[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于凸優(yōu)化的穩(wěn)健混合波束成形方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710543926.9
• 申請(qǐng)日: 2017-07-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107395255B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊淑萍;吳肖敏;秦耀璐;束鋒;桂林卿;王進(jìn);余海;朱偉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H04B7/0408
• 分類(lèi)號(hào): H04B7/0408;H04B7/06
• 代理公司: 江蘇樓沈律師事務(wù)所 32254
• 代理人: 沈勇

本發(fā)明提供了一種基于凸優(yōu)化的穩(wěn)健混合波束成形方法，本發(fā)明將模擬波束成形與數(shù)字波束成形相結(jié)合，利用相移網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬波束成形設(shè)計(jì)，采用對(duì)角加載技術(shù)與凸優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)數(shù)字波束成形矢量，從而將波束調(diào)向感興趣的方向，讓干擾信號(hào)產(chǎn)生零陷。隨著天線陣列越來(lái)越趨向于中大規(guī)模發(fā)展，相比于數(shù)字波束成形中每副天線都需配備一條專(zhuān)有的射頻鏈路，混合波束成形能顯著降低射頻鏈路數(shù)，進(jìn)而帶來(lái)硬件成本代價(jià)的巨幅降低。同時(shí)相較于模擬波束成形，混合波束成形引入數(shù)字波束成形將帶來(lái)顯著的性能提升。本發(fā)明的混合波束成形算法能有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能與硬件成本的折衷，可有效抑制干擾源信號(hào)，增強(qiáng)感興趣的信號(hào)，并且對(duì)角度估計(jì)誤差展現(xiàn)了良好的魯棒性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，特別涉及一種基于凸優(yōu)化的穩(wěn)健混合波束成形方法。

背景技術(shù)

波束成形器可使天線陣列形成特定的波束，用來(lái)接收感興趣的目標(biāo)信號(hào)而降低或抑制其他方向干擾信號(hào)的影響。自1959年Van Atta首次提出自適應(yīng)陣列的概念以來(lái)，自適應(yīng)波束成形算法的研究獲得了迅速發(fā)展。由于穩(wěn)健的波束成形器通常對(duì)陣列模型誤差有著很強(qiáng)的魯棒性，因而在無(wú)線通信等領(lǐng)域中具有更為廣泛的應(yīng)用。

作為一項(xiàng)新興的波束成形技術(shù)，混合波束成形在毫米波通信領(lǐng)域得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。傳統(tǒng)的數(shù)字波束成形方法均基于天線陣元進(jìn)行自適應(yīng)波束形成設(shè)計(jì)，此類(lèi)波束成形方法需對(duì)天線陣列中的每副天線都配備一條專(zhuān)有的RF鏈路進(jìn)行單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理。隨著天線陣列越來(lái)越趨向于中大規(guī)模發(fā)展，由此帶來(lái)的硬件成本代價(jià)將會(huì)巨幅增加。考慮到大規(guī)模天線陣列的高維度接收數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的數(shù)字波束形成方法計(jì)算復(fù)雜度高，難以滿足實(shí)際應(yīng)用高實(shí)時(shí)性的要求。模擬波束成形可僅采用一條RF鏈路處理接收信號(hào)，然而其性能往往難以與數(shù)字波束相比擬。混合波束成形通常采用遠(yuǎn)小于天線數(shù)的RF鏈路以降低系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)采用大量的相移器增加天線陣列的增益，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)性能與硬件成本的折衷，從而成為了5G毫米波通信系統(tǒng)的主要技術(shù)之一。

目前混合波束成形主要有兩種典型結(jié)構(gòu)：共享型結(jié)構(gòu)和分離型子陣列結(jié)構(gòu)。共享型結(jié)構(gòu)中每一條射頻鏈路通過(guò)相移器與所有的天線相連，分離型子陣列結(jié)構(gòu)的每一條射頻鏈路只需與一個(gè)天線子陣列相連。與共享型結(jié)構(gòu)相比，分離型子陣列結(jié)構(gòu)能顯著減少相移器的數(shù)目，能量效率更高。分離型子陣列結(jié)構(gòu)更適用于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的接收機(jī)。因而對(duì)于中大規(guī)模天線系統(tǒng)，研究分離型子陣列結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健混合波束算法具有重要的實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：在中大規(guī)模天線系統(tǒng)中，混合波束成形器能有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能與硬件成本的折衷。通過(guò)利用混合波束成形器的優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明提供一種基于凸優(yōu)化的穩(wěn)健混合波束成形方法，能有效抑制干擾源信號(hào)，增強(qiáng)目標(biāo)源信號(hào)，并且可對(duì)角度估計(jì)誤差展現(xiàn)良好的魯棒性。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于凸優(yōu)化的穩(wěn)健混合波束成形方法，具體過(guò)程包括：

(1)天線陣列劃分子陣：

考慮由N個(gè)全向陣元組成的線性均勻天線陣列，且該天線陣列位于信號(hào)源的遠(yuǎn)場(chǎng)范圍。將陣列均勻地分為K個(gè)子陣，子陣天線數(shù)目均為M，即N＝KM。天線陣列的導(dǎo)向矢量表示為：

第k個(gè)子陣的相移矢量為則第k個(gè)子陣形成的波束方向圖表示為

其中，f_km表示第k個(gè)子陣中第m個(gè)陣元的相移因子。整個(gè)天線陣列所形成的波束方向圖可表示為

其中，w_k表示第k個(gè)子陣的權(quán)值。對(duì)于混合結(jié)構(gòu)下的波束成形，將分別設(shè)計(jì)模擬波束成形矩陣F與數(shù)字波束成形矢量w。

(2)模擬波束成形矩陣設(shè)計(jì)：