波束赋形方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种波束赋形方法，该方法包括：初始化天线阵列中的阵列单元的数据，并基于该初始化数据计算当前波束方向图；计算当前波束方向图和目标波束方向图之间的差值，并利用数值方法，依次从第一个阵列单元到最后一个阵列单元，分别针对每个阵列单元确定使所述差值最小化的数据，并保持其他阵列单元的数据不变，并且用确定的数据替代之前的数据；利用确定的数据生成波束赋形矢量，并利用波束赋形矢量生成待传输的信号。本发明专利技术同时公开了一种波束赋形装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】波束赋形方法和装置
本专利技术涉及一种天线阵列系统，尤其涉及一种波束赋形方法和波束赋形装置。
技术介绍
用于传输和接收无线电波的天线，已经被广泛的用于一些系统中，例如电信、无线局域网(WLANs)、电视广播和雷达等。因为一个单独的天线有很多的缺陷，例如它提供的方向性的值低，因此天线阵列得到了发展，其中每个天线阵列由多个单独的天线即天线单元组成。在天线阵列中，通过以处于特定角度的信号相长干涉而处于非特定角度的信号相消干涉的方式组合天线单元，波束赋形技术可以实现良好的空间选择性，因此波束赋形技术近几十年得到快速发展。为了实现波束赋形，已经提出了很多方法，例如：凸优化、正交法和元启发式方法。在这些波束赋形方法中，凸优化能够实现旁瓣衰减最大化和主瓣波动最小化的优化目标，但是不能用于实现匹配给定的波束方向图的优化目标。相反，正交法可以用于实现某些情况下的波束方向图的匹配问题，例如，在可以完整地获取目标波束方向图的情况下。但是如果不能准确的获得目标波束方向图，例如，该目标可以靠近而不能获得，或者如果优化目标是使旁瓣衰减最大和使主瓣波动最小，那么用正交法就不能得到一个令人满意的结果。也就是说，凸优化和正交法的应用都不广泛。作为另一种波束赋形方法，元启发式方法包括遗传算法(GA)、差分进化算法(DEA)、还有粒子群优化等等。尽管元启发式方法可以实现上面所提到的两个优化目标，并且由此而有广泛的应用范围，但是这种方法计算速度低，使得该方法在天线阵列领域不实用。因此，有必要开发一种波束赋形方法和波束赋形装置，不仅有广泛的应用范围，而且计算速度快。
技术实现思路
本专利技术一些方面是针对一种兼具广泛的应用范围及快速的计算速度的波束赋形方法。本专利技术的另一些方面是针对一种兼具广泛的应用范围及快速的计算速度的波束赋形装置。根据本专利技术的一些方面，一种波束赋形方法包括：初始化天线阵列中的阵列单元的数据，并以该初始化数据为基础计算当前波束方向图；计算当前波束方向图和目标波束方向图之间的差值，并利用数值方法，依次从第一个阵列单元到最后一个阵列单元，分别针对每个阵列单元确定使所述差值最小化的数据，并保持其他阵列单元的数据不变，并且用确定的数据替代之前的数据；通过确定的数据生成一个波束赋形矢量，同时利用波束赋形矢量生成待传输的信号。在一实施例中，该波束赋形方法进一步包括，重复确定数据这一步骤，直到当前差值和之前的差值之差小于预先设定的阀值为止。在另一实施例中，该波束赋形方法进一步包括，如果优化目标不包括目标波束方向图，则基于优化目标来建立目标波束方向图。根据本专利技术的另一些方面，一种波束赋形装置包括：输入接收单元，用于接收目标波束方向图；数据初始化单元，用于初始化天线阵列图中的阵列单元的数据，并基于该初始化数据计算当前波束方向图；数据计算单元，用于计算从数据初始化单元输出的当前波束方向图和从输入接收单元输出的目标波束方向图之间的差值，并利用数值方法，依次从第一个阵列单元到最后一个阵列单元，分别针对每个阵列单元确定使所述差值最小化的数据，并保持其他阵列单元的数据不变，并且用确定的数据替代之前的数据；波束赋形矢量生成单元，用于利用从数据计算单元发送来的确定的数据，生成波束赋形矢量；信号生成单元，用于利用由波束赋形矢量生成单元发送来的波束赋形矢量，生成待传输的信号。在一实施例中，该波束赋形装置进一步包括阀值预设单元，用于预先设定一个阀值，数据计算单元进一步用于重复确定数据这一步骤，直到当前差值和之前的差值之差小于从阀值预设单元输出的预先设定的阀值为止。在另一实施例中，如果优化目标不包括目标波束方向图，则输入接收单元可进一步基于优化目标来建立目标波束方向图。因为一个目标波束方向图是首先确定的，如果能够获取该目标波束方向图，通过上述的波束赋形方法和波束赋形装置，则可以实现波束方向图匹配的优化目标。即使目标波束方向图不能获得而只能靠近，则由于在一实施例中使用了迭代方法，而不是像正交法中的直接计算，因此也能得到良好的结果。所以，与正交法相比，该方法具有广泛的应用范围。进一步地，在另一实施例中，旁瓣衰减最大化和主瓣波动最小化的优化目标可以转化成目标波束方向图，从而实现优化目标。因此，与只能实现有限的优化目标的凸优化和正交法相比，该方法具有广泛的使用范围。同时，与以大量的随机尝试为基础的元启发式方法相比，该波束赋形方法和装置采用一种确定的数值方法来计算差值，具有更快的计算速度，因而对于实际执行是实用的。附图说明通过下面的具体描述，并结合附图，使得本专利技术在上文中提到的以及其他方面会更清楚。图1所示为根据本专利技术一实施例描述的波束赋形方法的流程图；图2所示为图1中数据计算步骤的具体流程图；图3所示为根据本专利技术另一实施例描述的波束赋形方法的流程图；图4所示为图3中数据计算步骤的具体流程图；图5所示为根据本专利技术再一实施例描述的波束赋形方法的流程图；图6所示为图5中数据计算步骤的具体流程图；图7所示为根据本专利技术再一实施例描述的波束赋形方法的流程图；图8所示为图7中数据计算步骤的具体流程图；图9所示为根据本专利技术一实施例描述的波束赋形装置的示意图；图10所示为根据本专利技术另一实施例描述的波束赋形装置的示意图；图11所示为根据本专利技术再一实施例描述的波束赋形装置的示意图；图12所示为根据本专利技术再一实施例描述的波束赋形装置的示意图.具体实施方式在以下的具体描述中，将参照附图来描述实施例。然而，本专利技术可以以各种不同的形式实施，并且不应该被理解为只限于所陈述的实施例。更准确地说，这些实施例仅作为示例提供，简单地向本领域技术人员描述本专利技术的概念。因此，对于本领域普通技术人员显而易见的过程、单元和技术，在此没有描述。图1所示为根据本专利技术一实施例描述的波束赋形方法的流程图，图2是图1中数据计算步骤的具体流程图。参照图1，下面将描述依据本专利技术一实施例的波束赋形方法。在步骤S100中，接收用户输入的优化目标。如果能确定优化目标中不包括给定的目标波束方向图，可以基于优化目标进一步建立目标波束方向图。例如，波束方向图匹配的优化目标，目标波束方向图将直接包含在优化目标里。对于旁瓣衰减最大化和主瓣波动最小化的优化目标，将不包含目标波束方向图。在这种情况下，将进一步执行基于优化目标建立目标波束方向图这个步骤。关于这一步骤的具体描述将被省略，因为这对本领域技术人员来说是众所周知的。在一实施例中，目标波束方向图可以用S(θ)表示，其中θ表示方位角。在步骤S105中，全部的阵列单元都被初始化，通过初始化数据计算得到当前波束方向图，用G(θ)表示。例如，每个阵列单元的振幅w初始化成1，1是最大的振幅，0是最小的振幅，每个阵列单元的相位初始化成0。接着，在步骤S110中，根据用户对优化过程的速度和精度的要求，预先设定一个阀值，例如，阀值可以是用ε来表示的迭代精度。假设有n个阵列单元，下面参照图2对步骤S115中的执行数据计算进行描述。在步骤S1150中，计算当前波束方向图G(θ)和目标波束方向图S(θ)之间的差值，差值可以用f来表示。在一实施例中，可以用方程来计算差值。或者使用方程这里，f(w,φ)表示差值，w＝(w1,w2,…,wn)表示n个阵列单元的振幅，φ＝(φ1,φ2,…,φn)表示n个阵列单元的相位。然而，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波束赋形方法，包括步骤：初始化天线阵列的阵列单元的数据，并基于初始化数据，计算当前波束方向图；计算所述当前波束方向图和目标波束方向图之间的差值，并利用数值方法，依次从第一个阵列单元到最后一个阵列单元，分别针对每个阵列单元确定使所述差值最小化的数据，同时保持其他阵列单元的数据不变，并且用确定的数据替代之前的数据；利用所述确定的数据生成波束赋形矢量，并利用所述波束赋形矢量生成待传输的信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种波束赋形方法，包括步骤：初始化天线阵列的阵列单元的数据，并基于初始化数据，计算当前波束方向图；计算所述当前波束方向图和目标波束方向图之间的差值，并利用数值方法，依次从第一个阵列单元到最后一个阵列单元，分别针对每个阵列单元确定使所述差值最小化的数据，同时保持其他阵列单元的数据不变，并且用确定的数据替代之前的数据；利用所述确定的数据生成波束赋形矢量，并利用所述波束赋形矢量生成待传输的信号。2.根据权利要求1所述的波束赋形方法，进一步包括重复确定数据的步骤，直到当前差值和之前的差值之差小于预先设定的阀值为止。3.根据权利要求1或2所述的波束赋形方法，其中下面的方程用来计算所述当前波束方向图和所述目标波束方向图之间的所述差值：或其中，f(w,φ)表示所述差值，w表示所述阵列单元的振幅，φ表示所述阵列单元的相位，θ表示方位角，G(θ)表示所述当前波束方向图，S(θ)表示所述目标波束方向图。4.根据权利要求1或2所述的波束赋形方法，进一步包括：初始化主权重函数；其中所述计算所述当前波束方向图和所述目标波束方向图之间的差值包括：基于所述主权重函数计算所述差值；所述方法进一步包括：每当针对一个阵列单元使得所述差值最小的数据确定之后，基于所述确定的数据更新所述主权重函数。5.根据权利要求4所述的波束赋形方法，其中所述主权重函数初始化和更新成或其中P1(θ)表示所述主权重函数，θ表示方位角，G(θ)表示所述当前波束方向图，S(θ)表示所述目标波束方向图；其中下面的方程用来计算所述当前波束方向图和所述目标波束方向图之间的所述差值：或其中，f(w,φ)表示所述差值，w表示所述阵列单元的振幅，φ表示所述阵列单元的相位。6.根据权利要求1或2所述的波束赋形方法，进一步包括：初始化次权重函数；其中所述计算所述当前波束方向图和所述目标波束方向图之间的差值包括：基于所述次权重函数计算所述差值；所述方法进一步包括：在生成所述波束赋形矢量之前，通过为不满足预设条件的当前波束方向图所对应的角度加正数，来调整所述次权重函数，并基于更新后的所述次权重函数，再次执行所述确定数据步骤。7.根据权利要求6所述的波束赋形方法，其中所述次权重函数初始化成P2(θ)＝1，其中P2(θ)表示所述次权重函数，其中下面的方程用来计算所述当前波束方向图和所述目标波束方向图之间的所述差值：或其中，f(w,φ)表示所述差值，w表示所述阵列单元的振幅，φ表示所述阵列单元的相位，θ表示方位角，G(θ)表示所述当前波束方向图，S(θ)表示所述目标波束方向图。8.根据权利要求1或2所述的波束赋形方法，进一步包括：初始化主权重函数和次权重函数；其中所述计算所述当前波束方向图和所述目标波束方向图之间的差值包括：基于所述主权重函数和所述次权重函数计算所述差值；所述方法进一步包括：每当针对一个阵列单元使得所述差值最小的数据确定之后，基于所述确定的数据更新所述主权重函数；在生成所述波束赋形矢量之前，通过为不满足预设条件的当前波束方向图所对应的角度加正数，来调整所述次权重函数，并基于更新后的所述次权重函数，再次执行所述确定数据步骤。9.根据权利要求8所述的波束赋形方法，其中所述主权重函数初始化和更新成或其中P1(θ)表示所述主权重函数，θ表示方位角，G(θ)表示所述当前波束方向图，S(θ)表示所述目标波束方向图；其中所述次权重函数初始化成P2(θ)＝1，其中P2(θ)表示所述次权重函数；其中下面的方程用来计算所述当前波束方向图和所述目标波束方向图之间的所述差值：或其中，f(w,φ)表示所述差值，w表示所述阵列单元的振幅，φ表示所述阵列单元的相位。10.根据权利要求1或2所述的波束赋形方法，进一步包括，如果优化目标不包括所述目标波束方向图，则基于所述优化目标来建立所述目标波束方向图。11.一种波束赋形装置，包括：输入接收单元，用于接收目标波束方向图；数据初始化单元，用于初始化天线阵列图中的阵列单元的数据，并基于初始化数据计算当前波束方向图；数据计算单元，用于计算所述数据初始化单元输出的所述当前波束方向图和所述输入接收单元输出的所述目标波束方向图之间的差值，并利用数值方法，依次从第一个阵列单元到最后一个阵列单元，分别针对每个阵列单元确定使所述差值最小化的数据，并保持其他阵列单元的数据不变，并且用确定的数据替代之前的数据；波束赋形矢量生成单元，用于利用从所述数据计算单元发送来的所述确定的数据，生成波束赋形矢量；信号生成单元，用于利用由所述波束赋形矢量生成单元发送来的所述波束赋形矢量，生成待传输的信号。12.根据权利要求11所述的波束赋形装置，进一步包括阀值预设单元，用于预先设定阀值，其中所述数据计算单元进一步用于重复确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：何晓溪，
申请(专利权)人：何晓溪，
类型：发明
国别省市：北京,11