CN1458709A - 区域多点微波系统阵列天线波束指向误差修正方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于区域多点微波通讯系统，可自动修正波束指向误差的FBFN模糊处理方法及其装置。模糊波束指向误差修正处理装置根据风力强度分布对应产生的天线波束指向误差分布订出波束指向误差角度的修正量，该装置配置在LMDS系统用户端中，具有自动修正多波束阵列天线因风力造成波束指向误差的功能，波束指向误差修正处理装置通过多波束阵列天线测量在风力影响下的基地台信号方向，再通过13个基底函数及规则的模糊基底函数网络波束指向误差修正演算法预测波束指向误差修正角度，以控制阵列天线使其主波束对准基地台方向，以提高LMDS系统的通讯品质。FBFN处理装置具有较佳的瞬时响应、收敛速度及较小的波束指向修正收敛值。

Description

区域多点微波系统阵列天线波束指向误差修正方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于区域多点微波系统(Local multipointdistributed system，LMDS)用户端(Customer premise equipment，CPE)阵列天线的波束指向误差自动修正处理方法和装置，特别是以FBFN模糊法则采用由于风力造成的波束指向误差分布而设计的回归函数，进行波束指向误差角度修正。在LMDS的系统配置下，本装置可自动将多波束阵列天线的主波束对准基地台(HUB)，即时改善LMDS系统在气候条件不佳时(如强风)的通讯品质。波束指向误差修正处理装置是由多波束阵列天线测量的寻向(Direction of Arrival，DOA)信号找出在风力影响下的基地台信号来源方向，再通过模糊基底函数网络(Fuzzy Basis FunctionNetwork，FBFN)的波束指向误差修正演算法预测波束指向误差修正角度，使得阵列天线主波束对准基地台，以提高通讯品质。FBFN法则根据因风力造成波束指向误差分布的特性产生13个标准高斯回归函数及13条规则库。

背景技术

现有的LMDS系统的天线无法自动修正波束指向误差，常会因强风造成的波束指向误差而造成通讯品质降低或通讯中断。

传统机械式的波束指向调整，是以可适性滤波器估测波束指向误差角度修正值通过旋转天线座来对准信号源，但是机械式的调整天线指向除了调整的时间会因机械电机的反应时间而有延误，且准确度也不够精确。通过阵列天线电子式波束扫描的方式，则可通过修正各阵列天线元的相位，使阵列天线主波束即时、准确的对准信号源，以提高LMDS系统的功效。

阵列天线指向误差角度的获得可由多波束信号振幅比较的方法，利用多波束阵列天线，将相邻的波束重叠照射目标，然后比较两个不同天线波束所收到的信号振幅大小，以求得基地台目标信号的方向。若直接采用估测的寻向(DOA)值直接进行波束指向误差修正，其波束指向误差太大；或由递归最小平方(Recursive least square，RLS)可适性滤波器以测量的DOA值估测波束指向误差修正角度，其瞬时响应的误差太大将会影响通讯品质，其收敛速度与波束指向误差收敛值均尚未能满足LMDS系统即时准确修正天线波束指向误差的需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种LMDS阵列天线波束指向误差自动修正处理方法及其装置，使天线因强风造成的随机波束指向误差能自动地即时修正并满足瞬时反应范围小、收敛速度快及波束指向修正误差值低的需求。依据例如中央大学土木研究所黄文力先生发表的台湾地区风力分布的雷氏模式参数设定波束指向误差的标准高斯回归函数，由FBFN模糊波束指向误差修正处理装置来满足瞬时反应范围小、收敛速度快及波束指向误差收敛值低的需求。

为实现上述目的，本发明提供一种用于LMDS阵列天线波束指向误差FBFN修正处理方法，包含下列步骤：在该LMDS用户端以多波束阵列天线接收基地台信号；经由一波束成型电路使该基地台信号在水平方向产生固定指向的多个强度不同的波束信号；从该多个强度不同的波束信号中选择出最强的相邻两波束信号并相减以产生一寻向估测角度信号；传送该寻向估测角度信号至一FBFN波束指向误差修正处理装置以模糊基底函数网络方式执行修正角度计算；传送该计算的修正角度至该波束成型电路而产生一另一波束，以该另一波束的主波束对准基地台进行通讯。

上述多波束阵列天线为二维平面阵列天线。

本发明还提供一种用于LMDS阵列天线波束指向误差FBFN修正处理装置，包含：一多波束阵列天线，安装在该LMDS用户端，用以接收基地台信号；一波束成型电路，含有功率分配器及相移器，用以使该基地台信号在水平方向中产生固定指向的多个强度不同的波束信号；一寻向估测装置，用以从该多个强度不同的波束信号中选择出最强的相邻两波束信号并相减以产生一寻向估测角度信号；以及一FBFN波束指向误差修正处理装置，接收该寻向估测角度信号且以模糊基底函数网络方式执行修正角度计算，及传送该计算的修正角度至该波束成型电路，使得该波束成型电路产生另一主波束，由此主波束对准基地台进行通讯。

上述多波束阵列天线为二维平面阵列天线。

附图说明

图1为本发明的实施例，说明LMDS系统阵列天线及波束指向误差修正处理装置的功能；

图2为本发明的实施例，说明LMDS系统阵列天线波束指向误差修正处理装置信号流程；

图3为本发明的实施例，说明12个天线元所构成的二维平面阵列天线；

图4(a)为本发明的实施例，说明xz平面上4波束(波束1～波束4)场型；

图4(b)为本发明的实施例，说明xz平面上对应的相邻波束差场型；

图5(a)为本发明的实施例，说明yz(波束1～波束2)平面上2波束场型；

图5(b)为本发明的实施例，说明yz平面上对应的相邻波束差场型；

图6为本发明的实施例，说明本发明所提出的FBFN波束指向误差修正处理装置由四层结构实现；

图7为本发明的实施例，说明第一型风力造成的波束指向误差高斯分布的平均值及变异数(1.8，0.86)；

图8为本发明的实施例，说明第二型风力造成的波束指向误差的平均值及变异数(2.5，1.7)；

图9为本发明的实施例，说明第三型风力造成的波束指向误差高斯分布的平均值及变异数(3.5，3.4)；

图10为本发明的实施例，说明第四型风力造成的波束指向误差高斯分布的平均值及变异数(4.3，6.9)；

图11为本发明的实施例，说明第五型风力造成的波束指向误差高斯分布的平均值及变异数(6.1，10.3)。

具体实施方式

图1所示为本发明所提出的LMDS系统阵列天线波束指向误差自动修正处理装置的功能的方块图，其中，左方灰影区为本发明揭示的FBFN波束指向误差修正处理装置1，而2表示阵列天线，3表示波束成型电路，4表示DOA估测装置。其信号流程如图2所示，在LMDS用户端(未图示)以多波束阵列天线2接收基地台(未图示)信号(步骤S1)，经由波束成型电路3，在水平方向产生4个强度不同的波束信号(步骤S2)，选择最强的相邻两波束信号(步骤S3)相减并产生寻向估测(DOA)角度(步骤S4)，估测出的角度送入本发明所提出的FBFN波束指向误差修正处理装置进行修正角度的计算，最后再将修正角度送入波束成型电路产生第五波束，以其主波束对准HUB进行通讯(步骤S5)。其中LMDS系统阵列天线为二维平面阵列天线(2乘6天线元)，可对水平及垂直的波束指向误差进行角度修正。平面阵列天线配置如图3所示，其整体天线指向场型为： $\mathrm{AF}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{J}_m{e}^{j(m-1)({\mathrm{kd}}_x\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+{\mathrm{\β}}_x)}\right]e^{j(n-1)({\mathrm{kd}}_y\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+{\mathrm{\β}}_y)}---\left(1\right)$

β_x＝-kd_xsinθ₀cosφ₀                      (2)

β_y＝-kd_ysinθ₀sinφ₀                      (3)

式中chebyshev权值I_m＝[0.54 0.78 1 10.78 0.54]

水平天线元数M＝6

垂直天线元数N＝2

水平天线元间距d_x＝λ/2

垂直天线元间距d_y＝λ/2，λ＝波长

通过调整(2)及(3)式中的(θ₀，φ₀)即可将主波束(main beam)对准(θ₀，φ₀)，以达到三度空间的波束指向控制(beam steering)功能。

为了达到三度空间的波束指向，在xz平面(θ_azimuth)使用多波束成型电路3形成五个多波束，其中波束1至波束4负责寻向，波束5负责正确指向，在yz平面(θ_elevation)使用多波束成型电路3形成三个多波束，其中波束1和波束2负责寻向，第3波束负责正确指向，xz平面产生的多波束(波束1～波束4)场型如图4(a)所示，其对应的相邻波束差场型如图4(b)所示，角度斜率(angular slope)分别为1.43、1.75、1.43分贝/度(dB/degree)。yz平面产生的多波束(波束1及波束2)场型如图5(a)所示，其对应的相邻波束差场型如图5(b)所示，角度斜率为0.217分贝/度。DOA寻向估测可以用角度斜率除相邻两波束接收信号的功率差而获得。

波束成型电路3由功率分配器(power divider)31(未图示)以及相移器(phase shifter)32(图未示)组成，用以产生固定指向的多波束信号，供后级进目标信号寻向(DOA)估测。多波束平面阵列天线的相邻两波束以振幅比较法产生差场型(difference signalpattern)进行信号源寻向(DOA)估测。通过各波束所接收到的信号功率差值对应到差场型的值，可解析出信号源的方向。

波束指向误差自动修正处理装置1以FBFN模糊法则设计出具有一阶段预测的滤波器(one step forward prediction filter)11(图未示)，用以补偿因强风随机扰动造成波束指向错误的角度。为了改善LMDS阵列天线系统因强风造成的随机波束指向误差，本发明采用了FBFN波束指向误差修正处理装置，可针对各个时刻波束指向误差的分布情形，做出较佳的波束指向误差修正。FBFN波束指向误差修正处理装置1如图6所示，第一层的13个回归函数为标准高斯函数，是根据例如中央大学土木工程研究所黄文力先生发表的台湾地区风力分布的雷氏模式参数σ²而设定，如表1所示。

                              表1

浦福风级	高斯分布平均值E{r}(degree)	高斯分布变异数Var{r2}(degree)	雷氏分布参数σ2
				4	1.8	0.86	2
5	2.5	1.7	4
				6	3.5	3.4	8
7	4.3	6.9	16
				8	6.1	10.3	24

由于造成波束指向误差的主要原因是因为风力造成天线主体结构的偏移，本发明模拟实验时假设在四级风以下，天线的结构刚性足以维持波束正确指向。假设在四级风的天线指向误差分布为平均值为1.8、变异数为0.86的高斯分布，随着风力的增强，以四级风的风压为参考，线性的增加其它级风力下的变异数以及平均值，再根据这些资料订出FBFN的回归函数以及各规则的权值。由强风造成的波束指向误差模式为高斯分布，其平均值为 $E\left[r\right]=\mathrm{\σ}\·\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2}}---\left(4\right)$

变异数为 $\mathrm{Var}\left[r\right]=(2-\frac{\mathrm{\π}}{2}){\mathrm{\σ}}^2---\left(5\right)$

标准高斯回归函数

输入向量 X＝ A＝[A[n]A[n-1]…A[n-10]]

c_i为高斯函数中心向量，为内含11个取样值的向量各参数代表意义为：

A(n)～A(n-10)：第n～n-10个时刻的波束指向误差角度值

₁～₁₃：依天线偏差分布所设的输入回归函数

μ₁～μ₁₃：各规则的触发强度

         μ_i＝_i( A)                 (7)

μ₁～μ₁₃：正规化的触发强度 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_i}---\left(8\right)$

f₁～f₁₃：各规则对应的后项输出权值

输出补偿量Y(n)＝ μ_if_i                (9)

在本发明中考虑到风力造成的波束指向误差会有负平均值的分布，及实际状况下可能会产生较小的风力扰动。参考五种风力分布的趋势，设计了13个标准高斯回归函数及后项输出权值。其参数设定如下：

     c₁＝[-6.14]_1×11 ^T     f₁＝-6.14

     c₂＝[-5]_1×11 ^T        f₂＝-5

     c₃＝[-3.5]_1×11 ^T      f₃＝-3.5

     c₄＝[-2.5]_1×11 ^T      f₄＝-2.5

     c₅＝[-1.7]_1×11 ^T      f₅＝-1.7

     c₆＝[-0.5]_1×11 ^T      f₆＝-0.5

     c₇＝[0]_1×11 ^T         f₇＝0

     c₈＝[0.5]_1×11 ^T         f₈＝0.5

     c₉＝[1.7]_1×11 ^T         f₉＝1.7

     c₁₀＝[2.5]_1×11 ^T        f₁₀＝2.5

     c₁₁＝[3.5]_1×11 ^T        f₁₁＝3.5

     c₁₂＝[5]_1×11 ^T          f₁₂＝5

     c₁₃＝[6.14]_1×11 ^T       f₁₃＝6.14

    σ_i＝2，i＝1～13

较佳实施例

模糊实验时产生五种高斯(Gaussian)的波束指向误差角度分布，送入波束指向误差修正处理装置中进行波束指向角度修正。通过五种风力分布对应的五种高斯波束指向误差角度分布，其平均值(m)与变异量(σ²)分别为(m，σ²)＝(1.8，0.86)、(2.5，1.7)、(3.5，3.4)、(4.3，6.9)、(6.1，10.3)，称之为第一型～第五型高斯分布。分别将400点资料输入FBFN电路及递归最小平方法(RLS)11阶段滤波器做500次蒙地卡罗(Monte-Carlo)实验，模拟实验结果如图7～图11所示。

图中四条学习曲线(learning curve)代表的意义如下：

未修正(No correction)曲线：表示风力造成的均方差(ensemble-averaged square error)

直接补偿(direct compensation)曲线：表示使用直接以DOA估测值补偿所产生的均方差

RLS曲线：代表使用RLS预测滤波器补偿后的均方差

FBFN曲线：代表使用FBFN模糊法则修正处理后的均方差

FBFN波束指向误差修正处理装置与递归最小平方(RLS)可适性滤波器比较，实验结果显示使用11阶的RLS可适性滤波器均方差会在重复次数(number of iterations)n＝60～80之间逼近到稳态值，但RLS的瞬时响应会很大(均方差高达10¹～10³)易造成LMDS系统通讯品质降低。FBFN波束指向误差修正处理装置有较佳的瞬时响应值(均方差约为1～10²)，较佳的收敛速度(n＝10～20)以及较低的波束指向误差修正收敛值。由模拟结果显示FBFN波束指向误差修正处理装置可满足瞬时响应小、收敛速度快及波束指向收敛误差值低的应用需求，本发明确实可以改变LMDS系统的通讯品质。

Claims (4)

1.一种用于LMDS阵列天线波束指向误差FBFN修正方法，包含下列步骤：

-在该LMDS用户端以多波束阵列天线接收基地台信号；

-经由一波束成型电路使该基地台信号在水平方向产生固定指向的多个强度不同的波束信号；

-从该多个强度不同的波束信号中选择出最强的相邻两波束信号并相减以产生一寻向估测角度信号；

-传送该寻向估测角度信号至一FBFN波束指向误差修正处理装置以模糊基底函数网络方式执行修正角度计算；

-传送该计算的修正角度至该波束成型电路而产生一另一波束，以该另一波束的主波束对准基地台进行通讯。

2.如权利要求1所述的方法，其中该多波束阵列天线为二维平面阵列天线。

3.一种用于LMDS阵列天线波束指向误差FBFN修正装置，包含：

一多波束阵列天线，安装在该LMDS用户端，用以接收基地台信号；

一波束成型电路，含有功率分配器及相移器，用以使该基地台信号在水平方向中产生固定指向的多个强度不同的波束信号；

一寻向估测装置，用以从该多个强度不同的波束信号中选择出最强的相邻两波束信号并相减以产生一寻向估测角度信号；以及一FBFN波束指向误差修正处理装置，接收该寻向估测角度信号且以模糊基底函数网络方式执行修正角度计算，及传送该计算的修正角度至该波束成型电路，使得该波束成型电路产生另一主波束，由此主波束对准基地台进行通讯。

4.如权利要求3所述的装置，其中该多波束阵列天线为二维平面阵列天线。

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