CN112018526A - 基于空时异构天线阵列的信号接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于空时异构天线阵列的信号接收方法。该方法包括：重构天线阵列，满足空间维度异构特性，不同位置的全部或部分天线单元具有不相同的方向图矢量；重构天线阵列，满足时间维度异构特性，全部或部分天线单元不同时刻具有不相同的方向图矢量；每个天线单元在不同时刻，利用不相同的方向图矢量，对到达自己的信号进行快拍观测和采样；不同的天线单元分别输出不同采样时刻的多源混叠信号，阵列输出与发送信号矩阵秩相同的接收信号矩阵，完成信号接收。本发明从提高天线单元虚拟天线孔径入手，通过重构天线单元方向图矢量，使天线单元在空间或时间维度上具有不相同的方向图矢量，从而增大整个阵列的虚拟天线孔径和实际自由度，增强阵列的多源信号接收与分离能力。

Description

基于空时异构天线阵列的信号接收方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于空时异构天线阵列的信号接收方法。

背景技术

无线通信技术的应用、发展以及技术革新已经成为一项不可或缺的科学技术，而在通信系统中负责完成电磁波发射和接收功能的天线作为整个通信系统的关键，其性能的优劣将直接影响到整个通信系统的通信性能和抗干扰能力好坏以及成本高低。

天线阵列的辐射特性取决于阵元自身的结构、数目、排列方式以及孔径等因素。因此，天线单元增益和阵列增益共同决定了天线阵列的整体增益。然而，在天线孔径受限条件下，天线单元之间的互耦特性限制了阵列的自由度。从3G、4G的多输入多输出(MIMO)天线系统到5G的大规模MIMO天线系统，甚至6G的超大规模MIMO天线系统，无线通信向着更大规模天线阵列的方向不断进化。这些MIMO技术的实质是通过增加天线数量和优化设计排列方式以提高阵列增益，尽可能地补偿相关性带来的自由度损失。然而，这必然导致更高的成本、更复杂的硬件设计、更高的功率消耗和更低的效率。也就是说，“以规模获取功能”的信息系统发展途径已经面临瓶颈，如何突破阵列增益极限，这是未来无线通信任何一种天线技术都必须面对的难题。甚至，在物联网、无线传感器网络、移动通信网络终端侧，受限于体积和功耗，根本无法配置足够多的天线以获取阵列增益。因此，如何增加单天线或有限阵列天线的虚拟等效天线孔径，提高空域分辨率和自由度，进而提高整个天线阵列的通信能力，是未来无线通信实现根本性发展亟需解决的问题。

发明内容

为解决现有的“以规模换取功能”的天线技术已经无法带来更多的自由度反而会造成更高的成本、复杂度、功率消耗和低效率的问题，本发明提供一种基于空时异构天线阵列的信号接收方法。

本发明提供的基于空时异构天线阵列的信号接收方法，所述天线阵列包括N个天线单元，所述信号为来自M个独立信源的M个信号，M≥2,N≥1，所述方法包括：

步骤1：重构天线阵列，使得重构的天线阵列满足时间异构特性，具体为：1≤N₁≤N个天线单元不同时刻具有不相同的方向图矢量；和/或，重构天线阵列，使得重构的天线阵列满足空间异构特性，具体为：1≤N₂≤N个不同位置的天线单元具有不相同的方向图矢量；

步骤2：每个天线单元在K个不同时刻{t₁,t₂,...t_K}，利用不相同的方向图矢量，对到达自己的信号进行K次快拍观测和采样；

步骤3：每个天线单元分别输出不同采样时刻的多源混叠信号，天线阵列输出与发送信号矩阵秩相同的接收信号矩阵，完成信号接收。

进一步地，步骤1中的所述方向图矢量包括幅度方向图和/或相位方向图；

进一步地，所述1≤N₁≤N个不同位置的天线单元具有不相同的方向图矢量，具体为：

针对N₁个天线单元中的任意两个天线单元i和天线单元j，天线单元i的方向图

和天线单元j的幅度方向图

不相同且在发送符号周期内保持不变，{θ₁,θ₂,…,θ_L}表示方向图的方向角取值空间。

进一步地，所述1≤N₂≤N个天线单元不同时刻具有不相同的方向图矢量，具体为：

针对N₂个天线单元中的任意一个天线单元k，天线单元k的时变幅度方向图

满足在同一发送符号周期(t,t+T]内不同的采样时刻t<t₁≠t₂≤t+T，天线单元k在t₁和t₂时刻的方向图

与

不相同，{θ₁,θ₂,…,θ_L}表示方向图的方向角取值空间。

进一步地，步骤1中的所述重构天线阵列的重构方式包括利用机械扫描方式进行重构；或者，使用元件改变天线的电特性的方式进行重构；或者，利用多馈点馈电技术进行重构；或者，利用电磁超材料电磁特性重构技术进行重构。

进一步地，所述方法还包括步骤4：若需要增加天线阵列的空域分辨率和信号接收能力，则增大不同位置方向图矢量不相同的天线单元数目N₁；或者，增加不同时刻方向图矢量不相同的天线单元数目N₂；或者增加天线单元的快拍观测和采样次数K。

本发明的有益效果：

本发明提供的基于空时异构天线阵列的信号接收方法，通过重构天线阵列的方向图矢量，构造实现天线阵列自由度提升。相对于传统的天线技术而言，摆脱现行“以规模获取功能”的思想瓶颈，从提高天线单元的虚拟天线孔径入手，通过快速重构天线单元方向图，在空间和时间两个维度上实现异构，拓展异构空间维度，增大阵列的虚拟天线孔径和实际自由度，从而增强阵列的多源信号分离与接收能力，突破了传统天线阵列信号接收能力与硬件瓶颈，为小型化、低复杂度实现通信容量提升提供技术支撑。

本发明提供的基于空时异构天线阵列的信号接收方法，既适用于5G以及未来6G移动通信网络多用户通信场景提高通信容量；也适用于物联网系统、无线传感器网络、移动通信网络终端等节点天线数目受限的无线通信场景提高通信容量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于空时异构天线阵列的信号接收方法的流程示意图之一；

图2为本发明实施例提供的基于空时异构天线阵列的信号接收方法的流程示意图之二；

图3为本发明实施例提供的一种满足空时二维异构特性的空时方向图空间的示意图；

图4为本发明实施例提供的在2个单天线独立信源对1个单天线接收方通信场景下的信号接收示意图；

图5为本发明实施例提供的在2个单天线独立信源对1个2天线相关接收方通信场景下的信号接收示意图；

图6为本发明实施例提供的在M个单天线独立信源对1个N天线相关接收方通信场景下的信号接收示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例1

结合图1、图3和图4所示，通信场景为：M＝2,N＝1，即2个单天线独立信源(信源1和信源2)，1个单天线接收方，本发明实施例提供的基于空时异构天线阵列的信号接收方法包括下列步骤：

S101：对来自信源1和信源2两个独立信源的信号进行观测之前，重构接收方天线单元的时变幅度方向图

其中φ₀(t,θ_l)表示天线单元在t采样时刻在θ_l方向上的幅度增益。{θ₁,θ₂,…,θ_L}表示方向图的方向角取值空间。

满足在信源1和信源2的发送符号周期(t,t+T]内的不同采样时刻具有不相同的方向图；

具体地，此步骤中，方向图的方向角空间大小L是一个足够大的数，保证天线单元能够尽可能接收所有来波方向的信号；在实施例1中，接收方天线单元方向图在不同采样时刻的不相同构造方式为：任意t<t₁≠t₂≤t+T，接收方天线单元在t₁和t₂时刻的幅度方向图

与

线性无关，保证信号观测矩阵是列满秩矩阵。

S102：在发送符号周期(t,t+T]内，天线单元按照步骤S101重构的时变方向图

空间进行K次方向图重构，每次重构的同时对信源1和信源2的信号进行快拍观测和采样，并将与K次方向图重构对应的采样时刻记为

S103：通过K次方向图重构和快拍观测和采样，天线单元输出不同采样时刻合成的混叠信号，得到信号接收向量；

S104：如果需要增加空域分辨率和信号分离与接收能力，可以增大步骤S102中发送符号周期内的快拍采样次数K。如果不需要，结束。

需要说明的是：实施例1是本发明在单天线场景下，仅采用时间异构的特殊实施例(N₁＝1)。

根据图1所示流程，单天线接收方按照步骤S101设计天线单元的时变方向图

满足在信源1和信源2的发送符号周期(t,t+T]内的不同采样时刻具有异构、不相关的方向图，即任意t<t₁≠t₂≤t+T，

与

线性无关。

独立信源1和2的发送信号记为

发送符号周期内，不同时刻信号之间只存在相位差，例如t₁时刻和t_k时刻的信号之间的关系为

按照步骤S102，在发送符号周期(t,t+T]内，对信源1和信源2的多径信号进行K次快拍观测和采样，采样时刻为

天线单元输出不同采样时刻合成的混叠信号，得到

其中，[w(t₁),w(t₂),…,w(t_K)]^T表示采样时刻的噪声变量。

按照步骤S102，快拍观测和采样的同时按照步骤S101重构的时变幅度方向图

空间快速重构方向图，重构方式可以采用电磁超材电磁特性重构技术(例如采用电磁超材料天线，数字控制电磁特性方式)实现重构，对多径信道进行观测得到

其中，

表示从两个独立信源1和2到达单天线接收方的多径信道衰落。由上式可知，天线单元在发送符号周期内对信源1和信源2的多径信号进行K次快拍观测和采样等效于信号经历了信道观测矩阵

相互之间的线性无关保证信道观测矩阵

列满秩，即

的秩完全张开，当快拍观测和采样次数K大于等于2时，能够保证接收到与发送信号矩阵秩相同的接收信号矩阵。如果需要增加空域分辨率和信号接收能力，可以增大步骤S102中发送符号周期内的快拍观测和采样次数K。如果不需要，结束。需要说明的是，每次幅度方向图重构的同时对信源1和信源2的信号进行快拍观测和采样，所以K既表示方向图重构次数又表示快拍观测和采样次数。

实施例2

如图2、图3和图5所示，通信场景为：M＝2,N＝2，即2个单天线独立信源，1个2天线接收方。考虑阵列天线孔径受限最坏场景，即接收方两天线的多径信道完全线性相关，本发明实施例提供的基于空时异构天线阵列的信号接收方法包括下列步骤：

S201：对来自信源1和信源2两个独立信源的信号进行观测之前，重构天线单元的幅度方向图

和

其中φ_i(θ_l)表示天线单元i在θ_l方向上的幅度增益，i＝1,2；l＝1,2,…L；

和

不相同且在发送符号周期内保持不变。{θ₁,θ₂,…,θ_L}表示方向图的方向角取值空间；

具体地，此步骤中，方向图的方向角空间大小L是一个足够大的数，保证天线单元能够尽可能接收所有方向多径的信号；在实施例2中，接收方天线单元方向图的不相同构造方式为：

和

线性无关，保证信号观测矩阵是列满秩矩阵。

S202：在发送符号周期(t,t+T]内，两个接收方天线单元均分别对信源1和信源2的多径信号进行1次快拍观测和采样；

S203：通过观测采样，不同天线单元输出合成的混叠信号，得到接收信号向量，完成信号接收。

需要说明的是：实施例2是本发明在特殊场景下，仅采用空间异构的特殊实施例(N₂＝2)。

根据图5所示流程，2天线相关接收方按照步骤S201重构天线单元的幅度方向图，

和

其中φ_i(θ_l)表示天线i在θ_l方向上的幅度增益，

和

线性无关且在发送符号周期内保持不变。需要说明的是，重构方式可以采用电磁超材电磁特性重构技术(例如采用电磁超材料天线，数字控制电磁特性方式)实现重构。

独立信源1和2的发送信号记为

在发送符号周期(t,t+T]内，每个天线单元分别对信源1和信源2到达自己的多径信号进行快拍观测和采样。不同天线单元输出合成的混叠信号，得到信号接收向量

每个天线单元利用不相关的方向图对多径信道进行观测得到

由于

与

线性相关，即存在一个不为0的数b₁使得

则有

在常规设计中，往往

观测矩阵H_2×2的秩为1，无法分离信源1和信源2的混叠信号。本发明实施例的设计中，

和

线性无关，保证观测矩阵H_2×2的秩与多径信道的秩相同，使其秩张开，使得接收多径信号矩阵的秩与发送信号矩阵的秩保持一致。

实施例3

如图6所示，通信场景为：M≥2,N>2，即M个单天线独立信源，1个N天线相关接收方，本发明实施例提供的基于空时异构天线阵列的信号接收方法包括下列步骤：

S301：重构天线阵列，使得重构的天线阵列满足空间异构特性，具体为：N个不同位置的天线单元具有不相同的方向图矢量，即重构N个天线单元的幅度方向图空间

其中

表示天线单元i在t时刻的幅度方向图，i＝1,2,…,N，不同方向角下的天线幅度增益。{θ₁,θ₂,…,θ_L}表示方向图的方向角取值空间。满足同一采样时刻t，不同位置的天线单元具有异构、不相关的幅度方向图，即任意1≤i≠j≤N，

与

线性无关；

此步骤中，方向图的取值角度空间大小L是一个足够大的数，保证能够尽可能接收所有方向多径的信号。方向图重构可以采用电磁超材电磁特性重构技术(例如采用电磁超材料天线，数字控制电磁特性方式)实现。

S302：重构天线阵列，使得重构的天线阵列满足时间异构特性，具体为：N个天线单元不同时刻具有不相同的方向图矢量，即重构N个天线单元的幅度方向图空间，满足在同一发送符号周期(t,t+T]内不同的采样时刻t<t₁≠t₂≤t+T，N个天线单元中任意天线单元1≤k≤N，

与

线性无关；

此步骤中，方向图重构可以采用电磁超材电磁特性重构技术(例如采用电磁超材料天线，数字控制电磁特性方式)实现。

S303：在发送符号周期(t,t+T]内，各天线单元按照步骤S301和步骤S302的空时异构方向图空间进行K次方向图重构，每次方向图重构的同时对到达自己的信号快拍观测和采样，采样时刻记为

S304：通过快拍观测和采样，不同位置天线单元分别输出不同采样时刻合成的多源混叠信号，得到多源信号接收矩阵，完成信号接收；

S305：如果需要增加空域分辨率和信号接收能力，可以回到步骤S303，增大发送符号周期内的快拍观测和采样次数K。如果不需要，结束。

需要说明的是：实施例3是本发明既采用空间异构又采用时间异构的实施例，在实施例3中，N₁＝N₂＝N。用于空间异构的天线单元和用于时间异构的天线单元可以是相同的天线单元。

根据图6所示流程，N天线相关接收方按步骤S301和S302，在对M个独立信源的信号进行观测之前，重构N个天线单元的空时异构方向图空间

其中

表示天线单元i在t采样时刻的方向图，即不同空间方向上的天线增益。异构方向图空间设计如图2所示，满足以下空时二维异构特性：同一时刻t，不同位置的天线单元具有异构、不相关的方向图，即任意i≠j，

与

线性无关；同一天线单元i，在同一发送符号周期(t,t+T]内不同快拍采样时刻具有异构、不相关的方向图，即任意t<t₁≠t₂≤t+T，

与

线性无关。

在发送符号周期(t,t+T]内，按照步骤S303，每个天线单元在每次快拍观测和采样之前按照步骤S301和S302的空时二维方向图空间通过构造自身电磁特性快速重构方向图，然后对M个独立信源到达自己的多径信号进行快拍观测和采样，采样时刻为

通过快拍观测和采样，不同位置的天线单元分别输出不同采样时刻合成的多源混叠信号，得到多源信号接收矩阵，表示为：

其中，

给定时刻t，对于任意不同天线单元1≤i<j≤N，

与

线性无关，定义天线阵列的空间异构度为N；给定天线单元i，对于任意不同时刻t₁≤t_p<t_q≤t_K，

与

线性无关，定义天线阵列的时间异构度为K。通过时间异构，使得每个天线单元虚拟出一个K元阵列，N个天线单元共虚拟出N个K元阵列，又因为这N个阵元空间异构，所以这N个虚拟阵列线性无关，即

的I部分是列满秩，秩为NK，通过构造实现NK的自由度。只要满足NK≥M，就能实现M个独立信源信号的分离和接收。

如果需要增加空域分辨率和信号分离能力，可以通过增大发送符号周期内的快拍观测和采样次数K。如果不需要，结束。

需要说明的是，上述各实施例均是以幅度方向图重构作为示例，根据实际需要，若想要以相位方向图进行重构，只需将幅度方向图替换为相位方向图即可，其他内容不变，此处不再赘述。

本发明提供的基于空时异构天线阵列的信号接收方法，摆脱现行“以规模获取功能”的思想瓶颈，而是以“构造决定效能”为指导，从提高天线单元的虚拟天线孔径入手，通过快速重构天线单元方向图，在空间和时间两个维度上分别线性无关，拓展异构空间维度，增大阵列的虚拟天线孔径和实际自由度，从而增强阵列的多源信号分离与接收能力。

本发明提供的基于空时异构天线阵列的信号接收方法，既适用于5G以及未来6G移动通信网络多用户通信场景提高通信容量；也适用于物联网系统、无线传感器网络、移动通信网络终端等节点天线数目受限的无线通信场景提高通信容量。

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 (6)

1.基于空时异构天线阵列的信号接收方法，所述天线阵列包括N个天线单元，所述信号为来自M个独立信源的M个信号，M≥2,N≥1，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：重构天线阵列，使得重构的天线阵列满足时间异构特性，具体为：1≤N₁≤N个天线单元不同时刻具有不相同的方向图矢量；和/或，重构天线阵列，使得重构的天线阵列满足空间异构特性，具体为：1≤N₂≤N个不同位置的天线单元具有不相同的方向图矢量；

步骤2：每个天线单元在K个不同时刻{t₁,t₂,...t_K}，利用不相同的方向图矢量，对到达自己的信号进行K次快拍观测和采样；

步骤3：每个天线单元分别输出不同采样时刻的多源混叠信号，天线阵列输出与发送信号矩阵秩相同的接收信号矩阵，完成信号接收。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中的所述方向图矢量包括幅度方向图和/或相位方向图。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述1≤N₁≤N个不同位置的天线单元具有不相同的方向图矢量，具体为：

针对N₁个天线单元中的任意两个天线单元i和天线单元j，天线单元i的方向图

和天线单元j的幅度方向图

不相同且在发送符号周期内保持不变，{θ₁,θ₂,…,θ_L}表示方向图的方向角取值空间。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述1≤N₂≤N个天线单元不同时刻具有不相同的方向图矢量，具体为：

针对N₂个天线单元中的任意一个天线单元k，天线单元k的时变方向图

满足在同一发送符号周期(t,t+T]内不同的采样时刻t<t₁≠t₂≤t+T，天线单元k在t₁和t₂时刻的方向图

与

不相同，{θ₁,θ₂,…,θ_L}表示方向图的方向角取值空间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中的所述重构天线阵列的重构方式包括利用机械扫描方式进行重构；或者，使用元件改变天线的电特性的方式进行重构；或者，利用多馈点馈电技术进行重构；或者，利用电磁超材料电磁特性重构技术进行重构。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

步骤4：若需要增加天线阵列的空域分辨率和信号接收能力，则增大不同位置方向图矢量不相同的天线单元数目N₁；或者，增加不同时刻方向图矢量不相同的天线单元数目N₂；或者增加天线单元的快拍观测和采样次数K。

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