CN107493125A - 一种任意波束宽度的模拟波束赋形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种任意波束宽度的模拟波束赋形方法,属于无线通信技术领域。本发明在硬件结构上采用固定增益衰减器实现，每一个阵元接一个固定增益衰减器，组成窗函数序列。本方法首先确定波束生成的宽度以及中心角度，然后线性调频序列作为权矢量，通过改变序列的参数调整波束宽度和中心角度。对于宽波束主瓣波动大，过渡带下降缓慢的问题，采用空域加窗的方案解决。本发明既克服了模拟波束形成的恒模约束，又在不增加很高复杂度的前提下优化了波形。

Description

一种任意波束宽度的模拟波束赋形方法
技术领域
本发明涉及一种任意波束宽度的模拟波束赋形方法，属于无线通信的技术领域。
背景技术
在5G系统中，毫米波(mmWave)和大规模天线阵列(massive MIMO)是两大关键技术。Massive MIMO系统通过更大的天线阵列可以提高阵列增益和分集增益，系统吞吐量大幅增加。Massive MIMO可以通过形成很窄的波束对准用户，从而提高用户的接收信噪比并且降低对相邻用户的干扰。在毫米波系统中，由于受到射频(RF)链路功耗以及硬件复杂度等限制，massive MIMO系统不能保证每一跟天线都连接一个RF链路，所以传统MIMO系统中的数字波束赋形方法不再适用。取而代之的是由移相器实现的模拟波束赋形，大大降低了硬件复杂度和链路功耗，但是因为移相器的恒模约束，性能相比数字波束赋形有所下降。
Massive MIMO可以系统产生阵列增益很高的窄波束对准用户，但是一旦用户的角度信息估计不准或者用户位置发生变化，形成的窄波束不能对准用户，用户的接收信噪比会急剧下降。基于此类问题，一般会考虑让基站发送宽波束以增强鲁棒性，即使在信道估计不准或者信道变化剧烈的场景下，宽波束仍能够覆盖期望用户。
任意宽度波束的应用不仅局限于有角度估计误差的场景。在波束扫描的过程中，也可以先用宽波束确定用户所在的扇区，然后再用窄波束准确搜索用户的位置，既保证扫描的精度，也可以降低波束扫描次数。此外，该方法还可以应用在无人驾驶车载雷达中，对于远距离的探测，通过发射高增益的窄波束确定是否存在障碍物，而对于近距离的探测，通过发射宽波束增大雷达的覆盖范围。
传统生成宽波束的方法可以用多个RF链路实现，以离散傅里叶变换(DFT)码本为例，在128天线场景下，每个码本可以产生大约宽度为180/128≈1.4°的窄波束，如果要形成更宽的波束，就要同时用多个码本。此方法的代价就是要利用多个RF链路，大大增加了能量和自由度损耗。
发明内容
针对传统波束生成方法所存在的问题，本发明提出一种任意宽度的模拟波束赋形方法，仅通过单个RF链路实现。
本发明提供的一种任意宽度的模拟波束赋形方法，包括：
在发射端采用线性调频序列作为天线权矢量，生成波束；
所述的线性调频序列表示为n＝0,1,...,Nt-1；其中，Nt为天线数目，A为该序列的恒定幅度，c为初始相位。
通过改变序列的参数a,b调整波束生成的宽度和中心角度。
所述的线性调频序列中，通过改变调频频率a调节波束宽度，并且满足条件通过改变变换波束的中心角度。c可选取任意值。
本发明在上述步骤的基础上，对于宽波束主瓣波动大，过渡带下降缓慢的问题，还采用空域加窗的方法优化波形，通过在硬件结构上采用固定增益衰减器实现。具体地，在每一个阵元接一个固定增益衰减器，组成窗函数序列。每一个固定增益衰减器的衰减倍数对应窗函数序列中响应的元素。
根据上述，在发射点得到的最终天线权矢量是计算出的线性调频序列与选取的窗函数的乘积。
基于所述方法，在发射端通过多个RF链路可以同时发送多个不同的波束。每一个RF链路可以生成一个任意宽度和中心角度的波束，利用多个RF链路，可以同时发送多个相互独立的波束，其中波束数目不超过RF链路数。
本发明的优点和积极效果在于：本发明方法在发射端通过线性调频序列作为天线权矢量，改变序列的参数可以达到改变波束宽度以及波束中心角度的目的。比较传统的模拟波束形成方法，如DFT码本，在大规模天线序列下单个码本波束很窄，如果形成宽波束需要大量的RF链路，而线性调频序列可以只用单个RF链路实现任意的波束宽度和波束指向。此外，为抑制波束旁瓣高，主瓣波动大的缺点，本发明还提出了一种新的模拟波束形成的结构，在几乎不增加硬件复杂度的前提下可以实现空域加窗。本发明既克服了模拟波束形成的恒模约束，又在不增加很高复杂度的前提下优化了波形。
附图说明
图1是本发明实施例中加窗与不加窗线性调频序列方向图对比；
图2是本发明提供的新的模拟波束赋形硬件结构示意图；
图3是本发明实施例中不同波束宽度方向图示例；
图4是本发明实施例中不同中心角度方向图示例。
具体实施例
下面结合附图和实施例来说明本发明的技术方案。
本发明提供了一种任意宽度的模拟波束赋形方法，同时还提供了一种新的模拟波束赋形的硬件结构。
考虑一个离散序列n＝0,1,...,Nt-1，A,a,b,c均为实数；其中Nt为天线数目，A为该序列的恒定幅度，c为初始相位。由于A和c的取值不影响波束成形的效果，本发明实施例假设A＝1并且c＝0。则离散序列的表达式的一般形式为
由于如果以另一种方式进行表示，可将上式拆分成两个序列相乘的形式，如下
w[n]＝p[n]q[n]
其中，
p[n]＝ejπmn；n＝0,1,...,Nt-1 (2)
其中Nt为发射天线数目，m、u为序列参数，分别确定了波束的中心角度和宽度。m，u与a，b具有一一对应的关系，表达式如下：
一般情况下考虑发射天线数目为偶数。根据傅里叶变换可以看出p[n]为一中心频率在πm的单频信号。q[n]是一线性调频序列，当u＝1时，该序列是一个标准的Zadoff-Chu(ZC)序列，根据ZC序列的傅里叶变换仍是ZC序列的性质，如果以该序列作为天线权矢量，得到的方向图在各角度方向上的增益均为1，即全向天线。u＜1时，该线性调频序列可以生成一个波束宽度任意调节的宽波束。q[n]的频率响应虽然无法给出闭试解，但通过对相位的求导可以发现q[n]频谱范围
根据时域乘积等价于频域卷积的定理，w[n]的频谱范围为经过频域以及角度域的相互转换，可以得到方向图的主瓣范围可以看出u决定了主瓣宽度，m决定了波束的中心角度，如果需要的得到一个主瓣宽度为2Δθ，中心角度为θc的波束，m和u的计算方法由下式给出：
m＝-sinθc (4)
通过上述方案得到的天线方向图示意图如图1中的实线所示，虽然形成了宽波束，但是波形图中的主瓣有较大的波动，而且过渡带下降缓慢。
所以在此基础上，本发明采用加窗的方案，并给出了一种硬件的实现结构，该结构如图2所示。通过在每一个天线阵元增加一个固定增益的衰减器，达到加窗的目的。因为对于不同的波束采用的是同一种窗函数序列，每个权矢量元素的模虽然不为1，但是对于权矢量的每一个元素来说模是恒定的。在天线阵元中采用固定增益的衰减器可以达到加窗的目的，并且未增加过多的硬件复杂度。通过加窗后的方向图如图1中虚线所示，主瓣不再有波动，过渡带下降明显加快。
下面给出本发明方法的一些实施例，选取128阵元大规模天线阵列，窗函数采用三角窗，生成不同中心角度和波束宽度的方向图。
(1)生成中心角度为0°，波束宽度分别为10°，30°，60°和90°的波束，结果如图3所示。
(2)生成波束宽度为30°，中心角度分别为-30°，-60°，30°和60°的波束，结果如图4所示。
图3和图4中可以验证，本发明可以产生任意波束宽度和波束中心的序列。

Claims (6)

1.一种任意宽度的模拟波束赋形方法，其特征在于，包括：
在发射端采用线性调频序列作为天线权矢量，生成波束；
所述的线性调频序列表示为n＝0,1,...,Nt-1；其中，A,a,b,c均为实数，Nt为天线数目，A为序列的恒定幅度，c为初始相位；
通过改变序列的参数a,b调整波束生成的宽度和中心角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的线性调频序列，通过改变调频频率a调节波束宽度，并且满足条件
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的线性调频序列，通过改变变换波束的中心角度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在发射端的每一个阵元上接一个固定增益衰减器，实现空域加窗的方法优化波形，每一个固定增益衰减器的衰减倍数对应窗函数序列中响应的元素；最终得到的天线权矢量是计算出的线性调频序列与选取的窗函数的乘积。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在发射端，在每个射频RF链路生成一个任意宽度和中心角度的波束，通过多个RF链路同时发送多个不同的波束，波束数目不超过RF链路数。
6.根据权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，所述线性调频序列，其中参数A和c的取值不影响波束成形的效果，设A＝1,c＝0，则将序列w[n]拆分成两个序列相乘的形式为：
w[n]＝p[n]q[n]；其中，p[n]＝ejπmn，n＝0,1,...,Nt-1；
其中m、u为序列参数，u决定了主瓣宽度，m决定了波束的中心角度，m、u对应参数a,b的关系为：
当需要得到一个主瓣宽度为2Δθ，中心角度为θc的波束时，m和u分别根据下式获取：
m＝-sinθc；
<mrow> <mi>u</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> <msub> <mi>N</mi> <mi>t</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>N</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow> 1
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