一种基于二维空时广义旁瓣相消稳健波束形成算法制造技术

本发明专利技术涉及一种基于二维空时广义旁瓣相消稳健波束形成算法，主要使用二维数组在广义旁瓣相消器(Generalized Sidelobe Canceller,GSC)架构下，解决指向误差及信号源数目过度估测问题。首先将现有技术之算法使用在GSC作指向误差校正，但此方法的问题依旧存在。为使校正能力更为稳健本发明专利技术提出新方法，基于特征分析处理之稳健空时广义旁瓣相消器(RobustSpace

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维空时广义旁瓣相消稳健波束形成算法


[0001]本专利技术涉及智能型天线指向误差以及信号源过度估测发生时，可自适应让导向矢量有实时校正的能力的
，具体为一种基于二维空时广义旁瓣相消稳健波束形成算法。

技术介绍

[0002]智能型天线技术的应用，对信号强度与系统容量的提升有很大的帮助，尤其在强调以CDMA技术核心的系统之中，对于消除多重接取所产生的干扰信号有很大的帮助，因此在未来6G/7G通讯的系统的规格中，建议使用智能型天线的技术来提升系统的容量与传输效率。
[0003]智能型天线是一种以多传感器所组成的天线阵列，利用天线阵列的波束形成技术，产生多个独立的波束，來追踪每一个用户，而应用智能天线系统可将天线信号导向期望方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向(Direction of Arrival,DOA)，旁波瓣或置零点对准干扰信号到达方向，可以达到充分有效利用行动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。因此，要实现智能型天线系统使用到的阵列天线理論，主要可分成三部分：信号源数目估测、到达角度估测与波束构成。
[0004]在文献[8]中，有两个信号源数目估测方法如Akaike信息准则(AkaikeInformation Criterion,AIC)和最小化描述长度(Minimum Description Length, MDL)方法已经被提出，由于信号源数目少估会比过度估测付出更高的代价，因此估测信号个数时常会有信号源过度估测之情况产生。而系统在实施到达角度估测时，会因为许多环境的变动因素造成角度估测不准确。当到达角度估测并不准确时，期望信号入射角度与接收机预估之入射角度并不吻合，将产生指向误差的问题，此时期望信号无法落在主波束最大响应位置，造成期望信号消除。当上述两问题同时存在且波束形成器使用特征分析算法，期望信号成分会被归类到干扰子空间，使系统效能降低。
[0005]智能型天线在时间
‑
空间系统下线性数组信号模型
[9]，并将分别介绍未经过解扩频及经过解扩频之后的信号模型，为了简化后面章节对天线数组的分析，首先作了以下假设：
[0006]1.天线单元间的距离足够小，因此可以假设不同天线单元间所接收到的信号振幅变化可以忽略，只考虑路径引起的相位差。
[0007]2.任何天线单元间不会发生耦合效应且入射信号的带宽远小于载波频率，可以将入射信号视为窄频带信号。
[0008]3.假设信号源与天线数组间的距离足够远，如此便可以将此信号视为远场信号源，并且将入射波视为一平面波。
[0009]考虑一个含有K个信号源的线性系统，使用正规化扩频码c1,c2,
…
,c
K
,来传送二进制相移键控，二进制相移键控信号周期为T
b
，因此接收机所接收到的用户信号可以表示为
[0010][0011]其中b
k
(z)∈
±
1代表第k个使用者的第z个数据位被扩频码扩频，ε
k
为所接收到第k个使用者的功率，假设扩频码长度为L，此时第k个使用者经标准化的扩频码为n(z)为信号通过信道所产生的噪声，在此假设为白色高斯噪声。
[0012]假设一UPA数组天线含有M
×
N个全向性天线阵列，各天线阵列间距为d＝0.5λ并且座落在X
‑
Y平面上的此时 m＝1,2,
…
,M且n＝1,2,
…
,N，假设信号源的入射高低角及水平角分别为θ、φ，假设天线的振幅为单位增益，且相位增益为exp{jπ(m
‑
1)μ+(n
‑
1)υ}、μ＝sin(θ)cos(φ)、υ＝sin(θ)sin(φ)。如图1的数组天线所示，则第(m,n)个天线阵列所接收到的信号可以表示成：
[0013][0014]将平面型数组输出之信号表示为：
[0015][0016]上式中{
·
}
T
代表转置、a
c
(u
k
)＝[1,exp{jπμ
k
},
…
,exp{jπ(M
‑
1)μ
k
}]T
， a
r
(υ
k
)＝[1,exp{jπυ
k
},
…
,exp{jπ(N
‑
1)υ
k
}]T
，N为所有天线所收到之噪声所组成之矩阵，为了使自由度提高，将二维均匀平面型天线数组用一维表示，因此输出信号为：
[0017][0018]此时为第k个使用者的导向矢量，定义为 Kronecker乘法[附录A]，为二维数组展开后与时间特征合并之噪声矩阵，假设第k个使用者就是期望使用者k＝d，入射角度为(μ
d
,υ
d
)，此时有K
‑
1 个干扰,并且将期望信号的导向矢量表示为a
d
。此时将以二阶统计量自相关矩阵表示：
[0019][0020]理论上，在稳态环境下天线数组输出自相关矩阵应由整体平均得到，但于实际操作上，可以由时间平均来获得估测的自相关矩阵[12]：
[0021][0022]其中Z为总共观察的位数。本专利技术将使用空间
‑
时间之特征空间，因此将接收信号之扩频码与导向矢量再表示成时空数组形式[6]：
[0023][0024]其中其中为将空间
‑
时间因素合并后所之噪声矢量，而时空信号所形成的自相关矩阵表示为：
[0025][0026]总之，智能型天线是一种以多传感器所组成的天线阵列，利用天线阵列的波束形成技术，产生多个独立的波束，來追踪每一个用户，而应用智能天线系统可将天线信号导向期望方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向(Direction of Arrival,DOA)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，可以达到充分有效利用行动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。
[0027]但系统在实施到达角度估测时，会因为许多环境的变动因素造成角度估测不准确。当到达角度估测并不准确时，期望信号入射角度与接收机预估之入射角度并不吻合，将产生指向误差的问题，此时期望信号无法落在主波束最大响应位置，造成期望信号消除。
[0028]为了解决指向误差之问题，文献[1]中提出了线性限制最小变异波束构成器(Linear Constrained Minimum Variance Beamformer,LCMVB)，此方法以附加约束法来减轻数组的敏感性，其中微分限制是被用于减轻由指向误差所引起的效能衰退。经过微分限制主波束将会变宽，当指向误差不大时期望信号被消除并不严重，而零陷技术用于抑制非固定的干扰。无论如何，此方法有两个缺点，当干扰入射角度在主波束范围内将无法对此干扰做有效抑制，且利用此一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维空时广义旁瓣相消稳健波束形成算法，包括以下步骤：步骤1、当智能天线系统接收器发生指向误差或是信号源过度估测的情况下，将使用空间
‑
时间之特征空间，因此将接收信号之扩频码与导向矢量再表示成时空数组所接收之信号为：其中其中为将空间
‑
时间因素合并后所之噪声矢量；而时空信号所形成的自相关矩阵表示为：其中，空间
‑
时间信号表示为这边定义空时自相关矩阵二维数组所形成P≡V
H
V，V可表示为V＝[v1,v2,
…
,v
k
]；此时的自相关矩阵P以Schur形式表示成两个矩阵相乘，例如：P＝D
·
R
c
；D包含了空间特征之间的相关性，例如：而这时的R
c
为时间处理的自相关矩阵，例如：所以此时将空
‑
时自相关矩阵(1.2)式之作特征值分解：其中的I
n
为一维度为(MNL
‑
K)
×
(MNL
‑
K)的单位矩阵，此时的U
s
是由V所组成的信号子空间所形成的正交基底；而U
n
为正交于信号子空间的噪声子空间所形成的基底；对角矩阵Λ
s
包含了由分解出的K个最大特征值；步骤2、对于CDMA接收机而言，v1中的部份内容是能够被知道，扩频码c1是知道的，但导向矢量并不知道；因此这边使用信号子空间正交于噪声子空间的方法；详细地说，就是使用一单位特征矢量来估测此时：上式中I
MNL
为一个维度MNL
×
MNL的单位矩阵，由此可看出Q的单位特征矢量能够被拿来当估测正确导向矢量的依据；此时，令h为由Q找出之单位特征矢量且h
i
定义为h的第i个元素，i＝1,2,
…
,MNL；由于正确导向矢量a
d
的第一个元素为1且每个元素的振幅也都为1，且由h可以找到正确之导向矢量，结合上述两条件写成下列解最优值之问题：这边为第i个元素，经过数学式简化，上式可以重新写成下式：
Re{x}代表取x的实数部份，解出式1.6的最优解写成一多项式为而为它第ith元素；步骤3、将代入GSC架构中的阻塞矩阵以及权重矢量，得到新的权重矩阵：其中其中为期望求得的适应性权重：上式的经由上述之替换得到之最终权重矢量解为：这时CDMA接收机所接受之信号通过阻塞矩阵能够被...

【专利技术属性】
技术研发人员：连振宇，张颢原，
申请(专利权)人：宁波绮色佳金属制品有限公司，
类型：发明
国别省市：