CN106452524B - 一种二维天线阵列的重叠波束合成方法 - Google Patents

一种二维天线阵列的重叠波束合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种二维天线阵列的重叠波束合成方法，待合成的独立波束有多个，并且相邻波束相互重叠，所述方法包括以下步骤：a，将待合成的独立波束组成一个待合成集合；b，对于待合成集合中相互重叠的两个波束，首先进行波束合成得到一个合成波束，然后在待合成集合中用得到的合成波束替换所述两个波束；c，重复步骤b直到待合成集合中只有一个最终的合成波束。本发明能够将任意两个重叠的波束进行合并，重复多次之后即可实现多个独立波束的合成，尤其适用于几个独立波束距离比较近的情形。

Description

一种二维天线阵列的重叠波束合成方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种二维天线阵列的重叠波束合成方法。
背景技术
在第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，简称为3GPP)LTE65次会议中已经针对全维度多输入多输出技术(Full-Dimension Multiple-InputMultiple-Output，简称为FD-MIMO)立项，用于研究可以支持垂直域波束赋形的全维度多天线技术。
未来的多天线系统中，采用二维天线阵列结构是必然的趋势。随着天线阵元的增加，通过采用不同的加权向量可以形成较窄的波束，从而实现对单个UE的定向传输。传统天线阵列形成的波束一般都是固定波束，波束指向和波束宽度都比较固定。随着有源天线阵列的出现，可以通过数字的方式对波束指向进行实时控制，但是一旦天线阵元数固定，波束宽度也就固定了，只能调整波束指向。为了实现对二维天线阵列中波束宽度的灵活控制，希望可以提出一种能够将多个窄波束合成较宽的波束的方法，从而实现对一组用户的通信。
发明内容
假设现有一个M×N的二维天线阵列，每行包括N个天线阵元，每列包括M个天线阵元(不考虑双极化天线配置)。阵列中共有M×N个天线阵元。水平阵元间距为dH，垂直阵元间距为dV。天线阵元参数的几何位置如图1所示，其中每个阵元的加权因子可以表示为：
上式中，λ为载波波长，θtilt和分别为控制波束指向的垂直下倾角和水平方位角。假设球面角度的分辨率为1度，则任意波束的波束图样都可以用维度为180×360的矩阵P来表示。其中第theta行，第phi列对应的元素就表示角度为(θ＝theta,)时的波束增益值。则天线阵列输出的波束图样幅值可以表示为：
其中，θ和分别为球面坐标中的下倾角和方位角，具体定义如图2所示。为单个天线阵元的辐射图样。天线导向因子vm,n定义如下：
假设则K个独立波束的图样为:
为第k个独立波束对应的天线阵列中每个阵元的加权因子。
现在有多个独立波束，并且相邻波束相互重叠，我们需要把这些独立细波束合成为一个粗波束，本发明提出的方法包括以下步骤：
a，将待合成的独立波束组成一个待合成集合；
b，对于待合成集合中相互重叠的两个波束，首先进行波束合成得到一个合成波束，然后在待合成集合中用得到的合成波束替换所述两个波束；
c，重复步骤b直到待合成集合中只有一个最终的合成波束。
优选的，步骤b包括以下步骤：
b1，将所述相互重叠的两个波束记为波束B1和波束B2，选择参数G1和G2，使得波束增益区间包括其中，为波束B1的最大波束增益，为波束B1和波束B2的重叠区域的最大波束增益值；
b2，在球面坐标下倾角位于θ1与θ2之间并且波束增益位于波束增益区间内的位置区域内任意选择一个位置，根据该位置的坐标计算该位置在波束B1中的图样P1和该位置在波束B2中的图样P2：
其中，θ1、θ2分别是波束B1、波束B2的最大波束增益位置的球面坐标下倾角，是波束B1的第m行第n列天线阵元的阵元加权因子，是波束B2的第m行第n列天线阵元的阵元加权因子，vm,n是第m行第n列天线阵元的导向因子，M、N是二维天线阵列的行、列阵元个数，
根据图样P1和图样P2计算偏置再根据偏置Q计算波束B1和B2的合成波束的阵元加权因子：
b3，在待合成集合中删除波束B1、B2，增加步骤b2得到的合成波束。
为了增强合成效果，进一步优选的，上述步骤b2还包括：检验得到的合成波束是否满足预定的合成要求，如果不满足则在所述位置区域内重新选择一个位置，重复本步骤，如果满足则进入步骤b3；如果在所述位置区域内选择位置的次数达到门限值后仍然不满足合成要求，则返回步骤b1，调整参数G1和G2后重复步骤b1；
上述方法中，增益区间的确定很关键，要求能够包括两个波束重叠区域的最大值，但也不宜太大，否则会增加搜索的复杂度，具体数值可以根据波束合成效果进行灵活的调整，优选的，可以设置为
本发明利用波束表面相位连续的特性，通过引入偏置Q，使得两个波束在交叠区域能够同相叠加，避免了加权因子直接叠加形成的波束零陷(Null)。本发明能够将任意两个重叠的波束进行合并，重复多次之后即可实现多个独立波束的合成，尤其适用于几个独立波束距离比较近的情形。
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M×N的二维天线阵列的天线阵元参数的几何位置示意图；
图2是球面坐标中的下倾角和方位角的示意图；
图3是实施例1的3个细波束的波束图样示意图。
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；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。
本实施例需要将三个细波束B1，B2和B3合成为一个粗波束，如图3所示，B1，B2和B3相互重叠，第n个波束在θ＝θn处取得最大波束增益，记为
本实施例是先将B1和B2合成为波束B4，再将波束B4和波束B3合成为波束B5，下面给出具体实施步骤：
1，首先找到球面坐标下倾角位于θ1与θ2之间，且波束增益处于 之间的位置区域。G1和G2的选取应满足：并且波束增益 区间包含为波束B1和波束B2的重叠区域的最大波束增益值。波束增益区间的范围 不宜过大，本实施例选取为
2，从第1步得到的位置区域中任意选择一个位置，该位置的坐标为
3，在波束B1和波束B2中分别求出选择的位置所对应的图样P1、P2：
4，令式中，上标*表示复数共轭。
5，计算波束4的阵元加权因子：
6，检验波束4是否满足合成要求，若不满足要求，则返回第2步中，重新选择一个位置，再次进行第3、4、5步，得到新的波束4，并再次检验是否满足合成要求。若多次重新选择位置后得到的合成波束4依然不满足合成要求，则返回第1步，对参数G1和G2进行调整，之后再次进行第2、3、4、5步。
7，重复步骤1～6，对B3和B4进行合成，最后输出合成波束的阵元加权因子对应合成波束5的图样可以表示为：
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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 (3)

1.一种二维天线阵列的重叠波束合成方法，待合成的独立波束有多个，并且相邻波束相互重叠，所述方法包括以下步骤：
a，将待合成的独立波束组成一个待合成集合；
b，对于待合成集合中相互重叠的两个波束，首先进行波束合成得到一个合成波束，然后在待合成集合中用得到的合成波束替换所述两个波束；
c，重复步骤b直到待合成集合中只有一个最终的合成波束；
其中，步骤b还包括以下步骤：
b1，将所述相互重叠的两个波束记为波束B1和波束B2，选择参数G1和G2，使得波束增益区间包括其中， 为波束B1的最大波束增益，为波束B1和波束B2的重叠区域的最大波束增益值；
b2，在球面坐标下倾角位于θ1与θ2之间并且波束增益位于波束增益区间内的位置区域内任意选择一个位置，根据该位置的坐标计算该位置在波束B1中的图样P1和该位置在波束B2中的图样P2：
其中，θ1、θ2分别是波束B1、波束B2的最大波束增益位置的球面坐标下倾角， 分别是波束B1、波束B2的第m行第n列天线阵元的加权因子，vm,n是第m行第n列天线阵元的导向因子，M、N是二维天线阵列的行、列阵元个数，
根据图样P1和图样P2计算偏置再根据偏置Q计算波束B1和B2的合成波束的阵元加权因子：
其中，上标*表示复数共轭；
b3，在待合成集合中删除波束B1、B2，增加步骤b2得到的合成波束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b2还包括：
检验得到的合成波束是否满足预定的合成要求，如果不满足则在所述位置区域内重新选择一个位置，重复本步骤，如果满足则进入步骤b3；如果在所述位置区域内选择位置的次数达到门限值后仍然不满足合成要求，则返回步骤b1，调整参数G1和G2后重复步骤b1。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
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