CN105206945A - 一种基于毫米波线性天线阵列摆向设计的性能优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于毫米波线性天线阵列摆向设计的性能优化方法，该方法有三大步骤：步骤一：测定信号角；步骤二：调整天线角度；步骤三：波束成型传输信号。本发明在城市环境中通过测量选择能量最大的两条信号路径，判断他们在发送(接收)天线阵列的发送角(到达角)以及其夹角关系，调整发送(接收)天线阵列的最优摆向，并利用波束成型技术在这两径上均匀分配功率传输信号的方法。它相较于传统注水策略波束成型技术，通信速率的减少少于0.6bit/s/Hz，且在高信噪比的情况下，通信速率的减小将可忽略不计。

Description

一种基于毫米波线性天线阵列摆向设计的性能优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于毫米波线性天线阵列摆向设计的性能优化方法，它是一种城市无线应用场景中毫米波频段多输入多输出线性天线阵列摆向的优化设计方法，属于毫米波无线通信技术领域。

背景技术

随着第五代通信技术(5Generation：5G)中对超高数据率无线信息传输需求的不断增加，毫米波频段通信凭借其广阔的可用频谱带宽资源，近年来不断受到学术界以及工业的界的广泛关注。然而，由于毫米波频段甚高频的物理特性，其在自由空间传输时将存在极大的空间损耗。所以，多输入多输出(Multi-inputmulti-output:MIMO)技术以及波束成型(Beamforming)技术等已广泛应用在毫米波频段无线传输中，并且由于毫米波天线尺度小的特点，使得大规模天线阵列的集成成为可能。目前，已有一些毫米波频段MIMO演示系统实现了超高数据率的无线传输。

不同于传统频段无线信号传输的丰富散射体假设，毫米波频段MIMO系统由于其强方向性的信号传输特性，多径散射效应不在那么明显，并且系统信号的传输主要取决于直射分量(Line-of-Sight:LoS)。近期的一些实验数据表明，在实际城市环境中，毫米波MIMO系统的性能不仅受到了LoS分量的影响，同时还受到主要的几条散射径的影响。研究表明，天线阵列的设计(天线间距、天线摆向等)对于系统性能有着显著的影响。目前对于城市环境中线性天线阵列设计的研究仅限于2x2的MIMO系统，但应用于实际系统仍存在诸多问题，尤其是对于城市环境中毫米波频段大规模天线阵列的优化设计问题仍待进一步研究。

发明内容

1.发明目的：

针对上述背景中提及的城市环境中毫米波频段MIMO系统性能优化的问题，本发明提供了一种基于毫米波线性天线阵列摆向设计的性能优化方法，该方法克服了现有技术的不足，它显著地提升了系统的通信速率，降低了系统的复杂度，且易于实现。

2.技术方案：

本发明提出一种基于毫米波线性天线阵列摆向设计的性能优化方法。其主要的技术方案是，在城市环境中通过测量选择能量最大的两条信号路径，判断他们在发送(接收)天线阵列的发送角(到达角)以及其夹角关系，调整发送(接收)天线阵列的最优摆向，并利用波束成型技术在这两径上均匀分配功率传输信号的方法。其具体步骤及过程如下：

步骤一：测定信号角度：利用信道估计方法测定实际城市环境中发送天线(Tx)与接收天线(Rx)之间各径的信号强度并将信号强度由大至小排列，选取其中能量最大的两条通信路径。调整发送、接收天线阵列位于这两条路径所确定的平面内，测量这两径信号的发送角θ_t1、θ_t2和到达角θ_r1、θ_r2；

步骤二：调整天线角度：根据直射径与反射径的发送角θ_t1、θ_t2(到达角θ_r1、θ_r2)分别调整发送天线阵列角度如下：

${\mathrm{\&theta;}}_{t1}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}arcsin\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_t\right)+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t\&GreaterEqual;2arcsin\frac{1}{2N_t{d}_t},\\ \mathrm{\&pi;}/2+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t<2arcsin\frac{1}{2N_t{d}_t},\end{array}\right.$

其中，N_t、d_t分别为发送天线数以及发送天线阵列天线间距，Δθ_t＝θ_t1-θ_t2， ${\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_t=\frac{p}{2N_t{d}_{t}sin\frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t}{2}},$ mod(p,N_t)≠0；和mod(·)分别为向下取整和取模运算。

以及调整接收天线阵列角度如下：

${\mathrm{\&theta;}}_{r1}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}arcsin\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_t\right)+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r\&GreaterEqual;2arcsin\frac{1}{2N_r{d}_r},\\ \mathrm{\&pi;}/2+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r<2arcsin\frac{1}{2N_r{d}_r},\end{array}\right.$

其中，N_r、d_r分别为接收天线数以及发送天线阵列天线间距，

Δθ_r＝θ_r1-θ_r2，

${\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_t=\frac{p}{2N_r{d}_{r}sin\frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r}{2}},$ mod(q,N_r)≠0；

步骤三：波束成型传输信号：利用波束成型方法在这两径上均匀分配功率传输信号，所述波束成型方法具体如下：

首先，对信道矩阵H进行奇异值分解(Singularvaluedecomposition：SVD)，H＝UDV^H，其中，U、V分别为N_r×N_r、N_t×N_t的酉矩阵，(·)^H为Hermit转置运算符；由于系统仅考虑能量最大的两条径，D为对角阵，且仅有两个元素非零，假设这两个元素分别为λ₁、λ₂，即有

其次，对发送矢量信息x做预编码处理x＝Vx，并经过功率分配后由系统发送矢量信号Qx，其中，Q为功率分配矩阵，其为对角矩阵，且仅有两个元素非零，具体表示如下

最后，经过信道传播，获得接收矢量信息y＝HQx+n，其中n为高斯白噪声；对接收矢量信号y进行后处理y＝U^Hy，获得发送信息

y＝U^Hy＝U^HHx+U^Hn＝U^HUDV^HQVx+U^Hn＝x+U^Hn。

3.优点和功效：

本发明提供一种基于毫米波线性天线阵列摆向设计的性能优化方法。通过调节最优天线阵列摆向，可以显著地提升系统通信速率。此外，相较于传统MIMO波束成型技术，本发明方案可极大地降低了系统的复杂度，且易于实现。

以6x6的MIMO系统为例，通过调节最优天线阵列摆向，相较于任意天线阵列摆向可以提高约10-18％的通信速率，而相较于较差的天线阵列摆向可以显著提高通信速率约48％-208％。而且在常用信噪比(3-20dB)情况下，本发明中方案相较于传统注水策略波束成型技术，通信速率的减少少于0.6bit/s/Hz，且在高信噪比的情况下，通信速率的减小将可忽略不计。

附图说明

图1为一种毫米波线性天线阵列MIMO系统示意图，其中参数定义为：

Tx：发送线性天线阵列；

Rx：接收线性天线阵列；

D：发送、接收天线之间的距离；

θ_tL：直射径的发送角；

θ_tR：反射径的发送角；

θ_rL：直射径的到达角；

θ_rR：反射径的到达角；

C：反射点；

具体实施方式

参照附图1，进一步说明本发明方案的具体实施方式。附图为示意图，在此示例中为方便起见，发送(接收)阵列天线间距均被确定为二分之一波长，选取能量最大的两条径为直射径与反射径，且假定反射径信号是经历一次反射形成的，但实际应用时包括但不仅限于此示例。本发明中方案具体实施方式如下：

步骤一：测定信号角度：利用信道估计方法测定实际城市环境中发送天线(Tx)与接收天线(Rx)之间各径的信号强度并将信号强度由大至小排列，选取其中能量最大的两条通信路径，如图中所示直射径与发射径。调整发送(接收)天线阵列位于这两条路径所确定的平面内，测量这两径信号的发送角θ_tL、θ_tR和到达角θ_rL、θ_rR；

步骤二：调整天线角度：根据直射径与反射径的发送角θ_tL、θ_tR(到达角θ_rL、θ_rR)分别调整发送天线阵列角度如下：

${\mathrm{\&theta;}}_{tL}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}arcsin\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_t\right)+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t\&GreaterEqual;2arcsin\frac{1}{2N_t\mathrm{\&lambda;}},\\ \mathrm{\&pi;}/2+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t<2arcsin\frac{1}{2N_t\mathrm{\&lambda;}},\end{array}\right.$

其中，N_t、λ分别为发送天线数和信号波长，

Δθ_t＝θ_tL-θ_tR，

${\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_t=\frac{p}{N_t\mathrm{\&lambda;}sin\frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t}{2}},$ mod(p,N_t)≠0；和mod(·)分别为向下取整和取模运算。

以及调整接收天线阵列角度如下：

${\mathrm{\&theta;}}_{rL}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}arcsin\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_r\right)+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r\&GreaterEqual;2arcsin\frac{1}{N_r\mathrm{\&lambda;}},\\ \mathrm{\&pi;}/2+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r<2arcsin\frac{1}{N_r\mathrm{\&lambda;}},\end{array}\right.$

其中，N_r、λ分别为发送天线数和信号波长，

Δθ_r＝θ_rL-θ_rR，

${\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_r=\frac{q}{N_r\mathrm{\&lambda;}\sin \frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r}{2}},$ mod(q,N_r)≠0；

步骤三：波束成型传输信号：利用波束成型方法在这两径上均匀分配功率传输信号，所述波束成型方法具体如下：

首先，对信道矩阵H进行奇异值分解(Singularvaluedecomposition：SVD)，

H＝UDV^H，其中，U、V分别为N_r×N_r、N_t×N_t的酉矩阵，(·)^H为Hermit转置运算符；由于系统仅考虑能量最大的两条径，D为对角阵，且仅有两个元素非零，假设这两个元素分别为λ₁、λ₂，即有

其次，对发送矢量信息x做预编码处理x＝Vx，并经过功率分配后由系统发送矢量信号Qx，其中，Q为功率分配矩阵，其为对角矩阵，且仅有两个元素非零，具体表示如下

最后，经过信道传播，获得接收矢量信息y＝HQx+n，其中n为高斯白噪声；对接收矢量信号y进行后处理y＝U^Hy，获得发送信息

y＝U^Hy＝U^HHx+U^Hn＝U^HUDV^HQVx+U^Hn＝x+U^Hn。

Claims (1)

1.一种基于毫米波线性天线阵列摆向设计的性能优化方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：测定信号角度：利用信道估计方法测定实际城市环境中发送天线Tx与接收天线Rx之间各径的信号强度并将信号强度由大至小排列，选取其中能量最大的两条通信路径；调整发送、接收天线阵列位于这两条路径所确定的平面内，测量这两径信号的发送角θ_t1、θ_t2和到达角θ_r1、θ_r2；

步骤二：调整天线角度：根据直射径与反射径的发送角θ_t1、θ_t2、到达角θ_r1、θ_r2分别调整发送天线阵列角度如下：

${\mathrm{\&theta;}}_{t1}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\arcsin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_t\right)+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t\&GreaterEqual;2\arcsin \frac{1}{2N_t{d}_t},\\ \mathrm{\&pi;}/2+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t<2\arcsin \frac{1}{2N_t{d}_t},\end{array}\right.$

其中，N_t、d_t分别为发送天线数以及发送天线阵列天线间距，Δθ_t＝θ_t1-_t2，

和mod(·)分

别为向下取整和取模运算；

以及调整接收天线阵列角度如下：

${\mathrm{\&theta;}}_{r1}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\arcsin \left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_r\right)+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r\&GreaterEqual;2\arcsin \frac{1}{2N_r{d}_r},\\ \mathrm{\&pi;}/2+{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r/2,& {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_r<2\arcsin \frac{1}{2N_r{d}_r},\end{array}\right.$

其中，N_r、d_r分别为接收天线数以及发送天线阵列天线间距，

Δθ_r＝θ_r1-_r2，

步骤三：波束成型传输信号：利用波束成型方法在这两径上均匀分配功率传输信号，所述波束成型方法具体如下：

首先，对信道矩阵H进行奇异值分解即Singularvaluedecomposition：SVD，H＝UDV^H，其中，U、V分别为N_r×N_r、N_t×N_t的酉矩阵，(·)^H为Hermit转置运算符；由于系统仅考虑能量最大的两条径，D为对角阵，且仅有两个元素非零，假设这两个元素分别为λ₁、λ₂，即有

其次，对发送矢量信息x做预编码处理x＝Vx，并经过功率分配后由系统发送矢量信号Qx，其中，Q为功率分配矩阵，其为对角矩阵，且仅有两个元素非零，具体表示如下

最后，经过信道传播，获得接收矢量信息y＝HQx+n，其中n为高斯白噪声；对接收矢量信号y进行后处理y＝U^Hy，获得发送信息

y＝U^Hy＝U^HHx+U^Hn＝U^HUDV^HQVx+U^Hn＝x+U^Hn。