CN113938172A - 一种信号波束赋形对准无源传感器的方法 - Google Patents

一种信号波束赋形对准无源传感器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种信号波束赋形对准无源传感器的方法，该方法利用阵列天线实现波束赋形，并将波束对准无源传感器，增强无源传感器的入射信号和后向散射信号，可有效的避免发射端和接收端之间视距(LOS)通道以及环境多径的干扰，增强无源传感器的有效工作范围，具有可靠性和实用性。本发明实现的信号波束赋形对准无源传感器的方法，也可以应用在其他无源传感器环境感知中，所需经济成本低，突破了传统通信上使用昂贵设备才能实现的波束赋形对准无源传感器。

Description

一种信号波束赋形对准无源传感器的方法
技术领域
本发明属于无源WiFi感知领域，涉及一种信号波束赋形对准无源传感器的方法。
背景技术
随着WiFi技术的日益成熟，在使用WiFi信号实现基础通信功能的同时，研究者开始将WiFi技术应用于无源环境感知中。根据WiFi无源传感器在不同环境中反射的无线信号的不同特征，通常基于接收信号强度RSS信息或信道状态信息CSI的不同特征，实现环境感知。例如，利用信号强度随着无源传感器到天线距离越远而逐步衰减的特性进行测距、定位；利用信号CSI信息的不同特征进行人体检测、活动识别等。
在实际的使用场景中，上述应用的基本过程是发射端天线射频源(路由器等)发射射频信号至WiFi无源传感器，无源传感器反射信号到接收端天线。在该过程中，挑战在于，首先由于WiFi发射端和接收端之间的视距(LOS)通道要强得多，可以很容易地掩盖无源传感器反射的信号。其次，由于环境多径反射引起的频率选择性衰落，频谱特征往往会受到跨频带的随机信道增益变化的干扰，这些干扰会直接降低无源传感器的稳定性和感知距离。
波束赋形技术会对无线信号的能量产生聚焦，形成一个指向性波束，通常波束越窄，信号增益越大，无源传感器接收和反射出的无线信号也就越强。然而，关键挑战是：一旦波束的指向偏离无源传感器，无源传感器反而接收不到高质量的无线信号。因此，不仅要能实现方向性的波束赋形，将波束对准无源传感器也是一个重要的挑战。
发明内容
为了提高WiFi无源传感器接收到的信号质量，提高无线无源传感器的工作范围，本发明的目的在于，提供一种信号波束赋形对准无源传感器的方法，该方法利用发射端和接收端来估计无源传感器的空间角度，得到无源传感器相对于发射端Tx的信号发射角AoD和接收端Rx的信号到达角AoA。根据获取的角度信息，将发射端和接收端信号波束与无源传感器对准，它可以抑制环境多径干扰和视距(LOS)干扰信号，提高无源传感器后向散射信号的信噪比。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案予以实现：
一种信号波束赋形对准无源传感器的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，发射端信号的波束赋形
首先计算发射端阵列天线间信号的固有相位差，实现阵列天线信号的同步；其次在0度-180度范围内，计算要实现不同角度波束赋形时，由阵列天线间间距引起的信号理论相位差，得到要实现不同角度波束赋形时，发射端天线阵列的相位补偿权重矩阵；
步骤二，计算相位权重矩阵
根据步骤一中求出的发射端天线阵列的相位补偿权重矩阵，对发射端阵列信号进行预编码，实现发射端信号波束赋形；
步骤三，发射端信号波束扫描
发射端以均匀的速度控制其波束，在0度-180度范围内进行波束扫描，在接收端测量每个角度下接收到的数据包的功率，并最终在0度-180度范围内合成与发射波束方向相对应的功率空间分布谱；
步骤四，发射端信号波束对准无源传感器
利用步骤三得到的功率空间分布谱，通过搜索功率空间谱的峰值，估计出无源传感器相对于发射端的信号发射角度AoD，将发射端波束对准无源传感器；
步骤五，估计接收端信号到达角AoA
使用MUSIC算法估计信号到达角AoA，通过搜索MUSIC算法得到的AoA谱中的峰值得到AoA的角度值；
步骤六，接收端信号波束赋形
在获得信号到达角AoA后，与步骤一、二类似，在接收端进行波束赋形，增强该到达角方向的信号，将接收端信号波束对准无源传感器。
根据本发明，步骤一所述发射端信号的波束赋形的具体步骤如下：
步骤1.1，计算发射端阵列天线不同天线发射信号间的固有相位差
首先将接收端阵列天线放置在发射端阵列天线的90度方向，收集到接收端位于发射端90度方向时的CSI信息；在该方向上，阵列天线间距不会引起相位差，计算单根接收天线接收到的阵列发射天线发射信号间的相位差，该相位差为发射端阵列天线间固有的相位差，计算公式如下：
Q1(i)＝θi-θ1 1<i≤N
式中：Q1(i)表示第i个发射天线相对于第一个发射天线信号的相位差，θi表示第i个发射天线信号的相位。
其次，已知阵列天线之间间距为d，计算发射端实现不同角度波束赋形时，天线间发射信号的理论相位差为：
Figure BDA0003270781410000041
其中：
λ＝c/f0
式中：
Figure BDA0003270781410000042
表示第i个发射天线与第一个发射天线发射信号之间的理论相位差；α表示发射端信号波束的角度；λ表示信号波长；f0表示WiFi的中心频率；c表示光速；
步骤1.2，计算发射端阵列天线发射信号的相位权重矩阵
根据步骤1.1中所得的发射端阵列天线信号间的固有相位差，以及实现不同角度波束赋形时，发射端阵列天线信号间的理论相位差，计算发射端阵列天线信号需要补偿的相位权重矩阵；计算公式如下：
Figure BDA0003270781410000043
Figure BDA0003270781410000044
式中：ψi,α为当发射波束角度为α时，第i个天线要补偿的相位差；Wi,α为实现发射角度α波束赋形时，发射端阵列天线信号补偿的相位权重矩阵。
进一步地，步骤二所述计算相位权重矩阵的具体步骤如下：
根据所得的相位权重矩阵Wi,α，对发射端阵列信号进行加权预编码，计算公式为：
Figure BDA0003270781410000045
Si,α为进行加权预编码后的发射端的阵列发射信号。
优选地，所述步骤六的具体步骤如下：
步骤6.1，计算接收端阵列天线不同天线接收信号间的固有相位差
与步骤1.1类似，首先将接收端阵列天线放置在发射端阵列天线的90度方向，收集到接收端位于发射端90度方向时的CSI信息，在该方向上，阵列天线间距不会引起相位差，计算单根发射天线发射信号时，接收端阵列接收天线接收到的信号间的相位差，该相位差为接收端阵列天线间固有的相位差，计算公式如下：
Q2(j)＝θj-θ1 1<j≤N
式中：Q2(j)表示第j个接收天线相对于第一个接收天线信号的相位差，θj表示第j个接收天线信号的相位。
同时，已知阵列天线之间间距为d，计算接收端实现不同角度波束赋形时，天线间接收信号的理论相位差为：
Figure BDA0003270781410000051
其中：
λ＝c/f0
式中：
Figure BDA0003270781410000052
表示第j个接收天线与第一个接收天线接收信号之间的理论相位差；β表示接收端信号波束的角度；λ表示信号波长；f0表示WiFi的中心频率；c表示光速；
步骤6.2，计算接收端阵列天线接收信号的相位权重矩阵
根据步骤6.1中所得的接收端阵列天线信号间的固有相位差，以及实现不同接收角度波束赋形时，接收端阵列天线信号间的理论相位差，计算接收端阵列天线信号需要补偿的相位权重矩阵；计算公式如下：
Figure BDA0003270781410000053
Figure BDA0003270781410000054
式中：ψj,β为当接收波束角度为β时，第j个接收天线要补偿的相位差；Vj,β为实现接收角度β波束赋形时，接收端阵列天线信号补偿的相位权重矩阵。
步骤6.3，根据所得的相位权重矩阵Vj,β，对接收端阵列天线接收信号进行加权编码，计算公式为：
Figure BDA0003270781410000061
Sj,β为进行加权编码后的接收端的阵列接收信号。
本发明的信号波束赋形对准无源传感器的方法，经实验结果证明是十分有效的，带来的技术创新在于：
(1)可以应用在无源WiFi传感器的环境感知中，该方法在信号发射端和接收端实现波束赋形，通过对无源传感器位置的角度估计，将信号波束与无源传感器对准，增强无源传感器的入射信号和后向散射信号，可有效的避免发射端与接收端之间的视距(LOS)通道干扰以及环境多径的干扰，增强无源传感器的有效工作范围，具有可靠性和实用性。
(2)所花费的经济成本低，不是传统通信上使用昂贵设备实现的波束对准。
(3)该方法不仅适用于无源传感器中，同时可应用于其他不同类型的无源传感器中，具有一定的普适性。
附图说明
图1为本发明的信号波束赋形对准无源传感器的方法实验部署图；
图2(a)为发射端发送多个数据包时发射端天线的相位图；
图2(b)为发射端发送多个数据包时发射端天线之间的相位差；
图3为发射端发送多个子载波时天线之间相位差；
图4(a)为发射端60度方向波束赋形功率空间分布谱；
图4(b)为发射端90度方向波束赋形功率空间分布谱；
图4(c)为发射端120度方向波束赋形功率空间分布谱；
图5(a)为接收端接收多个数据包时接收端天线的相位图；
图5(b)为接收端端接收多个数据包时接收端天线之间的相位差；
图6为接收端接收多个子载波时天线之间的相位差；
图7为无源传感器位置角度估计实验的实验布置图；
图8(a)为无源传感器位于60度方向Music算法估计的信号到达角AoA谱；
图8(b)为无源传感器位于90度方向Music算法估计的信号到达角AoA谱；
图8(c)为无源传感器位于120度方向Music算法估计的信号到达角AoA谱；
图9为估计无源传感器角度位置时发射端和接收端的相对位置示意图；
图10为估计信号AoD和AoA角度的估计误差CDF图；
图11(a)为接收端60度方向波束赋形功率空间分布谱；
图11(b)为接收端90度方向波束赋形功率空间分布谱；
图11(c)为接收端120度方向波束赋形功率空间分布谱。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细地解释和说明。
具体实施方式
本实施例给出一种信号波束赋形对准无源传感器的方法，具体包括以下步骤：
步骤一，场景设置
在实验区域中，使用WARP软件无线电作为无线发射端和接收端，工作频率为2.4兆赫，频谱为80兆赫兹，发射端和接收端分别是由8个和4个全向天线组成的阵列天线，天线间距为半波长。无源WiFi传感器由三个组件组成，即：无芯片无源传感器、无线发射器和接收器。
步骤二，发射端信号的波束赋形
首先计算发射端阵列天线间信号的固有相位差，实现阵列天线信号的同步；其次在0度-180度范围内，计算要实现不同角度波束赋形时，由阵列天线间间距引起的信号理论相位差，得到要实现不同角度波束赋形时，发射端天线阵列的相位补偿权重矩阵。
步骤2.1，计算发射端阵列天线不同天线发射信号间的固有相位差
首先将接收端阵列天线放置在发射端阵列天线的90度方向，收集到接收端位于发射端90度方向时的CSI信息。在该方向上，阵列天线间距不会引起相位差，计算单根接收天线接收到的阵列发射天线发射信号间的相位差，该相位差为发射端阵列天线间固有的相位差，计算公式如下：
Q1(i)＝θi-θ1 1<i≤N
式中：Q1(i)表示第i个发射天线相对于第一个发射天线信号的相位差，θi表示第i个发射天线信号的相位。
同时，已知阵列天线之间间距为d，计算发射端实现不同角度波束赋形时，天线间发射信号的理论相位差为：
Figure BDA0003270781410000081
其中：
λ＝c/f0
式中：
Figure BDA0003270781410000082
表示第i个发射天线与第一个发射天线发射信号之间的理论相位差；α表示发射端信号波束的角度；λ表示信号波长；f0表示WiFi的中心频率；c表示光速；。
步骤2.2，计算发射端阵列天线发射信号的相位权重矩阵，根据步骤2.1中所得的发射端阵列天线信号间的固有相位差，以及实现不同角度波束赋形时，发射端阵列天线信号间的理论相位差，计算发射端阵列天线信号需要补偿的相位权重矩阵。计算公式如下：
Figure BDA0003270781410000091
Figure BDA0003270781410000092
式中：ψi,α为当发射波束角度为α时，第i个天线要补偿的相位差；Wi,α为实现发射角度α波束赋形时，发射端阵列天线信号补偿的相位权重矩阵。
步骤三，发射端阵列天线发射信号相位加权
根据步骤二中求出的发射端天线阵列的相位补偿权重矩阵Wi,α，对发射端阵列信号进行加权预编码，实现发射端信号波束赋形；
计算公式为：
Figure BDA0003270781410000093
Si,α为进行加权预编码后的发射端的阵列发射信号。
步骤四，发射端信号波束扫描
发射端以均匀的速度控制其波束，在0度-180度范围内进行波束扫描，在接收端测量每个角度下接收到的数据包的功率，并最终在0度-180度范围内合成与发射波束方向相对应的空间功率分布谱；
步骤五，发射端信号波束对准无源传感器，利用步骤三得到的发射端空间功率分布谱，通过搜索空间功率谱的峰值，估计出无源传感器相对于发射端的信号发射角度AoD，将发射端波束对准无源传感器；
步骤六，估计接收端信号到达角AoA
使用MUSIC算法估计信号到达角AoA，通过搜索MUSIC算法得到的AoA谱中的峰值得到AoA的角度值；
步骤七，接收端信号波束赋形
在获得信号到达角AoA后，与步骤一类似，在接收端进行波束赋形，增强该到达角方向的信号，将接收端信号波束对齐无源传感器。
步骤7.1，计算接收端阵列天线不同天线接收信号间的固有相位差
与步骤2.1类似，首先将接收端阵列天线放置在发射端阵列天线的90度方向，收集到接收端位于发射端90度方向时的CSI信息。在该方向上，阵列天线间距不会引起相位差，计算单根发射天线发射信号时，接收端阵列接收天线接收到的信号间的相位差，该相位差为接收端阵列天线间固有的相位差，计算公式如下：：
Q2(j)＝θj-θ1 1<j≤N
式中：Q2(j)表示第j个接收天线相对于第一个接收天线信号的相位差，θj表示第j个接收天线信号的相位。
同时，已知阵列天线之间间距为d，计算接收端实现不同角度波束赋形时，天线间接收信号的理论相位差为：
Figure BDA0003270781410000101
其中：
λ＝c/f0
式中：
Figure BDA0003270781410000102
表示第j个接收天线与第一个接收天线接收信号之间的理论相位差；β表示接收端信号波束的角度；λ表示信号波长；f0表示WiFi的中心频率；c表示光速；
步骤7.2，计算接收端阵列天线接收信号的相位权重矩阵
根据步骤7.1中所得的接收端阵列天线信号间的固有相位差，以及实现不同接收角度波束赋形时，接收端阵列天线信号间的理论相位差，计算接收端阵列天线信号需要补偿的相位权重矩阵。计算公式如下：
Figure BDA0003270781410000111
Figure BDA0003270781410000112
式中：ψj,β为当接收波束角度为β时，第j个接收天线要补偿的相位差；Vj,β为实现接收角度β波束赋形时，接收端阵列天线信号补偿的相位权重矩阵。
步骤7.3，接收端阵列天线接收信号相位加权，根据步骤7.2中所得的相位权重矩阵Vj,β，对接收端信号进行加权编码，计算公式为：
Figure BDA0003270781410000113
Sj,β为进行预编码后的接收端的阵列接收信号。
以下是发明人给出的实施例。
实施例：
实验的测试在西北大学信息科学与技术学院的通信实验室中完成。
本实施例的一种信号波束赋形对准无源WiFi传感器的方法(以下简称本方法)，具体按照以下步骤进行：
步骤一，场景设置
图1表示实验设备的布置示意图。
在实验区域中，使用WARP软件无线电作为无线发射端和接收端，工作频率为2.4兆赫，频谱为80兆赫兹，发射端和接收端分别是由8个和4个全向天线组成的阵列天线，天线间距为半波长。无源WiFi传感器由三个组件组成:无芯片无源传感器、无线发射器和接收器。无源传感器与天线距离设置为2m。
步骤二，发射端信号的波束赋形
首先计算发射端阵列天线间信号的固有相位差，实现阵列天线信号的同步；其次在0度-180度范围内，计算要实现不同角度波束赋形时，由阵列天线间间距引起的信号理论相位差，得到要实现不同角度波束赋形时，发射端天线阵列的相位补偿权重矩阵。
步骤2.1，首先将接收端阵列天线放置在发射端阵列天线的90度方向，收集到接收端位于发射端90度方向时的CSI信息。在该方向上，阵列天线间距不会引起相位差，计算单根接收天线接收到的阵列发射天线发射信号间的相位差，该相位差为发射端阵列天线间固有的相位差，计算公式如下：
Q1(i)＝θi-θ1 1<i≤N
式中：Q1(i)表示第i个发射天线相对于第一个发射天线信号的相位差，θi表示第i个发射天线信号的相位。
图2(a)表示发射端发送不同数据包时发射端天线的相位值，图2(b)表示下发射端发送不同数据包时发射端天线相于第一根天线的固有相位差。
图3表示发射端发射多个子载波时发射端天线相对于第一根天线的固有相位差。
从图2和图3中可以看出，在发射端发射多个数据包和多个子载波时，发射端各个天线相对于第一根天线的固有相位差是相对稳定的，这是发射端补偿相位差实现波束赋形的前提。
同时，已知阵列天线之间间距为d，计算发射端实现不同角度波束赋形时，天线间发射信号的理论相位差为：
Figure BDA0003270781410000131
其中：
λ＝c/f0
式中：
Figure BDA0003270781410000132
表示第i个发射天线与第一个发射天线发射信号之间的理论相位差；α表示发射端信号波束的角度；λ表示信号波长；f0表示WiFi的中心频率；c表示光速；。
步骤2.2，根据步骤1.1中所得的发射端阵列天线信号间的固有相位差，以及实现不同角度波束赋形时，发射端阵列天线信号间的理论相位差，计算发射端阵列天线信号需要补偿的相位权重矩阵。计算公式如下：
Figure BDA0003270781410000133
Figure BDA0003270781410000134
式中：ψi,α为当发射波束角度为α时，第i个天线要补偿的相位差；Wi,α为实现发射角度α波束赋形时，发射端阵列天线信号补偿的相位权重矩阵。
步骤三，发射端阵列天线发射信号相位加权
根据步骤二中求出的发射端天线阵列的相位补偿权重矩阵Wi,α，对发射端阵列信号进行加权预编码，实现发射端信号波束赋形；
计算公式为：
Figure BDA0003270781410000135
Si,α为进行预编码后的发射端的阵列发射信号。
步骤四，发射端信号波束扫描
发射端以均匀的速度控制其波束，在0度-180度范围内进行波束扫描，在接收端测量每个角度下接收到的数据包的功率，并最终在0度-180度范围内合成与发射波束方向相对应的空间功率分布谱；
步骤五，发射端信号波束对准无源传感器
利用步骤三得到的发射端空间功率分布谱，通过搜索空间功率谱的峰值，估计出无源传感器相对于发射端的信号发射角度AoD，将发射端波束对准无源传感器；
图4分别表示无源WiFi传感器位于发射端不同角度时，经过波束扫描得到的发射端空间功率分布谱，图中表明当无源传感器分别位于发射端60度、90度、120度时，发射端波束扫描可以精确估计出无源传感器相对于发射端的位置，即发射信号的发射角度，进而将发射波束对准无源传感器；
步骤六，估计接收端信号到达角AoA，使用MUSIC算法估计信号到达角AoA，通过搜索MUSIC算法得到的AoA谱中的峰值得到AoA的角度值；
如图8所示，表明当无源传感器分别位于接收端60度、90度、120度时，根据Music算法可以得出接收端信号的AoA谱，通过搜索图中的峰值得到信号的到达角AoA；
步骤七，接收端信号波束赋形
在获得信号到达角AoA后，与步骤一类似，在接收端进行波束赋形，增强该到达角方向的信号，将接收端信号波束对齐无源传感器。
步骤7.1，与步骤2.1类似，首先将接收端阵列天线放置在发射端阵列天线的90度方向，收集到接收端位于发射端90度方向时的CSI信息。在该方向上，阵列天线间距不会引起相位差，计算阵列接收天线接收到的单根发射天线发射信号间的相位差，该相位差为接收端阵列天线间固有的相位差，计算公式如下：
Q2(j)＝θj-θ1 1<j≤N
式中：Q2(j)表示第j个接收天线相对于第一个接收天线信号的相位差，θj表示第j个接收天线信号的相位。
图5(a)表示接收端接收不同数据包时接收端天线的相位值，图5(b)表示接收端接收不同数据包时接收端天线相于第一根天线的固有相位差。
图6表示接收端接收多个子载波时接收端天线相对于第一根天线的固有相位差。
从图5(b)和图6中可以看出，在接收端接收多个数据包和多个子载波时，接收端各个天线相对于第一根天线的固有相位差是相对稳定的，这是接收端补偿相位差实现波束赋形的前提。
同时，已知阵列天线之间间距为d，计算接收端实现不同角度波束赋形时，天线间接收信号的理论相位差为：
Figure BDA0003270781410000151
其中：
λ＝c/f0
式中：
Figure BDA0003270781410000152
表示第j个接收天线与第一个接收天线接收信号之间的理论相位差；β表示接收端信号波束的角度；λ表示信号波长；f0表示WiFi的中心频率；c表示光速；
步骤7.2，计算接收端阵列天线接收信号的相位权重矩阵，根据步骤7.1中所得的接收端阵列天线信号间的固有相位差，以及实现不同接收角度波束赋形时，接收端阵列天线信号间的理论相位差，计算接收端阵列天线信号需要补偿的相位权重矩阵。计算公式如下：
Figure BDA0003270781410000153
Figure BDA0003270781410000154
式中：ψj,β为当接收波束角度为β时，第j个接收天线要补偿的相位差；Vj,β为实现接收角度β波束赋形时，接收端阵列天线信号补偿的相位权重矩阵。
步骤7.3，接收端阵列天线接收信号相位加权，根据步骤7.2中所得的相位权重矩阵Vj,β，对接收端信号进行加权编码，计算公式为：
Figure BDA0003270781410000161
Sj,β为进行加权预编码后的接收端的阵列接收信号。
图11表示，根据估计出的信号到达角AoA，在接收端进行波束赋形，增强该角度下的接收信号，图11为不同角度的接收端接收信号的功率空间分布谱，该图表明经过接收端波束赋形，AoA方向上的接收信号得到了明显增强。
实验例：信号波束对准无源传感器效果验证
实验I：发射端波束赋形
本实验的目标在于，验证采用本方法对发射端波束赋形的有效性；首先，在实验室中布置实验设备，将无源传感器分别放置在相对发射端不同角度的三个位置上，分别为60度、90度和120度，然后使用本方法进行发射端波束赋形，以产生固定方向的发射波束，对准无源传感器。
实验I的测试效果：
实验结果如图4所示，当无源传感器分别放置在相对于发射端60度、90度和120度位置上时，发射端波束赋形产生的发射端空间功率分布谱为图4(a)、(b)和(c)，从图中可以看出，采用本方法产生的发射端波束的主瓣方向分别精确地指向了60度、90度和120度方向，因此，本方法在发射端信号波束赋形方面具有有效性。
实验II：无源传感器位置角度估计
本实验的目标在于验证本方法定位无源传感器的精确性，以及计算估计无源传感器所处位置的角度估计误差；首先，在实验室中布置实验设备，将无源传感器放置在相对于发射端和接收端的不同角度位置上，如图7所示，图中Tx和Rx分表代表阵列天线发射端和接收端的位置，二者相距3m，深色圆圈代表无源传感器的放置位置。使用本方法估计无源传感器所处的位置角度AoD和AoA，计算本方法估计无源传感器所处位置的角度估计误差。
实验II的测试效果：
实验结果如图10所示，该图为由本方法估计出的信号发射角AoD以及信号到达角AoA的估计误差的CDF图。从图中可以看出，AoD角度估计的中值误差为5度，AoA角度估计的中值误差为4.5度。这个实验可以证明，本方法对于无源传感器相对于发射端和接收端的位置角度的估计比较精准，进而可以精准的实现发射端与接收端信号波束赋形对准无源传感器。
实验III：接收端波束赋形
本实验的目标在于验证本方法接收端波束赋形的有效性，验证本方法的有效性。首先，在实验室中布置实验设备，将无源传感器分别放置在相对接收端不同角度的三个位置上，分别为60度、90度和120度。对无源传感器相对接收端所处的位置进行角度估计，然后根据估计的AoA角度，使用本发明中的接收端波束赋形方法进行接收端波束赋形，以产生AoA角度方向的固定接收波束，对准无源传感器。
实验III的测试效果:
当无源传感器分别放置在相对于接收端不同角度位置上时，如图8所示，为本方法实现Music算法估计出的AoA角度谱，根据估计的AoA谱的峰值角度，实现接收端的波束赋形，产生的接收端空间功率分布谱为图11(a)、(b)和(c)所示，从图中可以看出，本方法产生的接收端波束的主瓣方向与上边估计出的AoA角度方向相一致，分别精确地指向了60度、90度和120度方向，因此，本方法在接收端信号波束赋形方面具有有效性，可以精确地对准无源传感器。

Claims (4)

1.一种信号波束赋形对准无源传感器的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，发射端信号的波束赋形
首先计算发射端阵列天线间信号的固有相位差，实现阵列天线信号的同步；其次在0度-180度范围内，计算要实现不同角度波束赋形时，由阵列天线间间距引起的信号理论相位差，得到要实现不同角度波束赋形时，发射端天线阵列的相位补偿权重矩阵；
步骤二，计算相位权重矩阵
根据步骤一中求出的发射端天线阵列的相位补偿权重矩阵，对发射端阵列信号进行预编码，实现发射端信号波束赋形；
步骤三，发射端信号波束扫描
发射端以均匀的速度控制其波束，在0度-180度范围内进行波束扫描，在接收端测量每个角度下接收到的数据包的功率，并最终在0度-180度范围内合成与发射波束方向相对应的功率空间分布谱；
步骤四，发射端信号波束对准无源传感器
利用步骤三得到的功率空间分布谱，通过搜索功率空间谱的峰值，估计出无源传感器相对于发射端的信号发射角度AoD，将发射端波束对准无源传感器；
步骤五，估计接收端信号到达角AoA
使用MUSIC算法估计信号到达角AoA，通过搜索MUSIC算法得到的AoA谱中的峰值得到AoA的角度值；
步骤六，接收端信号波束赋形
在获得信号到达角AoA后，与步骤一、二类似，在接收端进行波束赋形，增强该到达角方向的信号，将接收端信号波束对准无源传感器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一所述发射端信号的波束赋形的具体步骤如下：
步骤1.1，计算发射端阵列天线不同天线发射信号间的固有相位差
首先将接收端阵列天线放置在发射端阵列天线的90度方向，收集到接收端位于发射端90度方向时的CSI信息；在该方向上，阵列天线间距不会引起相位差，计算单根接收天线接收到的阵列发射天线发射信号间的相位差，该相位差为发射端阵列天线间固有的相位差，计算公式如下：
Q1(i)＝θi-θ1 1<i≤N
式中：Q1(i)表示第i个发射天线相对于第一个发射天线信号的相位差，θi表示第i个发射天线信号的相位。
其次，已知阵列天线之间间距为d，计算发射端实现不同角度波束赋形时，天线间发射信号的理论相位差为：
Figure FDA0003270781400000021
其中：
λ＝c/f0
式中：
Figure FDA0003270781400000022
表示第i个发射天线与第一个发射天线发射信号之间的理论相位差；α表示发射端信号波束的角度；λ表示信号波长；f0表示WiFi的中心频率；c表示光速；
步骤1.2，计算发射端阵列天线发射信号的相位权重矩阵
根据步骤1.1中所得的发射端阵列天线信号间的固有相位差，以及实现不同角度波束赋形时，发射端阵列天线信号间的理论相位差，计算发射端阵列天线信号需要补偿的相位权重矩阵；计算公式如下：
Figure FDA0003270781400000031
Figure FDA0003270781400000032
式中：ψi,α为当发射波束角度为α时，第i个天线要补偿的相位差；Wi,α为实现发射角度α波束赋形时，发射端阵列天线信号补偿的相位权重矩阵。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二所述计算相位权重矩阵的具体步骤如下：
根据所得的相位权重矩阵Wi,α，对发射端阵列信号进行加权预编码，计算公式为：
Figure FDA0003270781400000033
Si,α为进行加权预编码后的发射端的阵列发射信号。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤六的具体步骤如下：
步骤6.1，计算接收端阵列天线不同天线接收信号间的固有相位差
与步骤1.1类似，首先将接收端阵列天线放置在发射端阵列天线的90度方向，收集到接收端位于发射端90度方向时的CSI信息，在该方向上，阵列天线间距不会引起相位差，计算单根发射天线发射信号时，接收端阵列接收天线接收到的信号间的相位差，该相位差为接收端阵列天线间固有的相位差，计算公式如下：
Q2(j)＝θj-θ1 1<j≤N
式中：Q2(j)表示第j个接收天线相对于第一个接收天线信号的相位差，θj表示第j个接收天线信号的相位。
同时，已知阵列天线之间间距为d，计算接收端实现不同角度波束赋形时，天线间接收信号的理论相位差为：
Figure FDA0003270781400000041
其中：
λ＝c/f0
式中：
Figure FDA0003270781400000042
表示第j个接收天线与第一个接收天线接收信号之间的理论相位差；β表示接收端信号波束的角度；λ表示信号波长；f0表示WiFi的中心频率；c表示光速；
步骤6.2，计算接收端阵列天线接收信号的相位权重矩阵
根据步骤6.1中所得的接收端阵列天线信号间的固有相位差，以及实现不同接收角度波束赋形时，接收端阵列天线信号间的理论相位差，计算接收端阵列天线信号需要补偿的相位权重矩阵；计算公式如下：
Figure FDA0003270781400000043
Figure FDA0003270781400000044
式中：ψj,β为当接收波束角度为β时，第j个接收天线要补偿的相位差；Vj,β为实现接收角度β波束赋形时，接收端阵列天线信号补偿的相位权重矩阵。
步骤6.3，根据所得的相位权重矩阵Vj,β，对接收端阵列天线接收信号进行加权编码，计算公式为：
Figure FDA0003270781400000045
Sj,β为进行加权编码后的接收端的阵列接收信号。
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