[發明專利]一種基于通道校正的分布式天線陣列波束形成方法

有效

• 申請號: 200810017464.8
• 申請日: 2008-01-31
• 公開（公告）號: CN101227242A
• 公開（公告）日: 2008-07-23
• 發明（設計）人: 王文杰;殷勤業;王晨;陳剛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H04B17/00
• 分類號: H04B17/00;H04L29/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 劉國智

技術領域

本發明涉及一種分布式天線陣列的波束形成方法，特別涉及一種基于通道校正的分布式天線陣列波束形成方法。

背景技術

在無線通信系統中，通過對陣列通道接收和發射的信號進行幅相加權，可以控制天線波束的方向和形狀，以實現對特定用戶的定向發射和接收，從而提高系統容量、改善接收信號信噪比、在保證相同通信質量的情況下降低發射功率、擴展系統的覆蓋范圍，同時，將發射能量匯聚于某個特定方向還提高了通信系統的安全性。

當全向天線在空間上隔開一定的距離放置時，每個天線輻射場的相位是有差異的。這種相位差導致了輻射場在不同的方向上有著不同的強度，它們或疊加增強或相互抵消減弱。因此，導致了合成的輻射場是有方向性的。這樣，通過改變每個天線發射信號的相位，便可以實現波束形成。

當一個發射機具有多個天線時，發射機通過控制信號到達每個天線時的信號相位來實現定向波束，由于整個過程都是在同一個發射機內本地進行，因此頻率同步、相位同步問題相對簡單。然而，在許多場合下，如無線傳感器網絡，由于功耗、體積等因素的限制，每個傳感器節點只具有單天線結構，但波束形成的需求在無線傳感器網絡中的需求仍然十分旺盛，例如需要小型飛機收集傳感器節點數據時，飛機與節點間的通信距離可能會大于所有節點的覆蓋范圍；或者由于飛機或炮彈布撒的原因，某些傳感器節點遠離其它節點而成為孤立節點，這些節點的數據將無法上傳給基站(數據收集點)。在這些情況下，如果利用多個單天線節點構成一個“虛擬”天線陣，通過波束形成使得主波束指向數據收集點，通信覆蓋距離增加，從而解決上述問題。由于多個單天線發射機相互協作形成一個“虛擬”天線陣實現波束形成，并且它們各自有著自己的本地振蕩器，相互之間沒有直接相連，因此稱其為分布式天線陣列。

在發射總功率相等的條件下，M陣元的波束形成比M陣元的基于空時編碼的發射分集能夠多帶來10log₁₀M?dB的增益。另一方面，若維持單個節點的發射功率不變，M陣元的波束形成將比單天線多出20log₁₀M?dB的增益。在單個節點通信距離無法覆蓋遠處的數據收集節點時，分布式節點間通過相干協作實現波束形成的通信方式將比單節點多跳通信有著無法替代的明顯優勢。

目前有眾多專利文獻涉及天線陣列的校正方法。如1997年5月21日公開的中國專利CN1150499A，標題為“天線陣列校正”。2007年4月24日公開的美國專利US?7,209,078，標題為“Antenna?array?calibration(天線陣列校正)”。然而這些專利都是針對于傳統的集中式天線陣列，即各天線有著同一個本振源，各收發通道之間通過有線方式連接到校正模塊，并不適用于由單天線收發機組成的“虛擬”天線陣列。

在2007年5月IEEE?TRANSACTIONS?ON?WIRELESS?COMMUNICATIONS，VOL.6，NO.5上發表的題為“On?the?Feasibility?of?Distributed?Beamformingin?Wireless?Networks”的文章中提出了一種分布式天線陣列的波束形成方法，但該方法中假設了收發通道是對稱的，具有互易性，并且沒有考慮各節點收發通道之間的誤差。然而在實際中這種通道間的誤差是確實存在的，首先由于信號在接收和發送過程中本身并不是沿同一路徑進行處理，因此收發通道間會存在誤差，其次由于通道放大器的相位/增益隨溫度變化有差異，變頻器件的老化、濾波器時延及其幅頻/相頻特性失真等引起的頻率響應不一致等都會使得各節點的接收(或發送)通道之間存在誤差。當通道誤差存在時，該文獻中所述方法不能夠校準這些誤差，經過校正后的節點間并不能保證其相位的同步性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于通道校正的分布式陣列天線的波束成形方法，改善分布式陣列天線通信的質量，同時克服現有方法對于存在通道誤差時從節點間相位不能正確同步的問題。為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種基于通道校正的分布式天線陣列的波束形成方法，包括下述步驟：

a).首先構建一個“虛擬”天線簇，簇內各節點之間采用一種主從結構，即包括一個主節點M和N個從節點，由主節點M控制從節點S_i與遠方的無線基站BS通信，其中S_i為簇內的任一從節點，i＝1、2、……、N；