一种自适应波束成形中快速生成阻塞矩阵的方法技术

本发明专利技术提供了一种自适应波束成形中快速生成阻塞矩阵的方法，属于无线通信技术领域。本方法首先生成列正交矩阵Q并在接收机存储器中存储Q，矩阵Q的第一列元素全为1，大小为M×M，M为天线数，然后计算获取各接收天线的期望信号来波方向的阵簇矢量，得到由阵簇矢量所构成的对角矩阵C

Method for rapidly generating blocking matrix in adaptive beam forming

The invention provides a method for rapidly generating a blocking matrix in adaptive beam forming, which belongs to the field of wireless communication technology. This method first row orthogonal matrix Q and stored in the memory in the Q receiver, the first column of matrix Q is 1, the size of M * M, M is the number of antenna array, and then obtained the desired signal vector cluster each receiving antenna to wave direction, the angle formed by C matrix array cluster vector

【技术实现步骤摘要】
一种自适应波束成形中快速生成阻塞矩阵的方法
本专利技术属于无线通信的
，涉及基于广义旁瓣对消结构的自适应波束成形中阻塞矩阵的快速生成方法。
技术介绍
波束成形是一种接收定向信号和滤除定向干扰的方法。接收端波束成形的主要工作原理是通过调整天线阵，使得天线方向图在期望信号来向上无衰减，而在干扰方向形成零陷，从而获取期望信号，滤除干扰。波束成形技术最初来源于雷达领域的天线阵列。目前，除了军事领域，天线阵列在天文学、地震学等领域也有着广泛应用，射电天文系统、声呐、地震勘探系统等都用到了天线阵列技术。在目前的3G通信中，中国移动通信的TD-SCDMA的关键技术中的智能天线也是波束成形技术的一个体现，而在LTE的关键技术中所述的MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出)技术实际上也是波束成形的应用。可见，自适应波束成形技术在当今多个学科和领域都有着广泛地应用。自适应波束成形是通过加入自适应算法，使系统能够根据输出结果算出误差，然后自动修改天线增益和相位，从而改变方向图，其工作基本流程如图1所示。因此，当干扰的来波方向与信号的来波方向不同时，可以用自适应波束成形的方法形成一个零陷对准干扰，从而大大降低干扰的影响。在通信系统中，假设接收机知道自己的位置，也知道发射机的位置(通过导航信息和信令网传递)，那么接收机可以确定期望信号的来波方向。虽然接收机不知道干扰的来波方向，但可以通过最小化输出功率或广义旁瓣对消等准则以自适应滤波的方式训练出来所需要的天线阵加权系数向量。随着人们对信息技术依赖的增加，现代通信对于数据率和通信可靠度有着越来越高的要求，这就对通信系统的运算速率和工作效率提高了要求。阻塞矩阵在广义旁瓣对消器中主要是为了找出有用信号阵簇矢量的零空间，以保证自适应过程不会删除有用信号。而在当前的通信系统中，普遍应用的阻塞矩阵设计方法是通过对阵簇矢量左乘其自身的共轭转置后所构成的正规矩阵进行特征值分解，求得相互正交的特征向量，并由这些特征向量构造而成的。这种方法使得接收机的计算量较大，占用了系统资源且降低了处理速率，而自适应波束成形的算法关系着一个通信系统的效率。
技术实现思路
本专利技术针对现有获取阻塞矩阵存在计算量大、占用系统资源多及降低了处理速率的问题，提供了一种自适应波束成形中快速生成阻塞矩阵的方法，本专利技术方法目的在于提高阻塞矩阵的计算效率，缩短系统处理时间，从而提高通信系统效率。本专利技术的一种自适应波束成形中快速生成阻塞矩阵的方法，具体步骤如下：步骤1：生成列正交矩阵Q，矩阵Q具有如下特点：第一列元素全为1，大小为M×M，M为接收天线的数量；存储矩阵Q在接收机存储器中；步骤2：确定各接收天线的期望信号来波方向的阵簇矢量c，c＝[c1,c2,…,ci,…,cM]T，ci(i＝1,2,…,M)阵簇矢量中第i个接收天线的期望方向信号与第1个接收天线的期望方向信号之间的相位差，然后构造对角矩阵Cd＝diag{c1,c2,…,cM-1,cM}；步骤3：获得矩阵B＝Cd×Q，取矩阵B的第2列到第M列组成阻塞矩阵Ca。步骤1中所述的矩阵Q可采用现有的特殊矩阵，如Hadamard矩阵(阿达马矩阵)、DFT矩阵(离散傅里叶变换矩阵)等，也可采用现有特殊矩阵的初等变换形式；或者通过Schmidt正交化方法由一组事先给定的基经过正交化后再经过初等变换得来。步骤3所得的阻塞矩阵Ca的初等变换形式C'a也符合CHC'a＝0，因此C'a也可作为阻塞矩阵来使用。本专利技术的优点与积极效果在于：采用传统方法获取阻塞矩阵时，包含较多的稠密矩阵之间的运算，总的计算复杂度约为O(M3)，M为天线数，而本专利技术方法中通过两矩阵相乘获取阻塞矩阵，其中一个矩阵为对角矩阵，实际上的操作是矩阵做行扩张，即每行扩大一个特定的倍数，复杂度约为O(M2)；本专利技术无需进行矩阵特征值分解和解方程这些复杂运算，只需进行一次矩阵乘法，在计算复杂度上要明显低于传统方法，随着M值的增大，本专利技术方法的优势会更加明显；本专利技术方法提高了阻塞矩阵的计算效率，解决了现有获取阻塞矩阵存在的计算量大、占用系统资源多及降低了处理速率的问题，缩短了系统处理时间，从而提高通信系统效率。附图说明图1为自适应波束成形的基本过程示意图；图2为本专利技术方法所应用的自适应广义旁瓣对消器的结构示意图；图3为本专利技术生成阻塞矩阵的流程图；图4为采用本专利技术方法生成的信号方向为0°，干扰方向为20°时的天线方向图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。广义旁瓣对消器又叫做线性约束最小方差滤波器，它是在给定一组线性约束的条件下，使滤波器输出的均方误差最小，也就是在干扰消除的应用背景下，保证期望信号功率不变的情况下，尽可能地消除干扰的影响，从而使总输出功率最小。因此，广义旁瓣对消器的自适应滤波算法要求知道期望信号的来波方向。如图1所示，自适应滤波算法包含三个基本过程：1.滤波过程：计算滤波器输出对输入信号的响应；2.误差计算：通过比较输出结果与期望响应产生估计误差；3.自适应过程：根据估计误差自动调整滤波器参数，针对不同的性能准则将采用不同的自适应算法。对于天线数为M的系统，考虑均匀平面波入射的窄带信号，第k个入射信号的阵簇矢量c(θk)为：θk表示第k个入射信号的来波方向。设第k个入射信号所对应的第n个发射符号为b(k)(n)，发射信号幅度为Ak，噪声为v(n)，接收到的所有信号的总和可以表示为u(n)：其中，K表示各方向入射信号的总数，C＝[c(θ0)…c(θK)]H为阵簇矢量所组成的矩阵，A＝diag{A1,…,AK}为发射信号幅度矩阵，b(n)＝diag{b(1)(n),…,b(K)(n)}为发射符号矩阵。考虑多重线性约束下，CHw＝g，其中，w为接收端对每个天线接收信号的加权系数矩阵，g表示优化条件。例如，使滤波器的输出功率(方差)最小，e(n)＝wHu(n),e(n)表示输出信号，表示使得输出功率最小的加权系数矩阵。设θ0为期望信号的来波方向，θ1为某一已知干扰信号的来波方向，系统中可能还有其它未知的干扰。此约束保证设计出来的波束成形器对期望信号θ0方向上保持无失真响应，在已知干扰θ1方向上形成零陷，同时最大限度抑制其它方向上的干扰。根据此准则设计出来的自适应广义旁瓣对消器如图2所示，图中wq＝C(CHC)-1g是约束矩阵，保证线性约束CHwq＝g的成立；Ca为阻塞矩阵，其列向量是矩阵C的列向量张成的空间的正交补空间的基，即CHCa＝0，阻塞矩阵保证旁瓣对消器不会删除期望信号。使用最小均方(LMS)算法得到的自适应过程如下：wa(n+1)＝wa(n)+μx(n)e*(n)如图2所示，u(n)为输入信号，d(n)为输入信号在期望信号来波方向的阵簇矢量方向的投影，x(n)为输入信号在阻塞矩阵方向(即期望方向信号的阵簇矢量的正交补空间的基的方向)的投影矩阵，wa(n)为输入信号经过阻塞矩阵的信号x(n)各分量的加权值，y(n)为x(n)的各分量经过wa(n)加权以后的和信号，μ为自适应训练过程的步长，e*(n)为输出信号e(n)的共轭。对于M个阵元的情况，最小均方自适应算法最快可以在2M次迭代后收敛。生成阻塞矩阵Ca的传统方法是利用矩阵的特征值分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应波束成形中快速生成阻塞矩阵的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：生成列正交矩阵Q，矩阵Q具有如下特点：第一列元素全为1，大小为M×M，M为接收天线的数量；存储矩阵Q在接收机存储器中；步骤2：确定各接收天线的期望信号来波方向的阵簇矢量c，c＝[c

【技术特征摘要】
1.一种自适应波束成形中快速生成阻塞矩阵的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：生成列正交矩阵Q，矩阵Q具有如下特点：第一列元素全为1，大小为M×M，M为接收天线的数量；存储矩阵Q在接收机存储器中；步骤2：确定各接收天线的期望信号来波方向的阵簇矢量c，c＝[c1,c2,…,ci,…,cM]T，ci(i＝1,2,…,M)表示阵簇矢量中第i个接收天线的期望方向信号与第1个接收天线的期望方向信号之间的相位差，然后构造对角矩阵Cd＝diag{c1,c2,…,cM-1,cM}；步骤3：获得矩阵B＝Cd×Q，取矩阵B的第2列到第...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴迪，田亚飞，李洋，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11