本發(fā)明屬于干擾抑制領(lǐng)域，具體是一種基于移動(dòng)目標(biāo)doa的零陷擴(kuò)展3d-mimo波束賦形方法。

背景技術(shù)：

根據(jù)《5g愿景與需求白皮書》描述，5g支持的廣域覆蓋場景將為用戶提供高達(dá)10mbit/s的體驗(yàn)密度，支持熱點(diǎn)區(qū)域的數(shù)據(jù)流量密度可達(dá)10gbit/s體驗(yàn)速率和10tbit/km2數(shù)據(jù)密度。但是，傳統(tǒng)的mimo天線不僅數(shù)量少，控制能力差，而且其空間復(fù)用，空間分集和波束賦形等功能的低性能和側(cè)重性的應(yīng)用，也為5g所不能接受。

3d-mimo技術(shù)是5g的關(guān)鍵技術(shù)之一，在2d-mimo技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了垂直方向的空間自由度，能夠提高系統(tǒng)容量、增加頻譜效率、有效降低小區(qū)間干擾。從lterel-11標(biāo)準(zhǔn)化的初始階段就有公司開始推動(dòng)3d-mimo波束賦形技術(shù)，而在rel-12的準(zhǔn)備階段已經(jīng)有越來越多的運(yùn)營商和設(shè)備制造商企業(yè)表現(xiàn)出對3d-mimo波束賦形技術(shù)的熱情。

智能天線的工作原理主要包括兩個(gè)過程，首先是天線系統(tǒng)對來自移動(dòng)終端發(fā)射的多徑信號的波達(dá)方向(doa)進(jìn)行估計(jì)，算出移動(dòng)終端與基站的距離、下傾角和方位角后進(jìn)行空間濾波，從而抑制其它終端對基站的干擾；其次是基站根據(jù)doa信息，調(diào)整天線各振子上信號的幅度和相位的權(quán)值，對智能天線發(fā)送的信號進(jìn)行數(shù)字波束賦形，使基站發(fā)射信號的主瓣能夠以較小的波瓣角和較高的功率密度，沿著移動(dòng)終端電波信號的波達(dá)方向送回移動(dòng)終端，從而使智能天線發(fā)射的電磁波的主瓣方向?qū)?zhǔn)期望用戶，零瓣方向?qū)?zhǔn)干擾源。

顯然，智能天線的核心是波束賦形的產(chǎn)生和賦形波束的定位，既要產(chǎn)生功率密度極高、輻射距離更遠(yuǎn)的賦形波束，也要使賦形波束能夠準(zhǔn)確定位用戶終端。

mimo天線的波束賦形是一種基于天線陣列的信號預(yù)處理技術(shù)，它是通過調(diào)整天線陣列中每個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生具有指向性的波束，從而獲得明顯的陣列增益。若能根據(jù)信道條件適當(dāng)控制每個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù)，同樣可以獲得在增強(qiáng)期望方向信號強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能降低對非期望方向的干擾。如果加權(quán)系數(shù)是通過終端的doa參數(shù)預(yù)處理得到，則波束賦形就可以指向終端用戶。然而現(xiàn)有波束賦形技術(shù)都是基于用戶靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)信號估計(jì)的doa信息來進(jìn)行調(diào)整，而在用戶移動(dòng)性場景中，波束賦形性能將嚴(yán)重降低。

3d-mimo波束賦形系統(tǒng)需要一套方案來決定權(quán)重，從而調(diào)整波束指向，使得波束指向理想用戶終端，而在非理想用戶的方向形成零陷以減輕干擾。這樣可以增加信干噪比，并且使來自其它旁瓣的干擾有所減輕。因此需要一套權(quán)重決定方法，來分別構(gòu)建水平和垂直陣列的權(quán)值，最小化陣列模式向量和單位向量的均方誤差，這里單位向量表示理想方向的陣列模式，零向量表示非理想方向的陣列模式。由于矩形平面陣列可以看成m個(gè)n維的線陣列，這樣m-n維陣列的權(quán)重可以分別從水平陣列和垂直陣列的權(quán)重得到。

波束導(dǎo)向和零陷方法主要依靠角度域信息進(jìn)行賦形權(quán)值生成，當(dāng)用戶移動(dòng)的時(shí)候，由于用戶終端位置的不確定性可能影響波達(dá)方向doa估計(jì)的準(zhǔn)確性，從而降低波束賦形技術(shù)的干擾抑制性能。傳統(tǒng)的波束賦形方法形成的零陷較窄，在信號波達(dá)方向估計(jì)準(zhǔn)確時(shí)可以很好地抑制干擾信號。但實(shí)際中由于信號doa變化，會(huì)導(dǎo)致干擾來向與零陷位置失準(zhǔn)以及期望信號導(dǎo)向適量失配，使得波束賦形輸出的信號中含有未被抑制的干擾信號。導(dǎo)向矢量失配會(huì)導(dǎo)致波束賦形性能下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明在現(xiàn)有3d-mimo波束賦形的基礎(chǔ)上，針對用戶移動(dòng)性場景下零陷寬度較窄時(shí)干擾抑制能力下降，為了約束零陷寬度，旁瓣增益和權(quán)矢量模值等得到性能更加穩(wěn)定的波束賦形，提出了一種基于移動(dòng)目標(biāo)doa的零陷擴(kuò)展3d-mimo波束賦形方法。

具體步驟如下：

步驟一、針對通信的基站與某移動(dòng)終端，在xy平面上構(gòu)造m×n個(gè)陣元的天線陣；

選取水平地面作為x軸，且x軸上設(shè)有m個(gè)陣元，與x軸垂直的水平地面為y軸，且y軸上設(shè)有n個(gè)陣元；

步驟二、分別計(jì)算天線陣中每個(gè)陣因子的權(quán)值；

第m-n的陣因子權(quán)重wmn計(jì)算如下：

wmn＝am·bn

am指第m-n的陣因子在x軸方向的權(quán)值；bn指第m-n的陣因子在y軸方向的權(quán)值。

步驟三、根據(jù)目標(biāo)移動(dòng)終端與干擾移動(dòng)終端的位置，分別確定各終端與基站之間的doa信息；

目標(biāo)移動(dòng)終端是指與基站通信的移動(dòng)終端；

目標(biāo)移動(dòng)終端和基站之間的doa設(shè)為干擾移動(dòng)終端和基站之間的doa設(shè)為i＝1,2,3,……；由于終端的移動(dòng)性產(chǎn)生的角度估計(jì)偏差設(shè)為

所有doa角度均以x軸為角的起始邊；

步驟四、根據(jù)各終端與基站之間的doa信息，重新調(diào)整每個(gè)陣因子的權(quán)值；

具體如下：

步驟401、將m×n個(gè)陣元中每行陣因子在水平方向的值afx和每列陣因子在垂直方向的值afy，利用方向圖乘積原理得到每個(gè)陣因子的表達(dá)式；

dx為x軸上相鄰兩個(gè)陣因子之間的間距，dy為y軸上相鄰兩個(gè)陣因子之間的間距。

k為調(diào)整系數(shù)，為整數(shù)；βx表示水平方向上的相位延遲，βy表示垂直方向上的相位延遲，(θ,φ)為各終端和基站之間的角度值；

步驟402、帶入各終端與基站之間的doa信息，將目標(biāo)移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值設(shè)為1，將干擾移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值設(shè)為0；

結(jié)果如下：

步驟403、根據(jù)各個(gè)陣因子表達(dá)式的值，利用每行陣因子在水平方向的值afx計(jì)算水平方向的權(quán)重wx；

首先，根據(jù)每行陣因子在水平方向的值afx公式，計(jì)算出權(quán)重wx的表達(dá)式；

其中，wx＝[a1a2…am]^t；

然后，在期望方向上，根據(jù)目標(biāo)移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值為1，得到：

在非期望方向上，根據(jù)干擾移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值為0，得到：

最后，對權(quán)重wx表達(dá)式進(jìn)行求解；

設(shè)b＝[10…0]^t，上式化簡為awx＝b；

wx＝a^-1b，a是m×m的可逆矩陣；wx＝pinv(a)*b，pinv(a)是moore-penrose廣義逆。

步驟404、根據(jù)各個(gè)陣因子表達(dá)式的值，利用每列陣因子在垂直方向的值afy計(jì)算垂直方向的權(quán)重wy；

首先，根據(jù)每列陣因子在垂直方向的值afy公式，計(jì)算出權(quán)重wy的表達(dá)式；

其中，wy＝[b1b2…bn]^t；

然后，在期望方向上，根據(jù)目標(biāo)移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值為1，得到：

在非期望方向上，根據(jù)干擾移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值為0，得到：

最后，對權(quán)重wy表達(dá)式進(jìn)行求解；

設(shè)b'＝[10…0]^t，上式化簡為a'wy＝b'；

wy＝a'^-1b'，a'是n×n的可逆矩陣；wy＝pinv(a')*b'，pinv(a')是moore-penrose廣義逆。

步驟405、利用水平方向的權(quán)重wx和垂直方向的權(quán)重wy計(jì)算陣天線的權(quán)重矩陣w，進(jìn)一步得到每個(gè)陣因子調(diào)整后的權(quán)值；

w＝wx(wy)^t＝(wmn)m×n

步驟五、運(yùn)用調(diào)整后每個(gè)陣因子的權(quán)值，通過對期望方向和非期望方向周圍的角度區(qū)域施加約束，在非期望方向上進(jìn)行零陷擴(kuò)展，同時(shí)在期望方向上無失真；

零陷擴(kuò)展包括兩部分：期望方向上的doa信號θ0擴(kuò)展為[θ0l,θ0h]以及非期望方向的doa信號θi擴(kuò)展為[θil,θih]。

具體為：為擴(kuò)展非期望方向的doa信號θi，當(dāng)θi∈[θil,θih]時(shí)陣列滿足：|w^hs(θi)|≤δ，則θi擴(kuò)展為[θil,θih]；δ為零陷響應(yīng)約束閾值；

為擴(kuò)展期望方向上的doa信號θ0，當(dāng)θ∈[θ0l,θ0h]時(shí)θ0接近無失真，且滿足w^hs(θ)-1≤μ，則θ0擴(kuò)展為[θ0l,θ0h]；μ為一極小值。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)、一種基于移動(dòng)目標(biāo)doa的零陷擴(kuò)展3d-mimo波束賦形方法，相比于傳統(tǒng)的波束賦形方案，本發(fā)明在無線技術(shù)方面，有效提高了頻譜效率以滿足更高的速率要求。

2)、一種基于移動(dòng)目標(biāo)doa的零陷擴(kuò)展3d-mimo波束賦形方法，在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)中，當(dāng)信號估計(jì)不準(zhǔn)時(shí)，通過有效展寬零陷，擴(kuò)展對信號的有效接收范圍，并施加對期望和干擾方向的陣列響應(yīng)約束，以及旁瓣控制約束等方式，對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及存在較大信號doa估計(jì)偏差時(shí)，提高系統(tǒng)的魯棒性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明3d-mimo中終端用戶移動(dòng)性場景圖；

圖2是本發(fā)明基于移動(dòng)目標(biāo)doa的零陷擴(kuò)展3d-mimo波束賦形方法流程圖；

圖3是本發(fā)明有源面陣列因子幾何分布圖；

圖4是本發(fā)明智能天線波束賦形3d天線方向圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明涉及3d-mimo(3-dimensionalmultiple-inputmultiple-output)中終端用戶移動(dòng)性場景，如圖1所示，θ0表示移動(dòng)終端到bs的初始水平方向夾角，θ1表示移動(dòng)以后的水平方向角；δθ表示角度差值；d0表示基站與移動(dòng)終端初始距離；d1表示移動(dòng)終端移動(dòng)以后與基站的距離。t0表示初始時(shí)間，t1表示移動(dòng)以后的時(shí)間，δt表示時(shí)間差。

針對通信的基站bs與某移動(dòng)終端mes，當(dāng)該目標(biāo)終端進(jìn)入干擾區(qū)域時(shí)，入射信號doa的變化或存在估計(jì)誤差時(shí)導(dǎo)致波束賦形性能下降，通過零陷展寬在干擾處形成較寬的零陷，從而有效抑制位置變化的干擾，并使期望信號得到較好的接近無失真相應(yīng)。

如圖2所示，具體步驟如下：

步驟一、針對通信的基站與某移動(dòng)終端，在xy平面上構(gòu)造m×n個(gè)陣元的天線陣；

對一個(gè)x-y平面上的矩形平面陣，如圖3所示，x軸上有m個(gè)陣元，y軸上有n個(gè)陣元，構(gòu)成m×n個(gè)陣元的天線陣；該矩形平面陣可視為n個(gè)陣元的m個(gè)直線陣，或m個(gè)陣元的n個(gè)直線陣。表示陣列天線的水平方位角，θ表示垂直方向仰角，dx和dy分別表示天線陣子的水平和垂直方向間距；u表示接收信號。

步驟二、分別計(jì)算天線陣中每個(gè)陣因子的權(quán)值；

第m-n陣元的權(quán)值為wmn計(jì)算如下：

wmn＝am·bn

am指第m-n的陣因子在x軸方向的權(quán)值；bn指第m-n的陣因子在y軸方向的權(quán)值。

步驟三、根據(jù)目標(biāo)移動(dòng)終端與干擾移動(dòng)終端的位置，分別計(jì)算各終端與基站之間的doa信息；

目標(biāo)移動(dòng)終端是指與基站通信的移動(dòng)終端；

本實(shí)施例中目標(biāo)移動(dòng)終端和基站之間的doa設(shè)為干擾移動(dòng)終端和基站之間的doa設(shè)為和由于終端的移動(dòng)性產(chǎn)生的角度估計(jì)偏差設(shè)為

所有doa角度均以x軸為角的起始邊；

步驟四、根據(jù)各終端與基站之間的doa信息，重新調(diào)整每個(gè)陣因子的權(quán)值；

具體如下：

步驟401、將m×n個(gè)陣元中每行陣因子在水平方向的值afx和每列陣因子在垂直方向的值afy，利用方向圖乘積原理得到每個(gè)陣因子的表達(dá)式；

已知道m(xù)個(gè)陣元或n個(gè)陣元的天線陣單獨(dú)作用的陣因子，所以由方向圖乘積原理得到整個(gè)m×n個(gè)陣元的天線陣方向圖，由方向圖乘積原理得：

dx為x軸上相鄰兩個(gè)陣因子之間的間距，dy為y軸上相鄰兩個(gè)陣因子之間的間距。

k為調(diào)整系數(shù)，為整數(shù)；βx表示水平方向上的相位延遲，βy表示垂直方向上的相位延遲，當(dāng)需要波束調(diào)相時(shí)，其中θ0和表示調(diào)相至θ0和角。(θ,φ)為各終端和基站之間的角度值；

步驟402、帶入各終端與基站之間的doa信息，將目標(biāo)移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值設(shè)為1，將干擾移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值設(shè)為0；

為了能夠接收期望方向的信號，并且使非期望方向的影響降到最小。需要使期望方向產(chǎn)生單位增益，使得af＝1；而在非期望方向上形成零點(diǎn)，使得af＝0。即在期望方向上有：afx＝1andafy＝1；在非期望方向上有afx＝0andafy＝0。

為了能夠接收期望方向的信號，并且使非期望方向的影響降到最??；需要使期望方向產(chǎn)生單位增益，即而在非期望方向上形成零點(diǎn)即

步驟403、根據(jù)各個(gè)陣因子表達(dá)式的值，利用每行陣因子在水平方向的值afx計(jì)算水平方向的權(quán)重wx；

首先，根據(jù)每行陣因子在水平方向的值afx公式，計(jì)算出權(quán)重wx的表達(dá)式；

其中，wx＝[a1a2…am]^t；

然后，在期望方向上，根據(jù)目標(biāo)移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值為1，得到：

在非期望方向上，根據(jù)干擾移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值為0，得到：

在本發(fā)明中一個(gè)區(qū)域內(nèi)有四個(gè)波束，在期望方向上有θ＝θ0，另外三個(gè)非期望方向分別有

在非期望方向上，可得：

最后，對權(quán)重wx表達(dá)式進(jìn)行求解；

設(shè)b＝[10…0]^t，上式化簡為awx＝b；

wx＝a^-1b，a是4×m的可逆矩陣；水平維的權(quán)重wx＝pinv(a)*b，pinv(a)是moore-penrose廣義逆。

步驟404、根據(jù)各個(gè)陣因子表達(dá)式的值，利用每列陣因子在垂直方向的值afy計(jì)算垂直方向的權(quán)重wy；

首先，根據(jù)每列陣因子在垂直方向的值afy公式，計(jì)算出權(quán)重wy的表達(dá)式；

其中，wy＝[b1b2…bn]^t；

然后，在期望方向上，根據(jù)目標(biāo)移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值為1，得到：

在非期望方向上，根據(jù)干擾移動(dòng)終端對應(yīng)的陣因子表達(dá)式的值為0，得到：

最后，對權(quán)重wy表達(dá)式進(jìn)行求解；

設(shè)b'＝[10…0]^t，上式化簡為a'wy＝b'；

wy＝a'^-1b'，a'是n×n的可逆矩陣；wy＝pinv(a')*b'，pinv(a')是moore-penrose廣義逆。

步驟405、利用水平方向的權(quán)重wx和垂直方向的權(quán)重wy計(jì)算陣天線的權(quán)重矩陣w，進(jìn)一步得到每個(gè)陣因子調(diào)整后的權(quán)值；

w＝wx(wy)^t＝(wmn)m×n

由于用戶的移動(dòng)性可能影響到達(dá)角度上的估計(jì)：

θ1＝θ0+δθ

其中，θtmp＝θ0+(π-θv)，δd＝v×δt，0≤δt＜tud。

步驟五、運(yùn)用調(diào)整后每個(gè)陣因子的權(quán)值，通過對期望方向和非期望方向周圍的角度區(qū)域施加約束，在非期望方向上進(jìn)行零陷擴(kuò)展，同時(shí)在期望方向上無失真；

傳統(tǒng)的波束形成方法形成的零陷較窄，在信號波達(dá)方向估計(jì)準(zhǔn)確時(shí)可以很好地抑制干擾信號。但實(shí)際中由于用戶的運(yùn)動(dòng)信號doa變化等原因，會(huì)導(dǎo)致干擾來向與零陷位置失準(zhǔn)以及期望信號導(dǎo)向失配；零陷擴(kuò)展技術(shù)可以有效解決干擾信號運(yùn)動(dòng)時(shí)，波束賦形性能下降的問題；

零陷擴(kuò)展包括兩部分：期望方向上的doa信號θ0擴(kuò)展為[θ0l,θ0h]以及非期望方向的doa信號θi擴(kuò)展為[θil,θih]。

具體為：干擾信號運(yùn)動(dòng)

假設(shè)期望信號doa為θ0，干擾信號doa在[θil,θih]內(nèi)變化，為了較好地接收期望信號并抑制干擾信號，陣列相應(yīng)需滿足：

h(θ0)＝w^hs(θ0)＝1

h(θi)＝|w^hs(θi)|≤δ

θi∈[θil,θih]，δ為零陷響應(yīng)約束閾值；

控制波束圖旁瓣增益小于某一閾值η，則旁瓣區(qū)域的陣列響應(yīng)需滿足

|w^hs(θθ)|≤η

其中，θ表示旁瓣區(qū)域覆蓋的角度范圍。

期望信號運(yùn)動(dòng)

當(dāng)期望信號在一定范圍[θ0l,θ0h]內(nèi)變化時(shí)，要得到較好的期望響應(yīng)，則需要滿足在[θ0l,θ0h]范圍內(nèi)接近無失真，即

w^hs(θ)-1≤μ

其中，θ∈[θ0l,θ0h]，μ為一極小值。

在期望信號doa角度范圍內(nèi)等間隔地選取離散角度信息，則

w^hs(θ0t)-1≤μ,t＝1,2,…,t

其中，t為所選取的離散角度的個(gè)數(shù)；假設(shè)k個(gè)固定來自干擾信號分別從θik,k＝1,2,…,k方向入射，則在干擾方向的約束條件為

h(θik)≤δ，k＝1,2,…,k

主要分為兩步：

根據(jù)doe信息選擇合適的預(yù)編碼矩陣，并在該方向上形成零陷。

接收信號可以寫成

y＝hpx

其中，h為信道向量，p為預(yù)編碼矩陣

選擇dft碼本作為候選的波束賦形矩陣，基于dft碼本的預(yù)編碼在線陣列中具有較好的波束指向性，并且可以簡化設(shè)計(jì)過程，預(yù)編碼矩陣可以寫成

g表示碼本大小，p^(g)(m,n)表示預(yù)編碼矩陣的第m行n列。表示第g個(gè)預(yù)編碼矩陣。

假設(shè)線陣列有nt個(gè)天線陣子，間距為半波長陣列相應(yīng)因子可以寫成

令

假設(shè)為的第m行，這樣零點(diǎn)可以由下式得到

由預(yù)編碼矩陣獲得。

本發(fā)明最終形成的基于移動(dòng)目標(biāo)doa的零陷擴(kuò)展智能天線波束賦形3d天線方向圖，如圖4所示。