基于自相关互补矩阵的全方向波束赋形设计方法技术

本发明专利技术属于公共信号传输技术领域，具体为一种均匀矩形阵列下基于自相关互补矩阵的全方向波束赋形设计方法。本发明专利技术方法针对两种互补矩阵：一对格雷互补矩阵，四个自相关互补矩阵；具体步骤包括：将待发送的数据流进行空时块编码，得到编码后的数据流；对互补矩阵构建均匀矩形阵列对应的全方向波束赋形矩阵；根据构建的全方向波束赋形矩阵对编码后的数据流进行波束赋形，以生成均匀矩形阵列天线的待发射信号，以使用户端接收信号处理后的信号噪声比与待发射信号的发射方向角无关且为一定值。本发明专利技术能在各个方向达到完美全向的波束图，且码字具有恒模特性，使得整个波束赋形方案可以仅使用模拟域波束赋形架构高效实现，有助于降低硬件复杂度。低硬件复杂度。低硬件复杂度。

【技术实现步骤摘要】
基于自相关互补矩阵的全方向波束赋形设计方法


[0001]本专利技术属于公共信号传输
，具体涉及基于自相关互补矩阵的全方向波束赋形设计方法。

技术介绍

[0002]大规模天线是实现5G商用的关键技术之一，天线规模增大之后为了便于产品化，其实现更倾向于使用均匀矩形阵列。对于部署均匀矩形阵列的基站端，实现公共信号的全方向传输与全小区覆盖是提升整体网络性能的关键因素之一。
[0003]针对上述问题，现有的研究工作几乎没有。大部分研究工作都集中于研究均匀线性阵列下的全方向传输问题。因此，如何在均匀矩形阵列下实现公共信号的全方向传输是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种均匀矩形阵列下能够实现公共信号全方向传输的基于自相关互补矩阵的全方向波束赋形设计方法。
[0005]本专利技术提供的均匀矩形阵列下基于自相关互补矩阵的全方向波束赋形设计方法，针对两种互补矩阵：一种是一对格雷互补矩阵，另一种四个自相关互补矩阵；具体步骤如下：
[0006]第一步，将待发送的数据流进行空时块编码(STBC)，得到编码后的数据流。
[0007]第二步，采用一对格雷互补矩阵和四个自相关互补矩阵中的任意一种，构建均匀矩形阵列对应的全方向波束赋形矩阵。
[0008]第三步，根据上述第二步中构建的全方向波束赋形矩阵对上述第一步中编码后的数据流进行波束赋形，以生成上述第二步中均匀矩形阵列天线的待发射信号，以使上述第二步中均匀矩形阵列天线所对应的用户端接收信号处理后的信号噪声比与所述待发射信号的发射方向角无关且为一定值。
[0009]第一步中，所述编码后的数据流具体如下：
[0010]将输入的数据流经过空时块编码，得到编码后的数据流为[s1(t)，s2(t)，...，s
N
(t)]T
，这里整数t是时间索引，s的下标是空域的索引，(
·
)
T
表示转置操作。
[0011]第二步中，所述均匀矩形阵列由L
×
M根天线组成，L、M为天线阵列的行和列，它关于空间角度处的阵列响应可表示如下：
[0012][0013]for l＝1，2，
…
，L；m＝1，2，
…
，M；
[0014][0015]其中：表示均匀矩形阵列天线的方向矢量矩阵，以均匀矩形阵列天线所在平面中的任一点为坐标原点，以均匀矩形阵列天线所在平面为xoy平面且以均匀矩形
阵列天线所在平面的法向量为z轴建立空间直角坐标系，表示在空间直角坐标系中发射信号的发射方向与z轴之间的夹角，θ表示在空间直角坐标系中发射信号的发射方向在xoy平面上的投影与x轴之间的夹角，d
y
和d
x
分别表示均匀矩形阵列相邻天线在y
‑
轴和x
‑
轴上的间距，λ表示发射信号波长。
[0016]第二步中，若所述均匀矩形阵列的行数的一半L/2和列数M均为复格雷数，当采用所述一对格雷互补矩阵构建全方向波束赋形矩阵时，所述全方向波束赋形矩阵为：
[0017][0018]其中，表示共轭翻转操作，序列a和b为一对长度为L/2的格雷互补序列，序列c和d为一对长度为M的格雷互补序列。
[0019]第二步中，若所述均匀矩形阵列的行数L和列数的一半M/2均为复格雷数，当采用所述一对格雷互补矩阵构建全方向波束赋形矩阵时，所述全方向波束赋形矩阵为：
[0020][0021]其中，则序列a和b为一对长度为M/2的格雷互补序列，序列c和d为一对长度为L的格雷互补序列。
[0022]第二步中，当采用所述四个自相关互补矩阵构建全方向波束赋形矩阵时，所述全方向波束赋形矩阵为：
[0023][0024]其中，若均匀矩形阵列的行数L和列数M均为复格雷数，则序列a和b为一对长度为L的格雷互补序列，序列a和b为一对长度为M的格雷互补序列。
[0025]第三步中，利用N个波束赋形矩阵W
n
(本专利技术中考虑N＝2和N＝4的情况)，对上述经过空时块编码后的数据流进行波束赋形，得到待发送信号，具体如下：
[0026][0027]其中：是对符号s
n
(t)的空域波束赋形，n＝1，...，N，N为正整数，将预编码后的X(t)映射到L
×
M的均匀矩形阵列上，L、M为天线阵列的行和列，整数t是时间索引。
[0028]第三步中，所述用户端接收信号处理后的信号噪声比为：
[0029][0030]其中，vec表示矩阵列向量化。
[0031]本专利技术方法的优点：
[0032](1)得到了理论上完全满足公共信号全方向传输的两种波束赋形设计，在空间任意一点上都有相同的阵列响应；
[0033](2)本专利技术中的两种全方向波束赋形设计可以与Alamouti码，4x4 STBC码，或是正交双极化天线相结合，硬件实现复杂度低；
[0034](3)所得波束赋形矩阵非零元素具有恒模性质，分别可以使用图3的全连接射频波束赋形结构和图4的部分连接射频波束赋形结构进行实现，可以大大提升射频端功率效率。
[0035]本专利技术能对两种互补矩阵情形都能在各个方向达到完美全向的波束图，且码字具有恒模特性，使得整个波束赋形方案可以仅使用模拟域波束赋形架构高效实现，有助于降低硬件复杂度。
附图说明
[0036]图1为均匀矩形阵列图示。
[0037]图2为公共信号全方向传输系统图示。
[0038]图3为全连接射频波束赋形结构。
[0039]图4为部分连接射频波束赋形结构。
[0040]图5为基于一对格雷互补矩阵的波束赋形设计的空间波束图。
[0041]图6为两种波束赋形设计的误码率性能图。
具体实施方式
[0042]下面将结合本专利技术实施例中附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0043]如图1所示，一种全方向波束赋形方法，应用于基站，基站设置有均匀矩形阵列天线，均匀矩形阵列天线由L
×
M根天线组成的，L、M为天线阵列的行和列，全方向波束赋形方法包括：
[0044]第一步，将待发送的数据流进行空时块编码(STBC)，得到编码后的数据流。
[0045]其中，在基站端，通常将输入的数据流进行空时块编码。
[0046]第一步中，所述编码后的数据流具体如下：
[0047]将输入的数据流经过空时块编码，得到编码后的数据流为[s1(t)，s2(t)，...，s
N
(t)]T
，这里整数t是时间索引，s的下标是空域的索引，(
·
)
T
表示转置操作。
[0048]第二步，采用一对格雷互补矩阵和四个自相关互补矩阵中的任意一种构建均匀矩形阵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自相关互补矩阵的全方向波束赋形设计方法，针对如下两种互补矩阵：一对格雷互补矩阵，四个自相关互补矩阵；具体步骤如下：第一步，将待发送的数据流进行空时块编码，得到编码后的数据流；记该数据流为[s1(t),s2(t),
…
,s
N
(t)]
T
，这里整数t是时间索引,s的下标是空域的索引，(
·
)
T
表示转置操作；第二步，采用一对格雷互补矩阵和四个自相关互补矩阵中的任意一种，构建均匀矩形阵列对应的全方向波束赋形矩阵；第三步，根据第二步中构建的全方向波束赋形矩阵对第一步中编码后的数据流进行波束赋形，以生成上述第二步中均匀矩形阵列天线的待发射信号，以使第二步中均匀矩形阵列天线所对应的用户端接收信号处理后的信号噪声比与所述待发射信号的发射方向角无关且为一定值；第二步中，所述均匀矩形阵列由L
×
M根天线组成，L、M为天线阵列的行和列，它关于空间角度处的阵列响应表示如下：for l＝1,2,
…
,L；m＝1,2,
…
,M；θ∈[0,2π]；其中：表示均匀矩形阵列天线的方向矢量矩阵，以均匀矩形阵列天线所在平面中的任一点为坐标原点，以均匀矩形阵列天线所在平面为xoy平面且以均匀矩形阵列天线所在平面的法向量为z轴建立空间直角坐标系，表示在空间直角坐标系中发射信号的发射方向与z轴之间的夹角，θ表示在空间直角坐标系中发射信号的发射方向在xoy平面上的投影与x轴之间的夹角，d
y
和d
x
分别表示均匀矩形阵列相邻天线在y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋轶，李峰杰，杜城，王昕，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：