[發(fā)明專(zhuān)利]陣列天線中的低旁瓣波束設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010199197.1
• 申請(qǐng)日: 2020-03-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111400919B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任光亮;丁晟;王奇?zhèn)?/a>
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;H01Q21/00;G06F111/04
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專(zhuān)利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發(fā)明公開(kāi)了一種陣列天線中的低旁瓣波束設(shè)計(jì)方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)在降低旁瓣的同時(shí)犧牲主瓣增益，使得波束主瓣展寬的問(wèn)題，其實(shí)現(xiàn)方案是：基于天線陣列結(jié)構(gòu)和用戶角度計(jì)算出初始波束；根據(jù)初始波束構(gòu)建出低旁瓣目標(biāo)波束；設(shè)計(jì)新的天線加權(quán)矢量，使得其對(duì)應(yīng)的波束逼近低旁瓣波束，同時(shí)給波束主瓣增益加以約束，從而構(gòu)建出優(yōu)化問(wèn)題；通過(guò)求解優(yōu)化問(wèn)題，得到最佳天線加權(quán)矢量，進(jìn)而得到低旁瓣波束。本發(fā)明能在有效降低波束旁瓣的同時(shí)保證波束主瓣增益，即能在減小用戶間干擾的同時(shí)保證目標(biāo)用戶的接收功率，可用于大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低旁瓣波束設(shè)計(jì)方法，可用于大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在5G Massive MIMO系統(tǒng)中，多用戶波束賦形技術(shù)是近來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。如何設(shè)計(jì)出合適的天線加權(quán)矢量，即設(shè)計(jì)出合適的波束，這方面的問(wèn)題受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。

多用戶波束賦形的主要目的是最大化每個(gè)用戶接收功率的同時(shí)，盡可能的降低其他用戶的干擾功率，最終提升系統(tǒng)的容量。這個(gè)目標(biāo)在波束圖上的體現(xiàn)為，波束主瓣要指向目標(biāo)用戶，并且主瓣增益要盡可能的大；同時(shí)，旁瓣要盡可能地小，這樣才能使得目標(biāo)用戶在接收功率最大化的同時(shí)受到其他用戶的干擾最小。

理論研究表明，一旦均勻線陣的天線間距和天線數(shù)目確定，該陣列的波束主瓣高度、主瓣寬度以及旁瓣位置都會(huì)確定，見(jiàn)《優(yōu)化陣列信號(hào)處理》，科學(xué)出版社2018年3月。因此如果不對(duì)波束旁瓣進(jìn)行處理，只是使得目標(biāo)用戶的接收功率最大，就會(huì)造成用戶間的干擾變得非常大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)容量的下降。

為了降低用戶間的干擾，即降低波束的旁瓣增益，目前有許多降旁瓣的方法，例如切比雪夫加窗、漢明窗加權(quán)、布萊克曼窗加權(quán)，這些方法雖然在旁瓣抑制上取得了較好的效果，但是在抑制旁瓣的同時(shí)，對(duì)主瓣造成兩方面的影響：一是主瓣增益下降，使得目標(biāo)用戶的接收功率降低；二是加寬了主瓣波束變寬，使得變寬的主瓣部分變成了用戶間的干擾。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種陣列天線中的低旁瓣波束設(shè)計(jì)方法，以在保證主瓣增益的同時(shí)，在旁瓣抑制和主瓣展開(kāi)之間取得良好的折中，減小用戶間的干擾。

本發(fā)明目的的技術(shù)思路是：為天線陣列中每根天線設(shè)計(jì)合適的加權(quán)系數(shù)，使得該天線陣列發(fā)射的信號(hào)波束能夠在保證主瓣增益的情況下有效降低旁瓣。其實(shí)現(xiàn)步驟包括如下：

(1)根據(jù)物理天線陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)合用戶方位角度信息，得到初始的天線加權(quán)矢量p，計(jì)算出用戶的初始波束F；

(2)根據(jù)初始波束F，得到所要設(shè)計(jì)的目標(biāo)低旁瓣波束β；

(3)設(shè)計(jì)新的天線加權(quán)矢量w，使得該天線加權(quán)矢量對(duì)應(yīng)的信號(hào)波束逼近目標(biāo)低旁瓣波束β，即使得設(shè)計(jì)波束與目標(biāo)波束的均方誤差最小，達(dá)到降旁瓣的效果:

其中，A為天線陣列導(dǎo)向矩陣，||·||²為求二范數(shù)操作，(·)^H為共軛轉(zhuǎn)置；

(4)在逼近目標(biāo)波束即降旁瓣的同時(shí)，給主瓣加上如下約束，以保證波束主瓣增益：

w^Ha(θ_k)＝α 2

其中，θ_k為用戶的主瓣指向，1≤k≤M，M為天線陣列平面內(nèi)總的角度個(gè)數(shù)，a(θ_k)為天線陣列在θ_k角度對(duì)應(yīng)的陣列導(dǎo)向矢量，α為主瓣的增益約束；

(5)結(jié)合式1和式2，構(gòu)建出最終的優(yōu)化問(wèn)題：

(6)對(duì)式3的優(yōu)化問(wèn)題求解得到最佳的天線加權(quán)矢量w'，由天線加權(quán)矢量w'和天線陣列導(dǎo)向矩陣A，求得所設(shè)計(jì)的低旁瓣波束Q：