ,计算功率值P(θ)为:P(θ)=|α(θ)*H′|2。
5.根据权利要求4所述的多阵元线阵的到达方位角测量方法,其特征在于,所述θ的选取范围为:θ∈(-90,90)。
6.一种多阵元线阵的到达方位角测量装置,其特征在于,包括:分组单元、导向矢量计算单元、上行信道计算单元、叠加单元、功率计算单元和到达方位角选择单元,分组单元分别与导向矢量计算单元和叠加单元相连,上行信道计算单元与叠加单元相连,功率计算单元分别与导向矢量计算单元、叠加单元和到达方位角选择单元相连;其中:
分组单元,用于将多个天线阵元平均分组,形成多个子阵,并将分组结果输出至导向矢量计算单元和上行信道计算单元;
导向矢量计算单元,用于接收分组单元的分组结果,计算每个子阵的导向矢量,并输出至功率计算单元;
上行信道计算单元,用于计算每个天线阵元对应的上行信道响应,并输出至叠加单元;
叠加单元,用于接收分组单元和上行信道计算单元的结果,计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应并得到每个子阵的阵元信道响应,将每个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,形成叠加信道响应,并输出至功率计算单元;
功率计算单元,用于接收导向矢量计算单元和叠加单元的计算结果,根据导向矢量和叠加信道响应计算每个角度的功率值,并输出结果至到达方位角选择单元;
到达方位角选择单元,用于接收功率计算单元发送的功率值,选择使功率值最大时对应的角度,得到到达方位角。
7.根据权利要求6所述的多阵元线阵的到达方位角测量装置,其特征在于:
所述分组单元包括:垂直分组子单元,用于将垂直方向多个天线阵元平均分组;
和/或,
所述导向矢量计算单元包括:子阵计算子单元,用于计算子阵的导向矢量α(θ),计算公式为:α(θ)=exp[j*k*d*(L-1)*cos(θ)],其中θ为角度,k为波数,k=2πf/c,d为阵元间距,L为每个子阵的阵元数,L=M/N,M为天线阵元的数目,N为子阵个数,α(θ)是1×L的向量。
8.根据权利要求6所述的多阵元线阵的到达方位角测量装置,其特征在于,所述叠加单元包括:
平均子单元,用于计算每个天线阵元频域子带的平均信道响应,计算公式为:其中F为频域带宽;为每个子阵中阵元对应的上行信道响应,其中t=1,2,…,T,T为子载波数目;m=1,2,…,M,M为天线阵元的数目;
子阵信道响应子单元,用于得到每个子阵的阵元信道响应,公式为:Hn=[HLn-L+1,HLn-L+2,…HLn],其中n=1,2,…,N;
对应叠加子单元,用于将N个子阵的阵元信道响应进行对应叠加,得到叠加信道响应:N为子阵个数,H为1×L的向量。
9.根据权利要求8所述的多阵元线阵的到达方位角测量装置,其特征在于,所述功率计算单元包括:计算子单元,用于针对不同的角度θ,计算功率值P(θ)为:P(θ)=|α(θ)*H′|2。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的多阵元线阵的到达方位角测量装置,其特征在于,所述方位角选择单元包括:选择子单元,用于将到达方位角θ的选择范围限制于:θ∈(-90,90)。
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