CN105187105B - 智能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法，包括以下步骤：步骤一：确定波束赋形的主瓣方向指标参数，设计相应的赋形权重ω；步骤二：根据预设的赋形权重ω得到天线阵的综合函数S(θ)；步骤三：在天线阵的中心位置增加一个额外的天线阵元，作为中心天线；步骤四：确定生成零陷的方向θ_i，计算中心天线的权重ω₀；步骤五：结合原天线阵的权重ω和中心天线的权重ω₀进行波束赋形。与现有技术相比，本发明具有更低的用户间干扰，更高的用户接收信噪比，从而有效提高了多用户系统波束赋形的性能等优点。

Description

智能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及一种智能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法。

背景技术

随着通信技术的发展以及移动终端的升级换代，通信的形式也日趋多样化。为了支持多种多样的通信业务和提供更好的用户使用体验，通信系统必须支持多媒体宽带业务，提供更大的通信容量和更高的通信质量。受限于紧张的无线资源，提高频谱资源的利用率是实现大数据容量可靠通信的核心。多天线的空分技术是一种极具潜力的技术，是针对无线通信复杂环境的一个解决方案，它通过在通信发送端和接收端采用多个天线，充分地利用空间资源，从而达到提高通信系统的频谱利用率和信道容量的目的。智能天线技术作为多天线技术的一个炙手可热的分支，它利用空间信道的强相关性，通过对天线各阵元进行加权形成波束赋形算法，使得天线阵的方向图主瓣方向对准目标用户，抑制其他方向的发送功率，获取方向增益，提高信噪比，降低系统中干扰。

传统的波束赋形是在算法中同时设计主瓣和零陷，然而在抑制零陷方向时会牺牲部分峰值旁瓣比，导致生成的波束方向图的旁瓣电平较高，限制了用户间干扰的抑制，同时限制了波束赋形在多用户系统中的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种智能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法，其采用了在天线阵中心增加额外的阵元的方式，目的在原有低旁瓣电平的波束基础上产生零陷，实现了低旁瓣电平、窄主瓣宽度、具有零陷的波束赋形，使其具有更低的用户间干扰，更高的用户接收信噪比，从而有效提高了多用户系统波束赋形的性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种智能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定波束赋形的主瓣方向指标参数，设计相应的赋形权重ω；

步骤二：根据预设的赋形权重ω得到天线阵的综合函数S(θ)；

步骤三：在天线阵的中心位置增加一个额外的天线阵元，作为中心天线；

步骤四：确定生成零陷的方向θ_i，计算中心天线的权重ω₀；

步骤五：结合原天线阵的权重ω和中心天线的权重ω₀进行波束赋形。

所述的综合函数S(θ)＝ω^H·a(θ)，其中a(θ)为均匀圆形阵列的方向矢量，H表示共轭转置，θ为来波信号的方位角。

所述的均匀圆形阵列的方向矢量a(θ)计算如下：

其中λ为工作波长，r为均匀圆阵半径，M为天线阵元数量。

所述的中心天线放置位置是原天线阵的方向矢量相位原点，即对于不同来波方向的信号，中心天线接收的相位一致。

所述的中心天线的权重ω₀具体计算如下：

r₀＝min{r_tol,S(θ_i)}

其中，r_tol为旁瓣电平增高不超过Δ时的中心阵元最大幅值，Δ为旁瓣增高的容忍度，arg(·)为求相位函数，S(θ_i)来波信号方向的天线辐射功率，r₀为中心阵元的幅度。

所述的r_tol具体计算如下：

其中g＝cos(argω₀)，R_SSL为旁瓣电平，当Δ增大时，δ也增大，根据r_tol的计算公式，r_tol也增大。

与现有技术相比，本发明的智能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法在旁瓣电平抑制和零陷形成上有明显的性能提升，有效的改善了多用户波束赋形系统的性能，提高了用户接收的信噪比。

附图说明

图1是本发明的能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法的仿真天线阵列图；

图2是在均匀圆形阵列下本发明的波束赋形与传统波束赋形算法的方向图性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果，但本发明并不局限于下述实施例。

本发明的能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法的步骤如下：

步骤一：首先确定波束赋形的主瓣方向指标参数，设计相应的赋形权重ω；

步骤二：根据预设的赋形矢量ω得到天线阵的综合函数S(θ)；

步骤三：在天线阵的中心位置增加一个额外的天线阵元；

步骤四：确定生成零陷的方向θ_i，计算中心天线的权重ω₀；

步骤五：结合原天线阵的权重ω和中心天线ω₀进行波束赋形。

图1为本发明的优选实施中的天线阵结构，原天线阵为一个均匀的圆形天线阵，波束赋形时只考虑来自天线阵元平面的信号，即不考虑俯仰角。

其具体步骤如下：

步骤一：首先确定波束赋形的主瓣方向指标参数，设计切比雪夫算法的的赋形权重ω；

步骤二：根据预设的赋形矢量ω得到天线阵的综合函数S(θ)，即

S(θ)＝ω^H·a(θ)

其中均匀圆形阵列的方向矢量为

其中λ为工作波长，r为均匀圆阵半径，M为天线阵元数量。

步骤三：在均匀圆形阵列的圆心位置增加一个额外的天线阵元；

步骤四：确定生成零陷的方向θ_i，则中心天线的权重ω₀可由下式求得：

步骤五：结合原天线阵的权重ω和中心天线ω₀进行波束赋形。

图2给出了均匀圆形阵列的中心天线优化切比雪夫算法的方向图和传统的线性约束最小方差(LCMV)算法的方向图。从图中可以看出本发明的方法优于传统的波束赋形方法，并且能够获得6dB的旁瓣抑制性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种智能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定波束赋形的主瓣方向指标参数，设计相应的赋形权重ω；

步骤二：根据预设的赋形权重ω得到天线阵的综合函数S(θ)；

步骤三：在天线阵的中心位置增加一个额外的天线阵元，作为中心天线；

步骤四：确定生成零陷的方向θ_i，计算中心天线的权重ω₀；

步骤五：结合原天线阵的权重ω和中心天线的权重ω₀进行波束赋形；

所述的综合函数S(θ)＝ω^H·a(θ)，其中a(θ)为均匀圆形阵列的方向矢量，H表示共轭转置，θ为来波信号的方位角；

所述的中心天线放置位置是原天线阵的方向矢量相位原点，即对于不同来波方向的信号，中心天线接收的相位一致；

所述的中心天线的权重ω₀具体计算如下：

r₀＝min{r_tol,S(θ_i)}

其中，r_tol为旁瓣电平增高不超过Δ时的中心阵元最大幅值，Δ为旁瓣增高的容忍度，arg(·)为求相位函数，S(θ_i)来波信号方向的天线辐射功率，r₀为中心阵元的幅度。

2.根据权利要求1所述的一种智能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法，其特征在于，所述的均匀圆形阵列的方向矢量a(θ)计算如下：

其中λ为工作波长，r为均匀圆阵半径，M为天线阵元数量。

3.根据权利要求1所述的一种智能天线波束赋形中采用中心天线改善零陷的优化方法，其特征在于，所述的r_tol具体计算如下：

其中g＝cos(argω₀)，R_SSL为旁瓣电平，当Δ增大时，δ也增大，根据r_tol的计算公式，r_tol也增大。