CN106454870B - 一种二维天线阵列的波束合成方法 - Google Patents
一种二维天线阵列的波束合成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106454870B CN106454870B CN201510474734.8A CN201510474734A CN106454870B CN 106454870 B CN106454870 B CN 106454870B CN 201510474734 A CN201510474734 A CN 201510474734A CN 106454870 B CN106454870 B CN 106454870B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- weighing vector
- wave beam
- vector
- weighing
- synthesis wave
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
- H04W16/24—Cell structures
- H04W16/28—Cell structures using beam steering
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
- H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
- H04B7/0408—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas using two or more beams, i.e. beam diversity
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
- H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
- H04B7/0413—MIMO systems
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
- H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
- H04B7/0413—MIMO systems
- H04B7/0456—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting
- H04B7/0482—Adaptive codebooks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
本发明提出一种二维天线阵列的波束合成方法,包括:a,计算合成波束的加权向量的初始值;b,依次计算当前合成波束的加权向量和每个独立波束的加权向量之间的均方误差,如果均小于预先设置的门限值,则进入步骤c,否则进行一次迭代计算得到新的合成波束的加权向量,并重复本步骤;c,将最后一次迭代计算得到的加权向量归一化作为最终的合成波束的加权向量。本发明通过合理设置初始值与相关参数,可以实现较快收敛从而将窄波束合成为宽波束,达到对二维天线阵列的波束宽度进行灵活控制的目的。
Description
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时的波束增益值。则天线阵列输出的波束图样可以表示为:
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:
现在我们需要把指向K个方向的K个独立细波束合成为一个粗波束,用来覆盖原来K个波束覆盖的整个区域。假设采用理想点源阵元,即此时每个独立波束的图样可以表示为:
为表示方便,可以将上式变换为:
wk为第k个独立波束的加权向量,
其中:
w=[w1,1,w1,2,…w1,N,w2,1,w2,2,…w2,N,…wM,1,wM,2,…wM,N]T
v=[v1,1,v1,2,…v1,N,v2,1,v2,2,…v2,N,…vM,1,vM,2,…vM,N]T
为描述方便,表达式中省去了角度的表示。假设最终的合成波束的加权向量为w=wopt,对应的波束图样为即为最优合成波束图样。则最优波束和第k个方向独立波束之间的均方误差(Mean Square Error,MSE)值为:
由上式可以看出,均方误差为Q的二次型。ε越小,合成波束的效果越理想。为方便实施,最优加权向量的求解可以表示为以下的最优化问题:
st.(w-wk)HQi(w-wk)≤δk k=1,…,K
其中,Rv为向量v的协方差矩阵,Rwv为方向加权向量w与v的互协方差矩阵,E为加权向量w的功率。δk为理想波束和第k个独立波束之间允许的最大均方误差。为解决上述最优化问题,构造如下的拉格朗日代价函数:
λk为第k个约束条件的拉格朗日因子。因为常数项不影响计算结果,故可以不考虑E。令L(w,λ)对w的梯度为0,可得如下的最优解形势:
由上式可以看出,由于拉格朗日因子的存在和求逆运算,无法直接得到最优解。为此本发明给出了一种采用迭代运算过程得到最优的合成波束的加权向量的方法,该方法包括以下步骤:
a,计算合成波束的加权向量的初始值w(0):
其中,Rv为波束导向矢量v的协方差矩阵,Qk为波束导向矢量v的互相关矩阵,λk为预先设置的拉格朗日因子,w0为预先设置的初始权值,wk为第k个独立波束的加权向量,k=1,2,…,K;
b,依次计算当前合成波束的加权向量和每个独立波束的加权向量之间的均方误差,如果均小于预先设置的门限值δk,则进入步骤c;否则进行一次迭代计算得到新的合成波束的加权向量,并重复本步骤,所述迭代计算如下:
其中,w(i-1)为当前合成波束的加权向量,w(i)为新的合成波束的加权向量,i为进行该次迭代计算后的累计迭代次数,为第i次迭代计算时所使用的拉格朗日因子, 预先设置为β为预先设置的拉格朗日因子的修正因子;
c,将最后一次迭代计算得到的加权向量w(maxIter)归一化作为最终的合成波束的加权向量wopt,maxIter为进行最后一次迭代计算后的累计迭代次数,即:
此时,阵列输出的合成波束图样的幅值可以表示为:
上述迭代过程中,影响过程性能的参数主要是w0,δk,λk和β。如果参数选择不合理,很可能造成迭代过程收敛缓慢。一般来说,w0可以设置为K个独立波束的加权向量的算术平均值,即δk可以根据误差要求设置为某个任意小的常量,如10-4,10-3等。λk取值比较灵活,但是要求大于零,具体取值可以根据仿真结果设置。β通常设置为0.1~0.5之间的一个常数。
优选的,为了使得迭代过程更快速,可以预先设置迭代计算的总次数,在步骤b中,如果累计迭代次数达到门限值,则结束迭代过程并进入步骤c。
本发明的波束合成方法通过合理设置初始值与相关参数,可以实现较快收敛从而将窄波束合成为宽波束,达到对二维天线阵列的波束宽度进行灵活控制的目的,波束宽度可以根据用户分布场景自适应的改变。该方法运算简单,尤其适合应用于均匀线性阵列天线场景,若固定某一个方向角度,即可很方便的在单一维度上实施该方法。
附图说明
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。
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。
本实施例是用4个独立波束合成一个粗波束,具体过程如下:
1,各参数进行初始化,首先设置β=0.5,δk=10-4,累计迭代次数门限为10,并计算出:
2,开始迭代过程:计算合成波束的加权向量和每个独立波束的加权向量之间的均方误差,如果均小于均δk,则迭代过程结束;否则进行一次迭代计算以更新合成波束的加权向量,具体为:
for k=1,2,3,4
if(w(i-1)-wk)H(w(i-1)-wk)>δk
then
else
endif
end
再计算
3,迭代次数达到门限,退出迭代过程,将第10次迭代的输出结果归一化后输出:
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。
Claims (6)
1.一种二维天线阵列的波束合成方法,待合成的独立波束的个数为K,所述方法包括以下步骤:
a,计算合成波束的加权向量的初始值w(0):
其中,Rv为波束导向矢量v的协方差矩阵,Qk为波束导向矢量v的自相关矩阵,λk为预先设置的拉格朗日因子,w0为预先设置的初始权值,wk为第k个独立波束的加权向量,k=1,2,…,K;
b,依次计算当前合成波束的加权向量和每个独立波束的加权向量之间的均方误差,如果均小于预先设置的门限值δk,则进入步骤c;否则进行一次迭代计算得到新的合成波束的加权向量,并重复本步骤,所述迭代计算如下:
其中,w(i-1)为当前合成波束的加权向量,w(i)为新的合成波束的加权向量,i为进行该次迭代计算后的累计迭代次数,为第i次迭代计算时所使用的拉格朗日因子, 预先设置为β为预先设置的拉格朗日因子的修正因子;
c,将最后一次迭代计算得到的加权向量w(maxIter)归一化作为最终的合成波束的加权向量wopt,maxIter为进行最后一次迭代计算后的累计迭代次数,即:
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
步骤b中,如果累计迭代次数达到预先设置的门限值,则结束迭代过程并进入步骤c。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:
将w0设置为K个独立波束的加权向量的算术平均值,即:
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:
根据误差要求设置δk,δk为常量。
5.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:
根据仿真结果设置λk,λk大于零。
6.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:
将β设置为0.1~0.5之间的一个常数。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510474734.8A CN106454870B (zh) | 2015-08-05 | 2015-08-05 | 一种二维天线阵列的波束合成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510474734.8A CN106454870B (zh) | 2015-08-05 | 2015-08-05 | 一种二维天线阵列的波束合成方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106454870A CN106454870A (zh) | 2017-02-22 |
CN106454870B true CN106454870B (zh) | 2019-06-21 |
Family
ID=58092360
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510474734.8A Expired - Fee Related CN106454870B (zh) | 2015-08-05 | 2015-08-05 | 一种二维天线阵列的波束合成方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106454870B (zh) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108446437B (zh) * | 2018-02-08 | 2021-04-30 | 电子科技大学 | 一种阵列天线宽波束功率增益优化方法 |
TWI759870B (zh) | 2020-09-21 | 2022-04-01 | 國立清華大學 | 一種天線陣列系統之多解析度波束樣式設計方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1999065160A1 (en) * | 1998-06-05 | 1999-12-16 | Siemens Information And Communication Networks Spa | Spatio-temporal equalisation using cholesky factorisation and systolic arrays |
WO2010040190A1 (en) * | 2008-10-10 | 2010-04-15 | University Of South Australia | Method and apparatus for beamforming in mimo systems |
CN103945518A (zh) * | 2014-04-11 | 2014-07-23 | 南京邮电大学 | 一种认知无线电系统中基于波束成形的功率分配方法 |
-
2015
- 2015-08-05 CN CN201510474734.8A patent/CN106454870B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1999065160A1 (en) * | 1998-06-05 | 1999-12-16 | Siemens Information And Communication Networks Spa | Spatio-temporal equalisation using cholesky factorisation and systolic arrays |
WO2010040190A1 (en) * | 2008-10-10 | 2010-04-15 | University Of South Australia | Method and apparatus for beamforming in mimo systems |
CN103945518A (zh) * | 2014-04-11 | 2014-07-23 | 南京邮电大学 | 一种认知无线电系统中基于波束成形的功率分配方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
"Diagonal Loading Level Estimation For Robust Beamforming";Cao Zeng,Guisheng Liao,Zhiwei Yang;《2006 CIE International Conference on Radar》;20070310;第1-4页 |
"基于自适应天线的导航抗干扰算法研究";王沛;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20141115;正文第20-22、25-26页 |
"自适应阵列方向图综合方法研究";杨林;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20050315;正文第29-31页 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN106454870A (zh) | 2017-02-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Eliasi et al. | Low-rank spatial channel estimation for millimeter wave cellular systems | |
Cao et al. | Transmit array interpolation for DOA estimation via tensor decomposition in 2-D MIMO radar | |
Liu et al. | Intelligent reflecting surface aided NOMA for millimeter-wave massive MIMO with lens antenna array | |
CN106650104B (zh) | 考虑互耦效应的宽带非频变稀疏阵列综合方法 | |
Zhang et al. | Flexible array response control via oblique projection | |
CN106031068A (zh) | 一种基于波束成形的通信方法及装置 | |
CN111400919B (zh) | 阵列天线中的低旁瓣波束设计方法 | |
CN108919199A (zh) | 多波束成像声纳稀疏阵列的旁瓣抑制方法、阵列稀疏方法 | |
CN109444809B (zh) | 一种基于智能天线的无人机测控方法 | |
CN112307429B (zh) | 一种多方位点阵列响应控制方法 | |
Zhang et al. | Pattern synthesis via oblique projection-based multipoint array response control | |
Yang et al. | Optimization of subarray partition for large planar phased array radar based on weighted K-means clustering method | |
CN106324625A (zh) | 一种基于二范数多目标优化的卫星导航系统自适应抗干扰方法 | |
CN107181519A (zh) | 一种基于移动目标doa的零陷扩展3d‑mimo波束赋形方法 | |
CN103885045A (zh) | 基于子阵划分的循环联合自适应波束形成方法 | |
Wang et al. | Robust sparse array design for adaptive beamforming against DOA mismatch | |
CN106454870B (zh) | 一种二维天线阵列的波束合成方法 | |
CN108459301B (zh) | 一种基于异构阵的mimo雷达波形设计方法 | |
Shen et al. | Multi-beam design for near-field extremely large-scale RIS-aided wireless communications | |
Lou et al. | Performance analysis of sparse array based massive MIMO via joint convex optimization | |
CN104471868A (zh) | 天线端口映射方法及装置 | |
Xu et al. | UAV-enabled integrated sensing, computing, and communication: A fundamental trade-off | |
Khzmalyan et al. | The phase-only shaping and adaptive nulling of an amplitude pattern | |
CN109951216B (zh) | 一种基于码本辅助的大规模mimo doa估计方法 | |
CN108667489B (zh) | 多波束波形发射方法及系统 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20191121 Granted publication date: 20190621 |
|
PP01 | Preservation of patent right | ||
PD01 | Discharge of preservation of patent |
Date of cancellation: 20200710 Granted publication date: 20190621 |
|
PD01 | Discharge of preservation of patent | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190621 Termination date: 20200805 |
|
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |