一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法技术

本发明专利技术涉及一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，是一种根据实际情况通过调整ｎ个天线单元的波束赋形参数Ｗ（ｎ）实现天线阵列任意赋形的方法。包括：设定所要求解的Ｗ（ｎ）的精度即调整步长；设定一组初始值Ｗ↓［０］（ｎ）、一组初值ε↓［０］、记数变量、门限值Ｍ和天线单元发射功率的最大值Ｔ（ｎ）；进入循环反馈的对Ｗ（ｎ）的调整过程。以最小方差原则采用逐步逼近的办法来调整天线辐射参数，使天线阵列的实际覆盖范围在局部最优的条件下逼近所需要求。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用于蜂窝移动通信系统的智能天线阵列技术，更确切地说是涉及一种可改进智能天线阵列覆盖范围的方法。在应用智能天线的蜂窝移动通信系统中，智能天线阵列一般装备在无线基站中，该智能天线阵列必须能用两种赋形波束发射和接收信号一种是固定的赋形波束，另一种是动态的赋形波束。固定的赋形波束，如全向、带状、扇形波束赋形方式，主要用于发送如广播、寻呼等的全向信息；动态的赋形波束主要用于跟踪用户，将用户数据、信令等信息传送给特定的用户。附附图说明图1示出一种蜂窝移动通信网小区分布示意结构。在蜂窝移动通信系统的工程设计中，通讯网的覆盖范围是设计中首先应考虑的问题，一般情况下将无线基站的智能天线阵列设计在小区的中心处，如图中黑点11所示，大多数的小区具有正圆形的覆盖范围，如图中正圆形12所示，同时，部分小区将要求具有不对称圆形的覆盖范围，如图中不对称圆形13所示，和具有条形的覆盖范围，如图中条形14所示。这些正圆形12、不对称圆形13及条形14相互重叠，以达到缝隙覆盖的效果。众所周知，天线阵列的功率辐射图形是由构成天线阵列的天线单元的几何排列形状、各天线单元的特性以及每个天线单元辐射电平的相位、幅度等参数确定的。在设计一个天线阵列时，为保证设计的通用性，一般都是在比较理想的环境下进行的，该理想的环境包括自由空间、设备正常工作等。但当设计好的天线阵列工作在实际的蜂窝移动通信系统中时，由于天线阵列架设的地点不同、位置不同，受周围地物、地貌和建筑物的高度及其排列等因数的影响，天线阵列的实际功率覆盖范围必然发生变化。附图2示出(可以是附图1的局部)，由于地形地貌等原因，移动通信网所需覆盖范围21(正圆形)与实际达到的覆盖范围22间的差异(图中23为小区中心)，实际达到的覆盖范围可以通过现场测量获得。由于每个小区都可能出现这样的差异，因此，如果不进行现场调整，则移动通信网的覆盖范围会变得很差。此外，就是当天线阵列中的个别天线单元(包括天线、馈线电缆和与其相关联的射频收发信机)不能正常工作或因网络的覆盖要求需要重新配置天线阵列时，也必须对天线阵列的覆盖范围进行实时调整，以满足新要求下的良好小区覆盖范围。该调整的原则作法是在对小区进行全向覆盖的固定波束赋形的基础上实现智能天线阵列对单个用户终端的动态波束赋形(动态定向辐射波束)。若用A(φ)……(公式1)表示希望得到的赋形波束的形状参数，即所需的覆盖范围，其中φ表示观察点的极坐标角度，A(φ)是相同距离下φ方向的辐射强度。设构成智能天线阵列的天线的根数为N，其中任一个天线单元n的位置参数为D(n)，其波束赋形参数为W(n)，其对方向角为φ的辐射功率P，即实际达到的覆盖范围表示为 公式2中的f(φ,D(n))的函数形式与智能天线阵列的类型有关。在地面移动通信系统中，通常仅需考虑平面上的二维覆盖，而按天线的排列来分，使用的天线阵列包括有线形阵列与环形阵列，圆形阵列是一种特殊的环形阵列(见中国专利97201577.6)。在具有蜂窝结构的移动通信系统中，为实现分扇区的覆盖，通常使用线形阵列，而为实现全向覆盖，则采用圆形阵列。本专利技术以圆阵列为例说明。若为圆形阵列，则D(n)=2×(n-1)×π/N；f(φ,D(n))=exp(j×2×r/λ×π×cos(φ-D(n)))(求指数)。其中r是圆形天线阵列的半径，λ是工作波长。图3中给出由8根天线构成的圆形天线阵列所形成的正圆形覆盖范围的全向波束赋形功率方向，图中所示数字1.0885、2.177、3.2654的平方表示功率。采用最小方差算法，可使公式3中的方差ε最小 公式3中，K是采用逼近方法时的采样点的数目，C(i)是一个权重。如果对某些点的逼近要求高，就可以将C(i)设得高一些，相反则可将其设得小一些，在所有点的逼近要求一致时，一般将C(i)设计成1。此外，考虑到每个天线单元的发射功率是受到限制的，用W(n)的幅值代表某个天线单元天线发射的功率，在设定的每个天线单元发射功率的最大值为T(n)时，其受限条件可表示为｜W(n)｜≤T(n)1/2……(条件1)显然，要在受限制的范围内求出每个天线单元发射功率的最优值，除非在特殊情况下可直接通过公式求解，一般只能通过选定且对待求的W(n)的精度进行穷举求解，而采用穷举求解方法的计算量是相当大的，且与天线单元的数目N成指数关系，虽然可通过逐步提高精度及减少求值范围的方法来减小计算量，但即使只求出次优值，其运算量仍然太大。本专利技术的目的是设计，可根据实际需要来调整构成天线阵列的天线单元的参数，使天线阵列达到所需的特定波束赋形，可在受限制的范围内快速求出每个天线单元发射功率的最优值、获得局部最佳效果。本专利技术的目的是这样实现的，是一种根据实际情况调整构成N天线阵列的每个天线单元n波束赋形参数W(n)的方法，其特征在于包括设定所要求解的W(n)的精度即调整步长；为N天线阵列的每个天线单元n设定一个波束赋形参数的初始值，形成一组W(n)的初始值W0(n)、一组最小方差ε的初值ε0、记录最小调整次数的记数变量、决定终止调整的门限值M和每个天线单元n发射功率幅度的最大值T(n)；进入循环反馈的对W(n)的调整过程，包括产生一个随机数；由设定的步长决定变化的大小和计算新的W(n)；在判断W(n)小于T(n)时计算最小方差ε；在比较ε大于ε0时保留原来的ε和使记数变量加1，反复进行上述过程直至记数变量大于门限值M时终止调整获得结果，记录并保留最后的W(n)，并用新的ε代替原来的ε0。所述的在比较ε与ε0时，当ε小于ε0，则记录并保留这次调整计算的W(n)，并用新计算的ε代替原来的ε0，同时使记数变量置零。本专利技术的改进智能天线阵列覆盖范围的方法，实际上是一种基带数字信号处理方法，是针对使用智能天线阵列的无线基站对小区作全向覆盖的固定波束赋形时，可有效改进智能天线阵列覆盖范围的方法。通过调整天线阵列中每个天线单元的参数来改变智能天线阵列覆盖区域的大小及形状，使之在最小方差的原则下获得与要求相吻合的局部最佳效果。本专利技术的方法是根据移动通信网工程设计所需的有关覆盖区域大小、形状的参数和实际实现的小区覆盖的差别，以最小方差原则采用逐步逼近的办法来调整天线辐射参数，使天线阵列的实际覆盖范围在局部最优的条件下逼近所需要求。本专利技术方法的一种应用场合是在智能天线阵列的安装现场，通过调节天线阵列中每个天线单元的参数，来改变智能天线阵列覆盖区域的大小及形状，使之在最小方差的原则下获得与期望的赋形波束形状极为逼近的全向辐射赋形波束，具有与要求相吻合的局部最佳结果。本专利技术方法的另一种应用场合是当组成智能天线阵列中的部分天线单元由于工作不正常而被关闭时，可以立即调整其它正常工作的天线单元的天线辐射参数，立即恢复对小区的全向覆盖。下面结合实施例及附图进一步说明本专利技术的技术。图1是蜂窝移动通信网小区分布结构示意2是需要的小区覆盖与实际的小区覆盖间存在差异的示意3是8天线阵列正圆形覆盖全向波束赋形功率方向示意4是以固定步长快速改进天线阵列波束赋形范围的流程框5是以可变步长快速改进天线阵列波束赋形范围的流程框6是在有终止条件时，以可变步长快速改进天线阵列波束赋形范围的流程框7、图8分别是在有一个天线单元不工作时的8天线阵列正圆形覆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，是一种根据实际情况调整构成Ｎ天线阵列的每个天线单元ｎ波束赋形参数Ｗ（ｎ）的方法，其特征在于包括： 设定所要求解的Ｗ（ｎ）的精度即调整步长； 为Ｎ天线阵列的每个天线单元ｎ设定一个波束赋形参数的初始值，形成一组Ｗ（ｎ）的初始值Ｗ↓［０］（ｎ）、一组最小方差ε的初值ε↓［０］、记录最小调整次数的记数变量、决定终止调整的门限值Ｍ和每个天线单元ｎ发射功率幅度的最大值Ｔ（ｎ）； 进入循环反馈的对Ｗ（ｎ）的调整过程，包括产生一个随机数；由设定的步长决定变化的大小和计算新的Ｗ（ｎ）；在判断Ｗ（ｎ）小于Ｔ（ｎ）时计算最小方差ε；在比较ε大于ε↓［０］时保留原来的ε和使记数变量加１，反复进行上述过程直至记数变量大于门限值Ｍ时终止调整获得结果，记录并保留最后的Ｗ（ｎ），并用新的ε代替原来的ε↓［０］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰，冉晓龙，
申请(专利权)人：信息产业部电信科学技术研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]