一種自適應(yīng)波束成形中快速生成阻塞矩陣的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種自適應(yīng)波束成形中快速生成阻塞矩陣的方法，屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。本方法首先生成列正交矩陣Q并在接收機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)Q，矩陣Q的第一列元素全為1，大小為M×M，M為天線數(shù)，然后計(jì)算獲取各接收天線的期望信號(hào)來波方向的陣簇矢量，得到由陣簇矢量所構(gòu)成的對(duì)角矩陣Cd，最后通過矩陣相乘，得到矩陣B＝Cd×Q，取矩陣B的第2列到第M列組合得到阻塞矩陣。本發(fā)明方法通過兩矩陣相乘獲取阻塞矩陣，無需進(jìn)行矩陣特征值分解和解方程等復(fù)雜運(yùn)算，計(jì)算復(fù)雜度降低，提高了阻塞矩陣的計(jì)算效率，提高了自適應(yīng)波束成形系統(tǒng)的處理效率。
【專利說明】一種自適應(yīng)波束成形中快速生成阻塞矩陣的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信的【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及基于廣義旁瓣對(duì)消結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)波束成形中阻塞矩陣的快速生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]波束成形是一種接收定向信號(hào)和濾除定向干擾的方法。接收端波束成形的主要工作原理是通過調(diào)整天線陣，使得天線方向圖在期望信號(hào)來向上無衰減，而在干擾方向形成零陷，從而獲取期望信號(hào)，濾除干擾。
[0003]波束成形技術(shù)最初來源于雷達(dá)領(lǐng)域的天線陣列。目前，除了軍事領(lǐng)域，天線陣列在天文學(xué)、地震學(xué)等領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用，射電天文系統(tǒng)、聲吶、地震勘探系統(tǒng)等都用到了天線陣列技術(shù)。在目前的3G通信中，中國移動(dòng)通信的TD-SCDMA的關(guān)鍵技術(shù)中的智能天線也是波束成形技術(shù)的一個(gè)體現(xiàn)，而在LTE的關(guān)鍵技術(shù)中所述的MIMO(Multiple-1nputMultiple-Output，多輸入多輸出)技術(shù)實(shí)際上也是波束成形的應(yīng)用?？梢姡赃m應(yīng)波束成形技術(shù)在當(dāng)今多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域都有著廣泛地應(yīng)用。
[0004]自適應(yīng)波束成形是通過加入自適應(yīng)算法，使系統(tǒng)能夠根據(jù)輸出結(jié)果算出誤差，然后自動(dòng)修改天線增益和相位，從而改變方向圖，其工作基本流程如圖1所示。因此，當(dāng)干擾的來波方向與信號(hào)的來波方向不同時(shí)，可以用自適應(yīng)波束成形的方法形成一個(gè)零陷對(duì)準(zhǔn)干擾，從而大大降低干擾的影響。在通信系統(tǒng)中，假設(shè)接收機(jī)知道自己的位置，也知道發(fā)射機(jī)的位置(通過導(dǎo)航信息和信令網(wǎng)傳遞)，那么接收機(jī)可以確定期望信號(hào)的來波方向。雖然接收機(jī)不知道干擾的來波方向，但可以通過最小化輸出功率或廣義旁瓣對(duì)消等準(zhǔn)則以自適應(yīng)濾波的方式訓(xùn)練出來所需要的天線陣加權(quán)系數(shù)向量。
[0005]隨著人們對(duì)信息技術(shù)依賴的增加，現(xiàn)代通信對(duì)于數(shù)據(jù)率和通信可靠度有著越來越高的要求，這就對(duì)通信系統(tǒng)的運(yùn)算速率和工作效率提高了要求。阻塞矩陣在廣義旁瓣對(duì)消器中主要是為了找出有用信號(hào)陣簇矢量的零空間，以保證自適應(yīng)過程不會(huì)刪除有用信號(hào)。而在當(dāng)前的通信系統(tǒng)中，普遍應(yīng)用的阻塞矩陣設(shè)計(jì)方法是通過對(duì)陣簇矢量左乘其自身的共軛轉(zhuǎn)置后所構(gòu)成的正規(guī)矩陣進(jìn)行特征值分解，求得相互正交的特征向量，并由這些特征向量構(gòu)造而成的。這種方法使得接收機(jī)的計(jì)算量較大，占用了系統(tǒng)資源且降低了處理速率，而自適應(yīng)波束成形的算法關(guān)系著一個(gè)通信系統(tǒng)的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有獲取阻塞矩陣存在計(jì)算量大、占用系統(tǒng)資源多及降低了處理速率的問題，提供了一種自適應(yīng)波束成形中快速生成阻塞矩陣的方法，本發(fā)明方法目的在于提高阻塞矩陣的計(jì)算效率，縮短系統(tǒng)處理時(shí)間，從而提高通信系統(tǒng)效率。
[0007]本發(fā)明的一種自適應(yīng)波束成形中快速生成阻塞矩陣的方法，具體步驟如下:
[0008]步驟1:生成列正交矩陣Q，矩陣Q具有如下特點(diǎn):第一列元素全為1，大小為MXM，M為接收機(jī)天線的數(shù)量；存儲(chǔ)矩陣Q在接收機(jī)存儲(chǔ)器中；[0009]步驟2:確定各接收天線的期望信號(hào)來波方向的陣簇矢量c，c = [C1, C2, - ,Ci,…，cM]T,Ci(i=l, 2，…，Μ)表示陣簇矢量中第i個(gè)接收天線的期望信號(hào)來波方向?qū)?yīng)的相位附加值，然后構(gòu)造對(duì)角矩陣Cd=CliagIc1, C2,…，Cm^1, cm}；
[0010]步驟3:獲得矩陣B=CdXQ,取矩陣B的第2列到第M列組成阻塞矩陣Ca。
[0011]步驟I中所述的矩陣Q可采用現(xiàn)有的特殊矩陣，如Hadamard矩陣(阿達(dá)馬矩陣)、DFT矩陣(離散傅里葉變換矩陣)等，也可采用現(xiàn)有特殊矩陣的初等變換形式；或者通過Schmidt正交化方法由一組事先給定的基經(jīng)過正交化后再經(jīng)過初等變換得來。
[0012]步驟3所得的阻塞矩陣Ca的初等變換形式C’ a也符合CHC’ a=0,因此C’ a也可作為阻塞矩陣來使用。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于:采用傳統(tǒng)方法獲取阻塞矩陣時(shí)，包含較多的稠密矩陣之間的運(yùn)算，總的計(jì)算復(fù)雜度約為o(m3)，m為天線數(shù)，而本發(fā)明方法中通過兩矩陣相乘獲取阻塞矩陣，其中一個(gè)矩陣為對(duì)角矩陣，實(shí)際上的操作是矩陣做行擴(kuò)張，即每行擴(kuò)大一個(gè)特定的倍數(shù)，復(fù)雜度約為0(M2);本發(fā)明無需進(jìn)行矩陣特征值分解和解方程這些復(fù)雜運(yùn)算，只需進(jìn)行一次矩陣乘法，在計(jì)算復(fù)雜度上要明顯低于傳統(tǒng)方法，隨著M值的增大，本發(fā)明方法的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯；本發(fā)明方法提高了阻塞矩陣的計(jì)算效率，解決了現(xiàn)有獲取阻塞矩陣存在的計(jì)算量大、占用系統(tǒng)資源多及降低了處理速率的問題，縮短了系統(tǒng)處理時(shí)間，從而提高通信系統(tǒng)效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為自適應(yīng)波束成形的基本過程示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明方法所應(yīng)用的自適應(yīng)廣義旁瓣對(duì)消器的結(jié)構(gòu)示意圖；
`[0016]圖3為本發(fā)明生成阻塞矩陣的流程圖；
[0017]圖4為采用本發(fā)明方法生成的信號(hào)方向?yàn)?°，干擾方向?yàn)?0°時(shí)的天線方向圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0019]廣義旁瓣對(duì)消器又叫做線性約束最小方差濾波器，它是在給定一組線性約束的條件下，使濾波器輸出的均方誤差最小，也就是在干擾消除的應(yīng)用背景下，保證期望信號(hào)功率不變的情況下，盡可能地消除干擾的影響，從而使總輸出功率最小。因此，廣義旁瓣對(duì)消器的自適應(yīng)濾波算法要求知道期望信號(hào)的來波方向。
[0020]如圖1所示，自適應(yīng)濾波算法包含三個(gè)基本過程:
[0021]1.濾波過程:計(jì)算濾波器輸出對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)；
[0022]2.誤差計(jì)算:通過比較輸出結(jié)果與期望響應(yīng)產(chǎn)生估計(jì)誤差；
[0023]3.自適應(yīng)過程:根據(jù)估計(jì)誤差自動(dòng)調(diào)整濾波器參數(shù)，針對(duì)不同的性能準(zhǔn)則將采用不同的自適應(yīng)算法。
[0024]對(duì)于天線數(shù)為M的系統(tǒng)，考慮均勻平面波入射的窄帶信號(hào)，第k個(gè)入射信號(hào)的陣簇矢量c ( Θ k)為:
[0025]C(Ok) = \l,eiek,---,e uo' f
[0026]9 k表不第k個(gè)入射信號(hào)的來波方向。[0027]設(shè)第k個(gè)入射信號(hào)所對(duì)應(yīng)的第n個(gè)發(fā)射符號(hào)為b(k) (η)，發(fā)射信號(hào)幅度為Ak，噪聲為V (n)，接收到的所有信號(hào)的總和可以表示為u (η):
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種自適應(yīng)波束成形中快速生成阻塞矩陣的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:生成列正交矩陣Q，矩陣Q具有如下特點(diǎn):第一列元素全為1，大小為MXM，M為接收機(jī)天線的數(shù)量；存儲(chǔ)矩陣Q在接收機(jī)存儲(chǔ)器中； 步驟2:確定各接收天線的期望信號(hào)來波方向的陣簇矢量c，c = [C1, C2,…，Ci,…，cM]T，Ci(i=l, 2，…，Μ)表示陣簇矢量中第i個(gè)接收天線的期望信號(hào)來波方向?qū)?yīng)的相位附加值，然后構(gòu)造對(duì)角矩陣Cd=CliaglC1, C2,…，Cm^1, cm}； 步驟3:獲得矩陣B=CdXQ,取矩陣B的第2列到第M列組成阻塞矩陣Ca。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)波束成形中快速生成阻塞矩陣的方法，其特征在于，步驟I所述的列正交矩陣Q，采用特殊矩陣或者特殊矩陣的初等變換形式，特殊矩陣包括阿達(dá)馬矩陣和DFT矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)波束成形中快速生成阻塞矩陣的方法，其特征在于，步驟I所述的列正交矩陣Q，通過Schmidt正交化方法由一組給定的基經(jīng)過正交化后再經(jīng)過初等變換得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)波束成形中快速生成阻塞矩陣的方法，其特征在于，所述步驟3得到的阻塞矩 陣Ca，將其初等變換形式C’ a作為阻塞矩陣來使用。
【文檔編號(hào)】H04B7/06GK103873127SQ201410136441
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】吳迪, 田亞飛, 李洋 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)