一種半盲動態(tài)恒模自適應(yīng)波束形成的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種應(yīng)用于60GHz無線通信系統(tǒng)的半盲動 態(tài)恒模自適應(yīng)波束形成的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來移動通信事業(yè)在全球范圍內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展，對帶寬的要求越來越高。 60GHz無線通信技術(shù)由于其超高速的數(shù)據(jù)傳輸能力、成本低、抗干擾性和安全性高、具有國 際通用性和免許可特性的特點，將成為第4代無線通信技術(shù)的代表。然而它面臨的最大挑 戰(zhàn)是過高的路徑損失。60GHz頻段的路徑損耗決定了其必須采用波束形成技術(shù)來改善鏈路 質(zhì)量。自適應(yīng)波束形成技術(shù)作為有效提高帶寬的新技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)。它 利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，選擇合適的自適應(yīng)算法，動態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列 方向圖主瓣對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分利用移 動用戶信號來抵消或最大程度地抑制干擾信號的目的，從而成倍地提高了系統(tǒng)的容量和覆 蓋范圍，極大地改善了頻譜的使用率。
[0003] 非盲算法是指需要借助參考信號的算法。由于發(fā)送時的參考信號是預(yù)先知道的， 對接收到的參考信號進行處理可以確定出信道響應(yīng)，再按一定準則（如迫零準則）確定各 加權(quán)值，或者直接根據(jù)某一準則自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值，以使輸出誤差盡量減小或穩(wěn)定在可預(yù)知 的范圍內(nèi)。自適應(yīng)調(diào)整則采取最優(yōu)化技術(shù)，如最大梯度下降法。它收斂速度很快，穩(wěn)定性較 好。在移動無線環(huán)境、信道特性時變的條件下仍能獲得較好的性能，特別是當陣元數(shù)小于信 號源數(shù)時能適用，當延擴展不太大也能適用，但是導(dǎo)頻信號占用信道資源，對資源利用率有 一定的影響。
[0004] 中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局于2009年04月01日公開了公開號為 CN101399592A的專利文獻，名稱是波束形成方法，其包括以下步驟：：S502,基站通過無線 幀中的波束形成子幀/預(yù)編碼子幀向用戶設(shè)備發(fā)送專用導(dǎo)頻信息；S504,用戶設(shè)備根據(jù)專 用導(dǎo)頻信息進行信道估計，根據(jù)信道估計結(jié)果選擇加權(quán)系數(shù)，并通過波束形成子幀/預(yù)編 碼子幀將對應(yīng)于加權(quán)系數(shù)的編號發(fā)送至基站；以及S506,基站根據(jù)對應(yīng)于加權(quán)系數(shù)的編號 找出加權(quán)系數(shù)，利用加權(quán)系數(shù)對下行數(shù)據(jù)進行加權(quán)處理，以形成對準用戶設(shè)備方向的波 束。此方案為非盲算法，存在導(dǎo)頻信號占用信道資源等問題，影響效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的非盲算法影響效率、盲算法有較高誤碼率等 的技術(shù)問題，提供一種應(yīng)用于60GHz無線通信系統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成快速計算方法，能在 改善無線接收器、發(fā)送器性能的基礎(chǔ)上降低波束形成算法的計算復(fù)雜度，降低誤碼率，從而 在保證高速通訊信號品質(zhì)的同時，大幅度縮短了自適應(yīng)波束形成計算耗時。
[0006] 半盲算法，在同等條件下它比盲算法有更低的誤碼率，比較實用，但是它們是以 計算復(fù)雜度的增加為代價的。為了減少計算的復(fù)雜度，并且盡量使用較少的訓(xùn)練序列，當信 號數(shù)少于天線陣元數(shù)時，可以使用空間特征的方法求出次優(yōu)的權(quán)矢量。它不需要對矩陣進 行求逆，從而大大減少了整個算法的運算量。
[0007] 本發(fā)明針對上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：一種半盲動態(tài)恒 模自適應(yīng)波束形成的方法，包括以下步驟：
[0008] S01、天線陣接收原始信號；
[0009]S02、使用特征空間法將原始信號分離成噪聲子空間和信號子空間；
[0010] S03、使用噪聲空間消除法消除干擾噪聲信號；
[0011]S04、確定初始權(quán)向量；
[0012] S05、對初始權(quán)向量進行迭代；
[0013]S06、波束形成器將處理后的數(shù)據(jù)輸出。
[0014] 作為優(yōu)選，信號子空間為：Qs=[qnq2, · · ·，qK+1]，其中q2, · · ·，qK+1是原始信號 產(chǎn)生的特征值相應(yīng)的特征矢量；原始信號包括需要信號和干擾噪聲信號；
[0015]噪聲子空間為：Qn= [qK+2,qK+3,…，％]，其中％+2, ％+3,…，％是噪聲產(chǎn)生的特征值 相應(yīng)的特征矢量；
[0016] 噪聲消除子空間為：??其中備辦&+3，…:,? 補的特征值相應(yīng)的特征矢量；
[0017] 所述確定初始權(quán)向量具體為：
[0018] A.利用接收信號構(gòu)造樣本的自相關(guān)矩陣:L
[0019]
[0020] 其中：
[0021] 隊為一個時隙內(nèi)的訓(xùn)練字符數(shù)；
[0022] Nb為一個時隙內(nèi)的總字符數(shù)；
[0023]X= [x(0)，…，x(Nt_l)]是發(fā)送訓(xùn)練序列期間天線陣所接收到的信號；
[0024]ρ= -1)]是發(fā)送訓(xùn)練序列期間天線陣所接收到的協(xié)助理信號，用于 信號預(yù)測和部分信號的補充；Η為矩陣共輒轉(zhuǎn)置符號；
[0025]Β.自相關(guān)矩陣特征值的分解
[0026]將自相關(guān)矩陣1分解為兩部分，即之二人+ [),人t/f
[0027]其中：
[0028]UjPUn分別是QjPQn的特征矩陣；字母上方的箭頭為自相關(guān)矩陣符號，如^為自 相關(guān)特征矩陣；
[0029]As=diag[λ· ··，XL+1],Λη=diag[λL+2, · ··，λΜ]，λ· ··，XL+1為原始信號 產(chǎn)生的特征值，λU2,...，λM為噪聲產(chǎn)生的特征值，Μ為天線的陣元數(shù)；
[0030]α計算權(quán)向量
[0031]
[0032] 其中：
[0033] ξ為權(quán)向量系數(shù)，γ(Θs)為期望信號以Θs方向入射構(gòu)成的信號矢量；
[0034] r是校正函數(shù)，Γ=ρσ_0 +Ω，0，p為信號矢量系數(shù)，Ω為噪聲矢量系數(shù)；
[0035]
[0036] j為虛數(shù)單位，m為矩陣的行編號，也可以看作是對天線元件的編號；k為矩陣的 列編號，也可以看作是對波束的編號，K為波束數(shù)量；floor函數(shù)表示取小于或者等于括號 內(nèi)指定表達式的最大整數(shù);mod表示取余運算函數(shù)，mod(X，Y)為X除以Y所得的余數(shù)；s= [s(0)，s(1)，…，s(Nt-1)]為訓(xùn)練序列。
[0037] 作為優(yōu)選，權(quán)向量的迭代過程具體為：
[0038] 在步驟⑵中求出的權(quán)向量作為初始的權(quán)向量，即；
[0039] 令第i次迭代的權(quán)向量的公式如下：
[0040]
[0041] 其中s= [s(0),s(l),…，s(Nt_l)]為訓(xùn)練序列；
[0042] #是包含從隊個己知的信源符號和Nb-隊個估計出的信源符號的序列；函數(shù)
Ι?目源星座圖的先驗知識；
[0043] 函數(shù)Δ⑴是校正補償函數(shù)，Δ(t)=qcost+σsint，η為信號矢量歸一化系 數(shù)，σ為噪聲矢量歸一化系數(shù)；
[0044] 權(quán)向量進行迭代，直到
[0045]
[0046] 其中ζ> 0。
[0047] 作為優(yōu)選，所述ζ的取值范圍是0 <ζ< 1。
[0048] 作為優(yōu)選，波束形成器輸出的數(shù)據(jù)進行誤碼率抑制以后，輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過 模數(shù)轉(zhuǎn)換器后再傳送到功率放大器，經(jīng)過功率放大器再通過天線輸出。
[0049] 本發(fā)明提供的60GHz無線通信系統(tǒng)自適應(yīng)波束形成快速計算方法，所述自適應(yīng)波 束形成快速計算方法應(yīng)用在超高帶寬60GHz無線接收器的控制程序中。
[0050] 在60GHz無線通信系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，由于外部干擾阻擋的存在，如發(fā)送和接收 之間瞬間被障礙物阻擋等等，天線接收到的信號中可能存在某種比較少見、一般情況不考 慮的干擾信號，以及其他無法預(yù)知的有效信號迅速衰減，通過本方法在自相關(guān)矩陣中發(fā)送 訓(xùn)練序列期間天線陣所接收到的協(xié)助理信號f?、權(quán)矢量中的
9校正 函數(shù)以及第i次迭代的權(quán)向量的公式中的Λ(t)校正函數(shù)的綜合的補償和調(diào)整作用，可以 有效消除這些干擾。
[0051] 本方案把信號的恒模特性與特征空間法結(jié)合到了一起，運用已知的符號，形成了 一種改進的子空間半盲最小二乘恒模算法。
[0052] 本發(fā)明提供的60GHz無線通信系統(tǒng)自適應(yīng)波束形成快速計算方法，其基本思想就 是首先利用特征空間算法和噪聲空間消除法求出初始權(quán)矢量，消除噪聲，然后構(gòu)建虛擬的 訓(xùn)練序列，利用上述改進優(yōu)化的動態(tài)最小二乘恒模算法進行權(quán)矢量的迭代，從而降低計算 復(fù)雜度，大幅度縮短了 60GHz無線通信系統(tǒng)中自適應(yīng)波束形成計算耗時。本方案只能應(yīng)用 于信號空間維數(shù)小于天線陣元數(shù)的情況。
[0053] 本發(fā)明帶來的實質(zhì)性效果是，算法有著更好的特性，收斂速度較快，并且有著更 低的誤碼率，不會因為導(dǎo)頻信號占用信道資源而影響效率。
【附圖說明】
[0054] 圖1是本發(fā)明的一種計算過程流程圖。
【具體實施方式】
[0055] 下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明。
[0056] 實施例：本實施例的一種半盲動態(tài)恒模自適應(yīng)波束形成的方法，如圖1所示，包括 以下步驟：
[0057]