CN113328773B - 一种两级波束赋形方法 - Google Patents

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CN113328773B CN202110700497.8A CN202110700497A CN113328773B CN 113328773 B CN113328773 B CN 113328773B CN 202110700497 A CN202110700497 A CN 202110700497A CN 113328773 B CN113328773 B CN 113328773B
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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种两级波束赋形方法。本发明的两级波束赋形方法，包括对待发数据流进行空时块编码，得到编码后的数据流；构建均匀矩形天线阵列对应的两级波束赋形矩阵；通过所述两级波束赋形矩阵对所述编码后的数据流进行波束赋形，生成所述均匀矩形天线阵列的待发信号。本发明方法能够实现公共信号的高可靠高效率传输，相比于直接应用传统的定向波束赋形，由于波束的主瓣宽度变宽，覆盖角度区域变大，波束扫描次数减少，提高了公共信号的传输效率；相比于直接应用全方向波束赋形，获得了一定的波束增益，提高了公共信号的传输可靠性，从而提升整体网络的性能。

Description

一种两级波束赋形方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种两级波束赋形方法。
背景技术
大规模天线是实现5G商用的关键技术之一。为了实现大规模天线的产品化，天线更倾向于使用均匀矩形阵列。对于部署均匀矩形天线阵列的基站，实现公共信号的传输是提升整体网络性能的关键因素之一。因此，基站如何在均匀矩形天线阵列下实现公共信号的高可靠高效率传输是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种两级波束赋形方法，旨在解决现有技术中的基站无法在均匀矩形天线阵列下实现公共信号的高可靠高效率传输的技术问题。
本发明提供的两级波束赋形方法，包括：
(一)对待发数据流进行空时块编码，得到编码后的数据流；
(二)通过全方向波束赋形矩阵和定向波束赋形矩阵构建与均匀矩形天线阵列对应的两级波束赋形矩阵；其中：
所述均匀矩形天线阵列由L×M根天线组成，L为所述均匀矩形天线阵列的行，M为所述均匀矩形天线阵列的列，所述均匀矩形天线阵列在空间角度
Figure BDA0003129988910000011
处的阵列响应矢量对应的计算公式为：
Figure BDA0003129988910000012
forl＝1，2，…，L；m＝1，2，…，M；
Figure BDA0003129988910000013
其中，
Figure BDA0003129988910000014
表示均匀矩形天线阵列的阵列响应矢量，所述阵列响应矢量是所述均匀矩形天线阵列中的天线对某一方向来波的响应能力，以所述均匀矩形天线阵列所在平面中的任一点为坐标原点，以所述均匀矩形天线阵列所在平面为xoy平面且以所述均匀矩形天线阵列所在平面的法向量为z轴建立空间直角坐标系，
Figure BDA0003129988910000015
表示在空间直角坐标系中待发信号的发射方向与z轴之间的夹角，θ表示在空间直角坐标系中待发信号的发射方向在xoy平面上的投影与x轴之间的夹角，λ表示待发信号的波长，dx表示所述均匀矩形天线阵列中相邻两根天线在x方向上的距离，dy表示所述均匀矩形天线阵列中相邻两根天线在y方向上的距离；
假设全方向波束赋形矩阵集为
Figure BDA0003129988910000021
其中，
Figure BDA0003129988910000022
所述矩阵集
Figure BDA0003129988910000023
的自相关对应的计算公式为：
Figure BDA0003129988910000024
其中，
Figure BDA0003129988910000025
表示y方向的平移量，τ表示x方向的平移量，(·)*表示共轭；
Figure BDA0003129988910000026
表示复数域，P，Q分别表示全方向波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000027
的行和列，N表示全方向波束赋形矩阵的个数；
所述矩阵集
Figure BDA0003129988910000028
满足以下的条件：
Figure BDA0003129988910000029
其中，所述矩阵集
Figure BDA00031299889100000210
为(P，Q，N)-ACM，即自相关互补矩阵，
Figure BDA00031299889100000226
和δ(τ)均为克罗内克函数，即
Figure BDA00031299889100000211
当N＝2时，(P，Q，N)-ACM为一对格雷互补矩阵。
假设定向波束赋形矩阵为
Figure BDA00031299889100000212
其中，
Figure BDA00031299889100000213
所述定向波束赋形矩阵为：
Figure BDA00031299889100000214
其中，
Figure BDA00031299889100000215
表示定向波束赋形矩阵
Figure BDA00031299889100000216
在(r，c)处的元素；R和C分别表示定向波束赋形矩阵
Figure BDA00031299889100000217
的行和列。
假设对所述均匀矩形天线阵列做波束赋形的两级波束赋形矩阵集为
Figure BDA00031299889100000218
所述两级波束赋形矩阵为：
Figure BDA00031299889100000219
其中，
Figure BDA00031299889100000220
为定向波束赋形矩阵，
Figure BDA00031299889100000221
为全方向波束赋形矩阵，
Figure BDA00031299889100000222
Figure BDA00031299889100000223
L＝RP，M＝CQ，
Figure BDA00031299889100000224
表示克罗尼克积运算。
通过所述两级波束赋形矩阵对所述编码后的数据流进行波束赋形，生成所述均匀矩形天线阵列的待发信号。
优选地，所述待发数据流(信号)为：
Figure BDA00031299889100000225
其中，X(t)表示待发信号，整数t为时间域的索引，
Figure BDA0003129988910000031
表示sn(t)的空域波束赋形权重，n＝1，...，N，N为正整数。
本发明提供的另一技术方案为：
一种两级波束赋形方法，包括：
(一)构建第一极化天线子阵列对应的第一波束赋形矩阵，通过所述第一波束赋形矩阵对待发数据流进行波束赋形，得到第一极化信号，通过所述第一极化天线子阵列发送所述第一极化信号；
(二)构建第二极化天线子阵列对应的第二波束赋形矩阵，通过所述第二波束赋形矩阵对所述待发数据流进行波束赋形，得到第二极化信号，通过所述第二极化天线子阵列发送所述第二极化信号
其中，所述第一极化天线子阵列和所述第二极化天线子阵列为正交关系。
优选地，所述第一极化天线子阵列为左极化天线子阵列，所述第一波束赋形矩阵为左极化波束赋形矩阵，所述第二极化天线子阵列为右极化天线子阵列，所述第二波束赋形矩阵为右极化波束赋形矩阵；或者；所述第一极化天线子阵列为水平极化天线子阵列，所述第一波束赋形矩阵为水平极化波束赋形矩阵，所述第二极化天线子阵列为垂直极化天线子阵列，所述第二波束赋形矩阵为垂直极化波束赋形矩阵。
优选地，通过一对格雷互补矩阵和定向波束赋形矩阵构建左极化天线子阵列对应的左极化波束赋形矩阵和右极化天线子阵列对应的右极化波束赋形矩阵，其中，所述第一波束赋形矩阵为左极化波束赋形矩阵，所述第二波束赋形矩阵为右极化波束赋形矩阵。
优选地，所述左极化波束赋形矩阵和所述右极化波束赋形矩阵为：
Figure BDA0003129988910000032
Figure BDA0003129988910000033
其中，
Figure BDA0003129988910000034
表示左极化两级波束赋形矩阵，
Figure BDA0003129988910000035
表示右极化两级波束赋形矩阵，
Figure BDA0003129988910000036
和
Figure BDA0003129988910000037
为一对格雷互补矩阵，
Figure BDA0003129988910000038
表示定向波束赋形矩阵，
Figure BDA0003129988910000039
Figure BDA00031299889100000310
表示克罗尼克积运算。
优选地，所述左极化波束赋形矩阵和所述右极化波束赋形矩阵为：
Figure BDA00031299889100000311
Figure BDA00031299889100000312
其中，
Figure BDA0003129988910000041
表示左极化两级波束赋形矩阵，
Figure BDA0003129988910000042
表示右极化两级波束赋形矩阵，
Figure BDA0003129988910000043
和
Figure BDA0003129988910000044
为一对格雷互补矩阵，
Figure BDA0003129988910000045
表示定向波束赋形矩阵，
Figure BDA0003129988910000046
Figure BDA0003129988910000047
表示克罗尼克积运算。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本申请的两级波束赋形方法，通过对待发数据流进行空时块编码，得到编码后的数据流；构建均匀矩形天线阵列对应的两级波束赋形矩阵；通过所述两级波束赋形矩阵对所述编码后的数据流进行波束赋形，生成所述均匀矩形天线阵列的待发信号。如此设置，能够实现公共信号的高可靠高效率传输，相比于直接应用上述传统的定向波束赋形，由于波束的主瓣宽度变宽，覆盖角度区域变大，波束扫描次数减少，提高了公共信号的传输效率；相比于直接应用上述全方向波束赋形，获得了一定的波束增益，提高了公共信号的传输可靠性，从而提升整体网络的性能。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
图1是根据本发明的一个实施例的两级波束赋形方法的流程图。
图2是根据本发明的一个实施例的均匀矩形天线阵列的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的全连接波束赋形结构的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的定向波束赋形方法的空间波束图。
图5是根据本发明的一个实施例的两级波束赋形方法的空间波束图(天线分组方案R＝12，C＝10)；
图6是根据本发明的一个实施例的两级波束赋形方法的空间波束图(天线分组方案R＝4，C＝4)。
图7是根据本发明的一个实施例的两级波束赋形方法的流程图。
图8是根据本发明的一个实施例的部分连接波束赋形结构的示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，在一个实施例中，提供了一种两级波束赋形方法，应用于基站，两级波束赋形方法具体包括以下步骤：
S100，对待发数据流进行空时块编码，得到编码后的数据流。
具体地，基站对所述数据流进行空时块编码，得到编码后的数据流为：
[s1(t)，s2(t)，...，sn(t)]T，
其中，sn(t)为空时块编码(n，t)处的元素，t为时间索引，(·)T为转置操作。
S200，构建均匀矩形天线阵列对应的两级波束赋形矩阵。
在一个实施例中，所述均匀矩形天线阵列由L×M根天线组成，L为均匀矩形天线阵列的行，M为均匀矩形天线阵列的列，所述均匀矩形天线阵列在空间角度
Figure BDA0003129988910000051
处的阵列响应矢量对应的计算公式为：
Figure BDA0003129988910000052
forl＝1，2，…，L；m＝1，2，…，M；
Figure BDA0003129988910000055
其中，
Figure BDA0003129988910000053
表示均匀矩形天线阵列的阵列响应矢量，阵列响应矢量是均匀矩形天线阵列中的天线对某一方向来波的响应能力。如图2所示，以均匀矩形天线阵列所在平面中的任一点为坐标原点，以均匀矩形天线阵列所在平面为xoy平面且以均匀矩形天线阵列所在平面的法向量为z轴建立空间直角坐标系，
Figure BDA0003129988910000054
表示在空间直角坐标系中待发信号的发射方向与z轴之间的夹角，θ表示在空间直角坐标系中待发信号的发射方向在xoy平面上的投影与x轴之间的夹角，λ表示待发信号的波长，dx表示均匀矩形天线阵列中相邻两根天线在x方向上的距离，dy表示均匀矩形天线阵列中相邻两根天线在y方向上的距离。
定义
Figure BDA0003129988910000061
和
Figure BDA0003129988910000062
如下：
Figure BDA0003129988910000063
Figure BDA0003129988910000064
关于空间角度
Figure BDA0003129988910000065
的阵列响应
Figure BDA0003129988910000066
根据公式2可以改写成如下形式：
Figure BDA0003129988910000067
假设全方向波束赋形矩阵集为
Figure BDA0003129988910000068
其中，
Figure BDA0003129988910000069
所述矩阵集
Figure BDA00031299889100000610
的自相关对应的计算公式为：
Figure BDA00031299889100000611
其中，
Figure BDA00031299889100000612
表示y方向的平移量，τ表示x方向的平移量，(·)*表示共轭。
所述矩阵集
Figure BDA00031299889100000613
满足公式(5)的条件：
Figure BDA00031299889100000614
其中，所述矩阵集
Figure BDA00031299889100000615
为(P，Q，N)-ACM，即自相关互补矩阵(AutocorrelationComplementary Matrices，ACM)，
Figure BDA00031299889100000616
和δ(τ)均为克罗内克函数，即
Figure BDA00031299889100000617
当N＝2时，(L，M，N)-ACM为一对格雷互补矩阵(Golay Complementary Matrices，GCM)。
假设定向波束赋形矩阵为
Figure BDA00031299889100000618
其中，
Figure BDA00031299889100000619
所述定向波束赋形矩阵为：
Figure BDA00031299889100000620
其中，
Figure BDA00031299889100000621
表示定向波束赋形矩阵
Figure BDA00031299889100000622
在(r，c)处的元素。
在一个实例中，对所述均匀矩形天线阵列做波束赋形的两级波束赋形矩阵集为
Figure BDA00031299889100000623
所述两级波束赋形矩阵为：
Figure BDA00031299889100000624
其中，
Figure BDA00031299889100000625
为定向波束赋形矩阵，
Figure BDA00031299889100000626
为全方向波束赋形矩阵，
Figure BDA00031299889100000627
Figure BDA0003129988910000071
L＝RP，M＝CQ，
Figure BDA0003129988910000072
表示克罗尼克积运算。
在一个实例中，当且仅当所述两级波束赋形矩阵满足
Figure BDA0003129988910000073
其中n＝1，…，N，L＝RP，M＝CQ，
Figure BDA0003129988910000074
表示克罗尼克积运算，相比于RC根功率为1的天线阵列直接做定向波束赋形，在空间角度
Figure BDA0003129988910000075
的UE端平均接收功率
Figure BDA0003129988910000076
会增大PQ倍。
证明如下：
令
Figure BDA0003129988910000077
和
Figure BDA0003129988910000078
并代入位于空间角度
Figure BDA0003129988910000079
的UE端平均接收功率
Figure BDA00031299889100000710
推导过程如下：
Figure BDA00031299889100000711
其中，
Figure BDA00031299889100000712
表示在空间角度
Figure BDA00031299889100000713
的UE端接收功率，将公式(3)代入公式(8)，可以推出公式(9)；根据克罗尼克积转置满足分配律性质
Figure BDA00031299889100000714
可由公式(9)推出公式(10)；根据混合积性质
Figure BDA00031299889100000715
可由公式(10)推出公式(11)；根据性质
Figure BDA00031299889100000716
可由公式(11)推出公式(12)；若
Figure BDA00031299889100000717
满足公式(6)，可由公式(14)推出公式(15)；若矩阵集
Figure BDA00031299889100000718
为(P，Q，N)-ACM，即满足公式5)，可由公式(15)推出公式(16)。
在一个实施例中，由于两级波束赋形矩阵中的非零元素具有恒模性质，因此，可采用如图3所示的全连接波束赋形结构实现全方向波束赋形方法。
在一个实施例中，对于一个由L×M根天线组成的均匀矩形天线阵列，所述均匀矩形天线阵列在空间角度
Figure BDA0003129988910000081
处的阵列响应矢量可由公式1得到。
将待发数据流进行空时块编码，空时块编码采用Almouti码，具体如下：
Figure BDA0003129988910000082
根据公式(7)得到一对波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000083
可采用如图3所示的全连接波束赋形结构。
具体地，全连接波束赋形结构包括第一射频链路、第二射频链路、第一均匀矩形移相器阵列、第二均匀矩形移相器阵列以及均匀矩形天线阵列，其中，第一均匀矩形移相器阵列、第二均匀矩形移相器阵列以及均匀矩形天线阵列的行L和列M均相同，第一射频链路分别与第一均匀矩形移相器阵列中的每个移相器连接，第一均匀矩形移相器阵列中的各个移相器和均匀矩形天线阵列中的各个天线一一对应连接，第二射频链路分别与第二均匀矩形移相器阵列中的每个移相器连接，第二均匀矩形移相器阵列中的各个移相器和均匀矩形天线阵列中的各个天线一一对应连接。第一均匀矩形移相器阵列和上述波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000084
的行L和列M均相同，第一均匀矩形移相器阵列中的各个移相器通过波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000085
中对应地元素进行相位调节。第二均匀矩形移相器阵列和上述波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000086
的行L和列M均相同，第二均匀矩形移相器阵列中的各个移相器通过波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000087
中对应地元素进行相位调节。
在一个实施例中，对于一个由L×M根天线组成的均匀矩形天线阵列，所述均匀矩形天线阵列在空间角度
Figure BDA0003129988910000088
处的阵列响应矢量可由公式1得到。
将待发数据流进行空时块编码，空时块编码采用4x4 STBC码，具体如下：
Figure BDA0003129988910000089
根据公式7得到
Figure BDA00031299889100000810
共四个波束赋形矩阵，可采用如图3所示的全连接波束赋形结构。
S300，通过所述两级波束赋形矩阵对所述编码后的数据流进行波束赋形，生成所述均匀矩形天线阵列的待发信号。
具体地，所述待发信号为：
Figure BDA0003129988910000091
其中，X(t)表示待发信号，
Figure BDA0003129988910000092
表示sn(t)的空域波束赋形，n＝1，...，N，N为正整数。
在一个实施例中，假设一个24×40均匀矩形阵列，即L＝24，M＝40，选取空间角度
Figure BDA0003129988910000093
作为用户终端所在位置，对本申请的两级波束赋形方法的波束图进行仿真。仿真结果如图4-图6所示，图4为定向波束赋形方案，图5(天线分组方案R＝12，C＝10)和图6(天线分组方案R＝4，C＝4)为两级波束赋形方案，可以看到相对于定向波束赋形方案，本申请的两级波束赋形方法可以通过调整天线分组方案，在减小波束增益的同时，增大波束的主瓣宽度，以满足不同的实际通信需求。因此，本申请的两级波束赋形方法可以在波束增益与波束主瓣宽度之间进行权衡。
本申请的两级波束赋形方法，通过对待发数据流进行空时块编码，得到编码后的数据流；构建均匀矩形天线阵列对应的两级波束赋形矩阵；通过所述两级波束赋形矩阵对所述编码后的数据流进行波束赋形，生成所述均匀矩形天线阵列的待发信号。如此设置，能够实现公共信号的高可靠高效率传输，相比于直接应用上述传统的定向波束赋形，由于波束的主瓣宽度变宽，覆盖角度区域变大，波束扫描次数减少，提高了公共信号的传输效率；相比于直接应用上述全方向波束赋形，获得了一定的波束增益，提高了公共信号的传输可靠性，从而提升整体网络的性能。
如图7所示，在一个实施例中，提供了一种两级波束赋形方法，应用于基站，两级波束赋形方法具体包括以下步骤：
S10，构建第一极化天线子阵列对应的第一波束赋形矩阵，通过所述第一波束赋形矩阵对待发数据流进行波束赋形，得到第一极化信号，通过所述第一极化天线子阵列发送所述第一极化信号。
S20，构建第二极化天线子阵列对应的第二波束赋形矩阵，通过所述第二波束赋形矩阵对所述待发数据流进行波束赋形，得到第二极化信号，通过所述第二极化天线子阵列发送所述第二极化信号。
在本实施例中，所述第一极化天线子阵列为左极化天线子阵列，所述第一波束赋形矩阵为左极化波束赋形矩阵，所述第二极化天线子阵列为右极化天线子阵列，所述第二波束赋形矩阵为右极化波束赋形矩阵。可以了解，在可选地实施例中，所述第一极化天线子阵列为水平极化天线子阵列，所述第一波束赋形矩阵为水平极化波束赋形矩阵，所述第二极化天线子阵列为垂直极化天线子阵列，所述第二波束赋形矩阵为垂直极化波束赋形矩阵。
具体地，通过一对格雷互补矩阵与定向波束赋形矩阵构建左极化天线子阵列对应的左极化波束赋形矩阵和右极化天线子阵列对应的右极化波束赋形矩阵。
在本实施例中，左极化天线子阵列和右极化天线子阵列共同形成均匀矩形天线阵列。
在一个实施例中，均匀矩形天线阵列由L×M根天线组成，L为均匀矩形天线阵列的行，M为均匀矩形天线阵列的列，所述均匀矩形天线阵列在空间角度
Figure BDA0003129988910000101
处的阵列响应矢量对应的计算公式为：
Figure BDA0003129988910000102
for l＝1，2，…，L；m＝1，2，…，M；
Figure BDA0003129988910000103
其中，
Figure BDA0003129988910000104
表示均匀矩形天线阵列的阵列响应矢量，阵列响应矢量是均匀矩形天线阵列中的天线对某一方向来波的响应能力。如图2所示，以均匀矩形天线阵列所在平面中的任一点为坐标原点，以均匀矩形天线阵列所在平面为xoy平面且以均匀矩形天线阵列所在平面的法向量为z轴建立空间直角坐标系，
Figure BDA0003129988910000105
表示在空间直角坐标系中待发信号的发射方向与z轴之间的夹角，θ表示在空间直角坐标系中待发信号的发射方向在xoy平面上的投影与x轴之间的夹角，λ表示待发信号的波长，dx表示均匀矩形天线阵列中相邻两根天线在x方向上的距离，dy表示均匀矩形天线阵列中相邻两根天线在y方向上的距离。
假设一对全方向波束赋形矩阵为
Figure BDA0003129988910000106
其中，
Figure BDA0003129988910000107
所述
Figure BDA0003129988910000108
的自相关对应的计算公式为：
Figure BDA0003129988910000109
Figure BDA00031299889100001015
Figure BDA00031299889100001016
Figure BDA00031299889100001017
其中，
Figure BDA00031299889100001012
表示y方向的平移量，τ表示x方向的平移量，(·)*表示共轭。
所述左极化全方向波束赋形矩阵
Figure BDA00031299889100001013
和右极化全方向波束赋形矩阵
Figure BDA00031299889100001014
满足公式(19)的条件：
Figure BDA0003129988910000111
其中，所述左极化全方向波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000112
和右极化全方向波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000113
为
Figure BDA0003129988910000114
即自相关互补矩阵(Autocorrelation Complementary Matrices，ACM)，同时也是一对格雷互补矩阵(Golay Complementary Matrices，GCM)，
Figure BDA0003129988910000115
和δ(τ)均为克罗内克函数，即
Figure BDA0003129988910000116
假设定向波束赋形矩阵为
Figure BDA0003129988910000117
其中，
Figure BDA0003129988910000118
所述定向波束赋形矩阵为：
Figure BDA0003129988910000119
其中，
Figure BDA00031299889100001110
表示定向波束赋形矩阵
Figure BDA00031299889100001111
在(r，c)处的元素。
在一个实施例中，当且仅当所述两级波束赋形矩阵满足：
Figure BDA00031299889100001112
其中n＝1，...，N，L＝RP，M＝CQ，
Figure BDA00031299889100001113
表示克罗尼克积运算，相比于RC根功率为1的天线阵列直接做定向波束赋形，在空间角度
Figure BDA00031299889100001114
的终端接收到的信号强度
Figure BDA00031299889100001115
的值会增大PQ倍。
证明如下：
令
Figure BDA00031299889100001116
和
Figure BDA00031299889100001117
在空间角度
Figure BDA00031299889100001118
的终端将经过正交双极化天线的接收信号进行合并，得到接收信号强度
Figure BDA00031299889100001119
如下公式(21)：
Figure BDA00031299889100001120
Figure BDA0003129988910000121
其中，
Figure BDA0003129988910000122
表示在空间角度
Figure BDA0003129988910000123
的UE端接收功率，上述
Figure BDA0003129988910000124
表示左极化天线子阵列的阵列响应矢量，
Figure BDA0003129988910000125
表示右极化天线子阵列的阵列响应矢量，
Figure BDA0003129988910000126
Figure BDA0003129988910000127
t为时间索引。
定义
Figure BDA0003129988910000128
和
Figure BDA0003129988910000129
如下：
Figure BDA00031299889100001210
Figure BDA00031299889100001211
Figure BDA00031299889100001212
上述阵列响应
Figure BDA0003129988910000131
根据公式(31)可以改写成如下形式：
Figure BDA0003129988910000132
Figure BDA0003129988910000133
其中，L＝RP，M＝CQ，
Figure BDA0003129988910000134
表示克罗尼克积运算。
将公式(32)代入公式(22)，可以推出公式(23)；根据克罗尼克积转置满足分配律性质
Figure BDA0003129988910000135
可由公式23推出公式(24)；根据混合积性质
Figure BDA0003129988910000136
Figure BDA0003129988910000137
可由公式(24)推出公式(25)；根据性质
Figure BDA0003129988910000138
可由公式(25)推出公式(26)；若
Figure BDA0003129988910000139
满足公式(20)，可由公式(28)推出公式(29)；若矩阵
Figure BDA00031299889100001310
为一对格雷互补矩阵(GCM)，即
Figure BDA00031299889100001311
即满足公式(19)，可由公式(29)推出公式(30)。
在一个实例中，对所述均匀矩形天线阵列做波束赋形的左极化两级波束赋形矩阵为
Figure BDA00031299889100001312
和右极化两级波束赋形矩阵为
Figure BDA00031299889100001313
为：
Figure BDA00031299889100001314
Figure BDA00031299889100001315
其中，
Figure BDA00031299889100001316
和
Figure BDA00031299889100001317
为一对格雷互补矩阵，
Figure BDA00031299889100001318
表示定向波束赋形矩阵，
Figure BDA00031299889100001319
Figure BDA00031299889100001320
表示克罗尼克积运算。
根据公式(33)得到
Figure BDA00031299889100001321
可采用如图8所示的部分连接波束赋形结构。
在一个实施例中，对于一个由L×M根天线组成的均匀矩形天线阵列，所述均匀矩形天线阵列在空间角度
Figure BDA00031299889100001322
处的阵列响应矢量可由公式(17)得到。
具体地，本申请通过所述左极化波束赋形矩阵对待发数据流进行波束赋形，生成所述左极化波束赋形矩阵对应的第一信号；通过所述右极化波束赋形矩阵对待发数据流进行波束赋形，生成所述右极化波束赋形矩阵对应的第二信号；左极化天线子阵列对所述第一信号进行左极化处理，得到待发左极化信号；右极化天线子阵列对所述第二信号进行右极化处理，得到待发右极化信号，其中，所述待发左极化信号和所述待发右极化信号为正交关系。当终端通过第一天线接收左极化天线子阵列发送的左极化信号和第二天线接收右极化天线子阵列发送的右极化信号时，终端对左极化信号和右极化信号进行合并处理。
具体地，部分连接波束赋形结构包括第一射频链路、第二射频链路、左极化均匀矩形移相器阵列、右极化均匀矩形移相器阵列以及均匀矩形天线阵列，其中，均匀矩形天线阵列包括左极化天线子阵列和右极化天线子阵列，左极化均匀矩形移相器阵列、右极化均匀矩形移相器阵列、左极化天线子阵列以及右极化天线子阵列的行L和列M/2均相同，第一射频链路分别与左极化均匀矩形移相器阵列中的每个移相器连接，左极化均匀矩形移相器阵列中的各个移相器和左极化天线子阵列中的各个天线一一对应连接，第二射频链路分别与右极化均匀矩形移相器阵列中的每个移相器连接，右极化均匀矩形移相器阵列中的各个移相器和右极化天线子阵列中的各个天线一一对应连接。左极化均匀矩形移相器阵列和上述左极化波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000141
的行L和列M/2均相同，左极化均匀矩形移相器阵列中的各个移相器通过波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000142
中对应地元素进行相位调节。右极化均匀矩形移相器阵列和上述右极化波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000143
的行L和列M/2均相同，右极化均匀矩形移相器阵列中的各个移相器通过右极化波束赋形矩阵
Figure BDA0003129988910000144
中对应地元素进行相位调节。
本申请的两级波束赋形方法，通过构建左极化天线子阵列对应的左极化波束赋形矩阵；构建右极化天线子阵列对应的右极化波束赋形矩阵；通过所述左极化波束赋形矩阵对待发数据流进行波束赋形，生成所述左极化波束赋形矩阵对应的第一信号；通过所述右极化波束赋形矩阵对待发数据流进行波束赋形，生成所述右极化波束赋形矩阵对应的第二信号；通过对所述第一信号进行左极化处理，得到待发左极化信号；对所述第二信号进行右极化处理，得到待发右极化信号；其中，所述待发左极化信号和所述待发右极化信号为正交关系。如此设置，能够实现公共信号的高可靠高效率传输，相比于直接应用上述传统的定向波束赋形，由于波束的主瓣宽度变宽，覆盖角度区域变大，波束扫描次数减少，提高了公共信号的传输效率；相比于直接应用上述全方向波束赋形，获得了一定的波束增益，提高了公共信号的传输可靠性，从而提升整体网络的性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种两级波束赋形方法，其特征在于，包括：
(一)对待发数据流进行空时块编码，得到编码后的数据流；
(二)通过全方向波束赋形矩阵和定向波束赋形矩阵构建与均匀矩形天线阵列对应的两级波束赋形矩阵；其中：
所述均匀矩形天线阵列由L×M根天线组成，L为所述均匀矩形天线阵列的行，M为所述均匀矩形天线阵列的列，所述均匀矩形天线阵列在空间角度
Figure FDA0003534520830000011
处的阵列响应矢量对应的计算公式为：
Figure FDA0003534520830000012
f or l＝1,2,…,L；m＝1,2,…,M；
Figure FDA0003534520830000013
其中，
Figure FDA0003534520830000014
表示均匀矩形天线阵列的阵列响应矢量，所述阵列响应矢量是所述均匀矩形天线阵列中的天线对某一方向来波的响应能力，以所述均匀矩形天线阵列所在平面中的任一点为坐标原点，以所述均匀矩形天线阵列所在平面为xoy平面且以所述均匀矩形天线阵列所在平面的法向量为z轴建立空间直角坐标系，
Figure FDA0003534520830000015
表示在空间直角坐标系中待发信号的发射方向与z轴之间的夹角，θ表示在空间直角坐标系中待发信号的发射方向在xoy平面上的投影与x轴之间的夹角，λ表示待发信号的波长，dx表示所述均匀矩形天线阵列中相邻两根天线在x方向上的距离，dy表示所述均匀矩形天线阵列中相邻两根天线在y方向上的距离；
假设全方向波束赋形矩阵集为
Figure FDA0003534520830000016
其中，
Figure FDA0003534520830000017
所述矩阵集
Figure FDA0003534520830000018
的自相关对应的计算公式为：
Figure FDA0003534520830000019
-Q+1≤τ≤Q-1
其中，
Figure FDA00035345208300000110
表示y方向的平移量，τ表示x方向的平移量，(·)*表示共轭；
Figure FDA00035345208300000111
表示复数域，P，Q分别表示全方向波束赋形矩阵
Figure FDA00035345208300000112
的行和列，N表示全方向波束赋形矩阵的个数；
所述矩阵集
Figure FDA00035345208300000113
满足以下的条件：
Figure FDA00035345208300000114
其中，所述矩阵集
Figure FDA0003534520830000021
为(P,Q,N)-ACM，即自相关互补矩阵，
Figure FDA0003534520830000022
和δ(τ)均为克罗内克函数，即
Figure FDA0003534520830000023
当N＝2时，(P,Q,N)-ACM为一对格雷互补矩阵；
假设定向波束赋形矩阵为
Figure FDA0003534520830000024
其中，
Figure FDA0003534520830000025
所述定向波束赋形矩阵为：
Figure FDA0003534520830000026
其中，
Figure FDA0003534520830000027
表示定向波束赋形矩阵
Figure FDA0003534520830000028
在(r,c)处的元素；R和C分别表示定向波束赋形矩阵
Figure FDA0003534520830000029
的行和列；
假设对所述均匀矩形天线阵列做波束赋形的两级波束赋形矩阵集为
Figure FDA00035345208300000210
所述两级波束赋形矩阵为：
Figure FDA00035345208300000211
其中，
Figure FDA00035345208300000212
为定向波束赋形矩阵，
Figure FDA00035345208300000213
为全方向波束赋形矩阵，
Figure FDA00035345208300000214
Figure FDA00035345208300000215
L＝RP，M＝CQ，
Figure FDA00035345208300000216
表示克罗尼克积运算；
通过所述两级波束赋形矩阵对所述编码后的数据流进行波束赋形，生成所述均匀矩形天线阵列的待发信号。
2.根据权利要求1所述的两级波束赋形方法，其特征在于，所述待发数据流为：
Figure FDA00035345208300000217
其中，X(t)表示待发信号，整数t为时间域的索引，
Figure FDA00035345208300000218
表示sn(t)的空域波束赋形权重，n＝1,…,N，N为正整数。
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