CN114301509A - 基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法，利用抛物方程法计算传播空间的多径效应，抛物方程法能够精确地描述复杂的大气结构与地表电磁特性，具有良好的计算精度和稳定性；进而使用虚拟相位共轭信号自适应聚焦性能，利用多径效应，在传播空间的深度衰落区域架设虚拟源，使用抛物方程法反向计算，定位分集天线的位置，最终实现天线分集，得到分集增益；在应用于天线分集领域时，本发明能准确定位分集天线位置，得到较高的分集增益，且相比于基于双线法平地面模型设计的双分集系统具有更多的可选择分集位置，具有更高的空间自由度，可适用于隧道、不规则地形、多路径室内环境等复杂环境。

Description

基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法

技术领域

本发明涉及天线分集技术领域，具体涉及一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法。

背景技术

目前的通信系统通过使用多输入多输出(MIMO)技术，实现了高数据率和高信道容量。在MIMO系统中，在发射机和接收机上使用多个天线来增加分集，以抵抗由多路径传播引起的信道衰落。目前的研究大多集中在设计分集方案上，如最大比率传输和组合(MRTC)、选择性MRTC和时空块编码传输分集(STBC-TC)，以提高在衰落环境中的传输性能。然而，深度衰落区域的存在可能会导致“信号消除”现象，这使得上述许多算法无效。

空间分集是一种有效缓解深度衰落的技术，最常用的方式是安装分集天线在距离主天线一定的垂直距离，以在发射机和接收机之间创建不相关的信道，以避免这两个信号同时落入深度衰落区。通常采用双向(TW)平地模型来估计天线的去相关距离。然而，它过于简化，只适用场景有限，且通常会导致较宽的分离距离。已有的一些方法分别采用实验和模拟的方法，将天线放置在隧道环境中无线电波覆盖的不同位置，以优化天线间距。它们是可用的，但需要花费时间来进行大量的测量。

因此，本发明提出了一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法，引入了虚拟相位共轭技术，巧妙地利用多径效应，实现分集天线的定位。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法，不同于其他分集方法抑制多径效应的方式，本发明方法利用虚拟相位共轭信号自适应聚焦性能，从传播空间的多径效应出发，在深度衰落区域架设虚拟源，使用抛物方程法反向计算，定位分集天线的位置；在应用于天线分集领域时，本发明与传统的分集系统相比，设计的分集系统的天线分离度较小，能有效缓解深度衰落。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法，包括以下步骤：

S1，构建主天线所处环境，设定辐射源参数；

S2，辐射源发射信号，利用抛物方程法计算该环境下的电磁信号空间分布态势，计算公式如下，

式中，U(x₀，z)为初始场，Δx为水平网格步长，F和F^-1分别代表傅里叶正变换和逆变换，

n为等效折射率；k₀为真空中的传播常数；P＝k₀sina为傅里叶变换的频域变量，a为掠射；若已知初始场和边界条件，即可通过上式迭代求解传播空间任意点的场；

S3，利用放置在传播空间的相位共轭镜阵列将带环境信息的信号u(x，z)记录下来，

式中，H为环境所带来的系统传输函数，E_n(r_n)为第n个共轭镜收到的场值大小，r_n为第n个共轭镜接收的场矢量，

k为传播常数；

频域下的电信号发送到环境中，到达PCM第N个接收阵元时，接收信号S_R(r_Rn)为，

S_R(r_Rn)＝S_T(r_S)·H(r_s，r_Rn)

式中，H(r_s，r_Rn)为接收阵元对环境的信道冲击响应，S_r(r_S)为主源发射信号；

如果接收信号强度低于阈值，则判定其处于深度衰落区域；

S4，去在多个深度衰落位置人为放置虚拟源，以构建与主天线辐射场不相关的电磁信号空间分布态势；假设在主源位置之外放入虚拟源S_T′(r_s′)，则它产生的信道冲击响应S′_T(r′_s)·H(r′_s，r_Rn)将区别于主源；

S5，设置虚拟源的发射信号并将其进行相位共轭，反向发射回原传播空间；利用相位共轭处理的信号S_Rn ^TR(r_n)为

S_Rn ^TR(r_n)＝S_T′′^*(r_s′)·H^*(r_s′，r_Rn)

其中，上标“*”为取复共轭；

S6，利用抛物方程法计算多个相位共轭虚拟源的在传播空间中的电磁分布态势并进行合成；

S7，相位共轭信号将自适应地聚焦至空间特定的位置，该特定位置既为分集天线位置；具体原理如下：

设目标源发射信号u(t)，则PCM接收阵列(阵列元序号为m＝1，2，…M)中第m号阵元所接收到的信号u_m(t)为，

u_m(t)＝u(t)^*h_sm(t)

式中，“*”表示卷积目标源和第m号PCM阵元之间的信道冲击响应为h_sm(t)；PCM采集的信号经过时间反演处理之后为N_m(-t)，其频谱可通过傅里叶变换得到

上标“*”表示取复共轭；

在传播空间设置N个相位共轭镜，总的接收信号为

称作PCM信道频率响应，包含各阵元对应的接收信道频率响应

和发射信道频率响应H_mn(ω)，当观察点位置与初始源位置相重合，即n＝s时，结合电波传播互易定理H_mn(ω)＝H_nm(ω)可得

此时PCM信道频率响应函数是实数，不存在相位失配的问题，因此到达辐射源位置的相位共轭信号可实现同相叠加，从而在此处出现能量的峰值，而在n≠s时，PCM的接收与发射信道处于失配状态，计算所得的信号幅度较小，能量发散，因此经相位共轭处理的电磁波与传播空间自适应匹配，在初始源位置处实现聚焦；

利用反向抛物方程计算传播空间中的合成信号为

当r＝r′时，取得最大值为

则r′即为分集天线位置。

进一步地，主天线所处环境包括地表环境和大气环境。

进一步地，辐射源参数包括辐射源的频率、方向图、波束宽度和高度。

进一步地，分集天线采用与主天线选择式合并的方式获得分集增益。

本发明具有以下优点：本发明一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法，不同于其他分集方法抑制多径效应的方式，本发明方法利用抛物方程法计算传播空间的多径效应，抛物方程法能够精确地描述复杂的大气结构与地表电磁特性，具有良好的计算精度和稳定性；进而使用虚拟相位共轭信号自适应聚焦性能，利用多径效应，在传播空间的深度衰落区域架设虚拟源，使用抛物方程法反向计算，定位分集天线的位置，最终实现天线分集，得到分集增益；在应用于天线分集领域时，本发明能准确定位分集天线位置，得到较高的分集增益，且相比于基于双线法平地面模型设计的双分集系统具有更多的可选择分集位置，具有更高的空间自由度，可适用于隧道、不规则地形、多路径室内环境等复杂环境。

附图说明

图1为本发明分集天线定位方法的流程图；

图2为本发明添加虚拟源的示意图；

图3为本发明实验例中源天线在传播空间中的辐射场分布图；

图4为本发明多虚拟源形成的初始边界处信号随高度变化图；

图5为本发明横向上相位共轭信号法、双射线法分集及与未分集的信号对比图；

图6为本发明纵向上相位共轭信号法、双射线法分集及与未分集的信号对比图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法，包括以下步骤：

S1，构建主天线所处环境，设定辐射源参数；

S2，辐射源发射信号，利用抛物方程法计算该环境下的电磁信号空间分布态势，计算公式如下，

式中，U(x₀，z)为初始场，Δx为水平网格步长，F和F^-1分别代表傅里叶正变换和逆变换，

n为等效折射率；k₀为真空中的传播常数；P＝k₀sina为傅里叶变换的频域变量，a为掠射；若已知初始场和边界条件，即可通过上式迭代求解传播空间任意点的场；

S3，利用放置在传播空间的相位共轭镜阵列将带环境信息的信号u(x，z)记录下来，

式中，H为环境所带来的系统传输函数，E_n(r_n)为第n个共轭镜收到的场值大小，r_n为第n个共轭镜接收的场矢量，

k为传播常数；

频域下的电信号发送到环境中，到达PCM第N个接收阵元时，接收信号S_R(r_Rn)为，

S_R(r_Rn)＝S_T(r_S)·H(r_s，r_Rn)

式中，H(r_s，r_Rn)为接收阵元对环境的信道冲击响应；

如果接收信号强度低于阈值，则判定其处于深度衰落区域；

S4，去在多个深度衰落位置人为放置虚拟源，以构建与主天线辐射场不相关的电磁信号空间分布态势；假设在主源位置之外放入虚拟源S_T′(r_s′)，则它产生的信道冲击响应S′_T(r′_s)·H(r′_s，r_Rn)将区别于主源；

S5，设置虚拟源的发射信号并将其进行相位共轭，反向发射回原传播空间；利用相位共轭处理的信号S_Rn ^TR(r_n)为，

S_Rn ^TR(r_n)＝S_T′′^*(r_s′)·H^*(r_s′，r_Rn)

其中，上标“*”为取复共轭；

S6，利用抛物方程法计算多个相位共轭虚拟源的在传播空间中的电磁分布态势并进行合成；

S7，相位共轭信号将自适应地聚焦至空间特定的位置，该特定位置既为分集天线位置；具体原理如下：

设目标源发射信号u(t)，则PCM接收阵列(阵列元序号为m＝1，2，…M)中第m号阵元所接收到的信号u_m(t)为，

u_m(t)＝u(t)^*h_sm(t)

式中，“*”表示卷积目标源和第m号PCM阵元之间的信道冲击响应为h_sm(t)；PCM采集的信号经过时间反演处理之后为N_m(-t)，其频谱可通过傅里叶变换得到，

上标“*”表示取复共轭；

在传播空间设置N个相位共轭镜，总的接收信号为

称作PCM信道频率响应，包含各阵元对应的接收信道频率响应

和发射信道频率响应H_mn(ω)，当观察点位置与初始源位置相重合，即n＝s时，结合电波传播互易定理H_mn(ω)＝H_nm(ω)可得

此时PCM信道频率响应函数是实数，不存在相位失配的问题，因此到达辐射源位置的相位共轭信号可实现同相叠加，从而在此处出现能量的峰值，而在n≠s时，PCM的接收与发射信道处于失配状态，计算所得的信号幅度较小，能量发散，因此经相位共轭处理的电磁波与传播空间自适应匹配，在初始源位置处实现聚焦；

利用反向抛物方程计算传播空间中的合成信号为

当r＝r′时，取得最大值为

则r′即为分集天线位置。

S8，分集天线采用与主天线选择式合并的方式获得分集增益。

具体地，主天线所处环境包括地表环境和大气环境。

具体地，辐射源参数包括辐射源的频率、方向图、波束宽度和高度。

实验例

采用本发明定位分集天线位置，具体包括以下步骤：

步骤1，构建主天线所处环境，本样例设定为平地面、标准大气环境，设定辐射源为垂直极化，天线架高2m，频率为2.4GHz，3dB波束宽度为41.26°；

步骤2，令辐射源发射信号，利用抛物方程法计算该环境下的电磁信号空间分布态势，计算结果如图3所示；

步骤3，利用放置在传播空间的相位共轭镜阵列将带环境信息的信号记录下来，如果接收信号强度低于阈值，则判定其处于深度衰落区域。

步骤4，在多个深度衰落位置人为放置虚拟源，以构建与主天线辐射场不相关的电磁信号分布态势，原理如图2所示；

步骤5，设置虚拟源的发射信号并将其进行相位共轭，反向发射回原传播空间；

步骤6，利用抛物方程法反向计算多个虚拟源的电磁空间分布态势；

步骤7，将多个虚拟源的电磁分布态势合成，利用相位共轭信号在多径环境中的自适应聚焦特性得到分集天线的位置；根据聚焦特性可观察分集天线位置，如图4所示，选用分集天线的位置H＝2.64m；

步骤8，分集天线采用与主天线选择式合并的方式获得分集增益，得到加载分集天线后横向及纵向深度衰落区域的天线增益，同时对比传统的双射线2R方法。对比结果如图5、6所示，可以看到基于相位共轭抛物方程法的天线分集方法有效缓解了源天线深度衰落，且与2R平地面模型设计的双分集系统相比，本方法可选择的分集天线分离度小，且位置更多，具有更高的空间自由度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，构建主天线所处环境，设定辐射源参数；

S2，辐射源发射信号，利用抛物方程法计算该环境下的电磁信号空间分布态势，计算公式如下，

式中，U(x₀,z)为初始场，Δx为水平网格步长，F和F^-1分别代表傅里叶正变换和逆变换，

n为等效折射率；k₀为真空中的传播常数；P＝k₀sina为傅里叶变换的频域变量，a为掠射；

S3，利用放置在传播空间的相位共轭镜阵列将带环境信息的信号u(x,z)记录下来，

式中，H为环境所带来的系统传输函数；E_n(r_n)为第n个共轭镜收到的场值；

k为传播常数，r_n为第n个共轭镜接收的场矢量；

频域下的电信号发送到环境中，到达PCM第N个接收阵元时，接收信号S_R(r_Rn)为，

S_R(r_Rn)＝S_T(r_S)·H(r_s,r_Rn)

式中，H(r_s,r_Rn)为接收阵元对环境的信道冲击响应，S_T(r_S)为主源发射信号；

如果接收信号强度低于阈值，则判定其处于深度衰落区域；

S4，去在多个深度衰落位置人为放置虚拟源，以构建与主天线辐射场不相关的电磁信号空间分布态势；

S5，设置虚拟源的发射信号并将其进行相位共轭，反向发射回原传播空间；利用相位共轭处理的信号S_Rn ^TR(r_n)为

S_Rn ^TR(r_n)＝S_T'′^*(r_s′)·H^*(r_s′,r_Rn)

其中，上标“*”为取复共轭；

S6，利用抛物方程法计算多个相位共轭虚拟源的在传播空间中的电磁分布态势并进行合成；

S7，相位共轭信号将自适应地聚焦至空间特定的位置，该特定位置既为分集天线位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法，其特征在于，主天线所处环境包括地表环境和大气环境。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法，其特征在于，辐射源参数包括辐射源的频率、方向图、波束宽度和高度。

4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟相位共轭信号自适应聚焦的分集天线定位方法，其特征在于，分集天线采用与主天线选择式合并的方式获得分集增益。

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