一種快速lms自適應(yīng)波束形成的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，旨在公開一種計算快速、穩(wěn)態(tài)失調(diào)小的波束形成方法，其算法為首先進(jìn)行權(quán)值的初始化設(shè)置，確定算法初始化條件；然后程序開始獲取輸入信號以及參考信號的值，對信號進(jìn)行濾波、誤差估計和變步長，求出權(quán)值更新向量。并判斷其是否收斂，若不收斂，則返回對輸出進(jìn)行濾波處理，若收斂，則算法結(jié)束。此方案適用于60GHz無線通信系統(tǒng)。
【專利說明】
一種快速LMS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)的快速 LMS自適應(yīng)波束形成的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能天線能有效地提高頻譜的利用率，是解決頻率資源匱乏的一種有效途徑，同 時還可以提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。它最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)聲納等軍用領(lǐng)域，由于價格等 因素一直未能普及到其他通信領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)越來越成熟。近年來，將它應(yīng)用 到民用移動通信中的研究也越來越受到關(guān)注。
[0003] 智能天線的核心技術(shù)之一就是自適應(yīng)數(shù)字波束形成技術(shù)。數(shù)字波束形成技術(shù)是將 天線與數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合，利用空間特性來改進(jìn)接收系統(tǒng)輸出信噪比的，通過軟件 編程在自適應(yīng)信號處理器上實現(xiàn)的。它不用對硬件做任何操作，只需通過修改軟件，就可以 方便地更新系統(tǒng)，以適應(yīng)不同環(huán)境和不同應(yīng)用場合的要求。數(shù)字波束形成智能天線可通過 自適應(yīng)算法調(diào)整加權(quán)值，任意改變方向圖，在有用信號方向形成主波束，而在其它用戶方向 增益較低或形成零陷，減少了其它用戶所引起的多址干擾，同時還可以降低接收信號的衰 落程度，提高系統(tǒng)性能。
[0004] 步長、信號到達(dá)角、陣元個數(shù)和陣元間距都會對60GHz無線通信天線輸出有影響。 當(dāng)系統(tǒng)確定后，步長、信號到達(dá)角、陣元個數(shù)和陣元間距等參數(shù)就已經(jīng)確定了，影響因素就 只剩下步長因子了，步長因子對算法的收斂速度影響很大。步長的合理選擇將對算法的收 斂速度、對時變天線陣系統(tǒng)的跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)誤差等產(chǎn)生直接的影響。為了能夠精確定位 感興趣的信號，可以通過減小步長來實現(xiàn)，但是太小的步長又將會降低算法的收斂速度，不 能使天線陣及時調(diào)整到最優(yōu)權(quán)值矢量。這一內(nèi)在的矛盾使得固定步長的自適應(yīng)LMS(最小 均方）算法在收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差之間不能同時滿足，實際應(yīng)用時，必須合理選擇步長，權(quán) 衡兩個性能之間的關(guān)系步長因子的取值對算法的性能起到至關(guān)重要的作用。作為調(diào)控算法 迭代過程中的唯一變量，步長因子的取值是影響自適應(yīng)LMS算法收斂速度快慢的至關(guān)重要 原因。因此，自適應(yīng)LMS算法性能的改進(jìn)也都圍繞著步長因子而進(jìn)行研究。
[0005] 傳統(tǒng)的LMS算法由于采用的是固定步長因子，算法在收斂速度、穩(wěn)態(tài)失調(diào)以及對 時變系統(tǒng)的跟蹤能力之間存在著很大的矛盾。即小的步長因子能夠保證算法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后 具有較小的失調(diào)誤差，但是算法收斂速度很差，并且對時變系統(tǒng)的跟蹤能力也會變差；另一 方面，大點(diǎn)的步長因子雖說確保了算法具有較快的收斂速度以及良好的時變系統(tǒng)的跟蹤能 力，但是這以大的穩(wěn)態(tài)失調(diào)作為代價。為了解決這對矛盾，變步長LMS算法應(yīng)運(yùn)而生，該類 算法的基本思想是，當(dāng)更新權(quán)系數(shù)距離最佳權(quán)系數(shù)較遠(yuǎn)時，選取較大的步長，以此加快算法 的收斂速度以及對時變系統(tǒng)的跟蹤能力；當(dāng)更新權(quán)系數(shù)接近最佳權(quán)系數(shù)時，釆用小步長，保 證算法在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后具有小的失調(diào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的一些變步長LMS算法仍然不能很好地解決 固定步長自適應(yīng)濾波算法存在的收斂速度、跟蹤速度和收斂精度之間的矛盾等技術(shù)問題， 提供一種應(yīng)用于60GHz無線通信系統(tǒng)的快速LMS自適應(yīng)波束形成計算方法，能在具有較高 的收斂速度、跟蹤速度同時確保收斂精度。
[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：一種快速LMS自 適應(yīng)波束形成的方法，包括以下步驟：
[0008] SO 1、天線陣接收原始信號X (η)，η = 1，2，......，N ;
[0009] S02、對權(quán)向量W(n)進(jìn)行初始化設(shè)置；
[0010] S03、計算天線陣的輸出 y (n) = WH(n)X(n);
[0011] S04、計算天線陣的誤差 e(n) = d(n)-XT(n)W(n);
[0012] S05、變步長 μ (η) = β (arcsinh ( a I e (n) 12)+sech ( a I e (n) I)-I);
[0013] S06、更新天線陣的 N 個權(quán)向量 W(n+1) = W(n)+2y (n)e(n)X(n);
[0014] S07、判斷是否收斂，如果不收斂，則挑轉(zhuǎn)到步驟S01，如果收斂則算法結(jié)束，天線陣 將處理后的信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0015] 其中，N為天線陣元數(shù)量，X(n)是輸入信號，d(n)是參考信號，參考信號為固定值， 也可以根據(jù)情況人為進(jìn)行調(diào)整，y(n)是輸出信號，e(n)是誤差信號，W(n)是權(quán)向量信號， μ (η)是變步長，μ (η)是e (η)的Sigmoid函數(shù)，α是控制Sigmoid函數(shù)形狀的常數(shù)，β是 控制Sigmoid函數(shù)范圍的常數(shù)，H為矩陣共軛轉(zhuǎn)置符號，T為矩陣轉(zhuǎn)置符號。
[0016] 作為優(yōu)選，所述收斂的判定方法為
[0017]
[0018] 其中，λ_是輸入信號向量自相關(guān)矩陣的最大特征值。
[0019] 作為優(yōu)選，所述步驟S02中，對權(quán)向量進(jìn)行初始化設(shè)置為將所有W(n)置為零。
[0020] 作為優(yōu)選，天線陣的波束形成器對輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率抑制以后，再輸入到模 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。
[0021] 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，通過本方法可以有效消除這些干 擾。該算法在輸入信號遭受大的干擾并且低信干比（SIR)時，算法的性能也不會收到影響， 算法在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后具有很小的失調(diào)。
[0022] 本發(fā)明帶來的實質(zhì)性效果是，很好地解決固定步長自適應(yīng)濾波算法存在的收斂速 度、跟蹤速度和收斂精度之間的矛盾。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的一種計算過程流程圖。
[0024] 圖2是本發(fā)明的一種基于快速LMS算法的智能天線自適應(yīng)波束形成器的結(jié)構(gòu)框 圖。
【具體實施方式】
[0025] 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(jìn)一步具體的說明。
[0026] 實施例：本實施例的一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，如圖1所示，其流程為 程序啟動后首先進(jìn)行權(quán)值的初始化設(shè)置，確定算法初始化條件；然后程序開始獲取輸入信 號以及參考信號的值，對信號進(jìn)行濾波、誤差估計和變步長，求出權(quán)值更新向量。并判斷其 是否收斂，若不收斂，則返回對輸出進(jìn)行濾波處理，若收斂，則算法結(jié)束。每次返回后需要更 新X (η)，參考信號d (η)也應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)。
[0027] 圖2是基于快速LMS算法的智能天線自適應(yīng)波束形成器的結(jié)構(gòu)框圖。來自天線 1，…天線η的信號Χ(η)經(jīng)過快速LMS算法后分別產(chǎn)生權(quán)向量W 1,...，Wn。輸入信號X然 后經(jīng)過權(quán)向量W進(jìn)行濾波后產(chǎn)生輸出信號y (η)，參考信號和輸出信號之差即是誤差信號， 快速LMS算法根據(jù)誤差信號更新權(quán)向量，該波束形成器是一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。圖中d(n)是 期望輸出值，e(n)是誤差，v(n)稱為主輸入端干擾，它可以具體化為測量噪聲等。
[0028] 具體處理過程如下：
[0029] ⑴權(quán)值的初始化設(shè)置。權(quán)向量W(n) (η= 1，2......，Ν)可為任意值，一般取值可 以為零。
[0030] (2)計算天線陣接收的信號X (η);
[0031] (3)計算天線陣的輸出y (n) = Wh (η) X (η)
[0032] (4)計算天線陣的誤差 e (η) = d (η)-XT (n) W (η);
[0033] (5)變步長 μ (η) = β (arcsinh ( α I e (η) 12)+sech ( α I e (η) I)-I)
[0034] (6)更新天線陣的N個權(quán)向量系數(shù)W(η+1) = W(η)+2 μ (η) e (η) X (η)
[0035] 其中，Χ(η)是輸入信號，d(n)是參考信號，y(n)是輸出信號，e(n)是誤差信號， W(n)是權(quán)向量信號，μ (η)是變步長，α >0是控制函數(shù)形狀的常數(shù)，β >0是控制函數(shù) 范圍的常數(shù)。其中（4)、（5)、（6)三式組成了改進(jìn)的算法的迭代公式。
[0036] 步長因子對算法的收斂速度影響很大。它的取值大小決定著算法的性能，太大或 者太小都不可取。步長因子取值過小，算法的收斂速度慢，跟不上信號的移動；步長因子取 值較大的話，會帶來很大的噪聲，直接影響系統(tǒng)的性能。因此，本專利步長因子的選擇， 從接收到的信號的統(tǒng)計特性分析估算一個值，按照最優(yōu)解的方向，由粗到細(xì)調(diào)整權(quán)值，步 長因子由大到小逐漸變化。該自適應(yīng)LMS算法的核心是采用如上述步驟（4)的步長因子迭 代公式。
[0037] 按照本發(fā)明提供的應(yīng)用于60GHz無線通信系統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成快速LMS計算方 法，所述自適應(yīng)波束形成快速LMS計算方法還包括對計算出來的信號的誤碼率采取抑制。
[0038] 按照本發(fā)明提供的自適應(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智能無線收發(fā)器芯片的控制程序中。
[0039] 本發(fā)明采用的波束形成技術(shù)的基本思想是：通過將各陣元接收到的信號進(jìn)行加權(quán) 求和，把天線陣列形成的波束"導(dǎo)向"到一個方向上，使期望用戶信號方向得到最大的輸出 功率，并相應(yīng)的對干擾信號進(jìn)行抑制。
[0040] 本發(fā)明提供的自適應(yīng)波束形成快速LMS計算方法，其基本思想就是在經(jīng)典的LMS 算法基礎(chǔ)上，采用可變步長，且增加權(quán)值更新迭代部分。從而降低計算復(fù)雜度，大幅度縮短 了自適應(yīng)波束形成計算耗時，同時對干擾信號有比較好的抑制作用。
[0041] 本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替 代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
[0042] 盡管本文較多地使用了權(quán)向量、步長等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。 使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加 的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
【主權(quán)項】
1. 一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，其特征在于，包括以下步驟： 501、 天線陣接收原始信號X(n)，n = 1，2，……，N; 502、 對權(quán)向量W(n)進(jìn)行初始化設(shè)置； 503、 計算天線陣的輸出y(n) = WH(n)X(n); 504、 計算天線陣的誤差e(n) =d(n)-XT(n)W(n); 505、 變步長 μ (η) = β (arcsinh(a |e(n) |2)+sech(a |e(n) |)-1); 506、 更新天線陣的 N 個權(quán)向量 W(n+1) =W(n)+2y (n)e(n)X(n); 507、 判斷是否收斂，如果不收斂，則挑轉(zhuǎn)到步驟SOI，如果收斂則算法結(jié)束，天線陣將處 理后的信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 其中，N為天線陣元數(shù)量，X(n)是輸入信號，d(n)是參考信號，y(n)是輸出信號，e(n) 是誤差號，W(n)是權(quán)向量信號，μ (η)是變步長，μ (η)是e (η)的Sigmoid函數(shù)，a是控 制Sigmoid函數(shù)形狀的常數(shù)，β是控制Sigmoid函數(shù)范圍的常數(shù)，Η為矩陣共軛轉(zhuǎn)置符號， Τ為矩陣轉(zhuǎn)置符號。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，其特征在于，所述收斂 的判定方法為：其中，λ_是輸入信號向量自相關(guān)矩陣的最大特征值。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，其特征在于，所述 步驟S02中，對權(quán)向量進(jìn)行初始化設(shè)置為將所有W(n)置為零。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，其特征在于，天線陣的 波束形成器對輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率抑制以后，再輸入到模數(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。
【文檔編號】H04B7/06GK106067839SQ201410339145
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2014年7月16日 公開號201410339145.4, CN 106067839 A, CN 106067839A, CN 201410339145, CN-A-106067839, CN106067839 A, CN106067839A, CN201410339145, CN201410339145.4
【發(fā)明人】梁海浪, 賀向陽, 金新友
【申請人】浙江博耀微電子科技有限公司