本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，尤其涉及一種二維天線陣列的重疊波束合成方法。

背景技術(shù)：

在第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project，簡稱為3GPP)LTE65次會(huì)議中已經(jīng)針對(duì)全維度多輸入多輸出技術(shù)(Full-Dimension Multiple-Input Multiple-Output，簡稱為FD-MIMO)立項(xiàng)，用于研究可以支持垂直域波束賦形的全維度多天線技術(shù)。

未來的多天線系統(tǒng)中，采用二維天線陣列結(jié)構(gòu)是必然的趨勢(shì)。隨著天線陣元的增加，通過采用不同的加權(quán)向量可以形成較窄的波束，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)UE的定向傳輸。傳統(tǒng)天線陣列形成的波束一般都是固定波束，波束指向和波束寬度都比較固定。隨著有源天線陣列的出現(xiàn)，可以通過數(shù)字的方式對(duì)波束指向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，但是一旦天線陣元數(shù)固定，波束寬度也就固定了，只能調(diào)整波束指向。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)二維天線陣列中波束寬度的靈活控制，希望可以提出一種能夠?qū)⒍鄠€(gè)窄波束合成較寬的波束的方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一組用戶的通信。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

假設(shè)現(xiàn)有一個(gè)M×N的二維天線陣列，每行包括N個(gè)天線陣元，每列包括M個(gè)天線陣元(不考慮雙極化天線配置)。陣列中共有M×N個(gè)天線陣元。水平陣元間距為d_H，垂直陣元間距為d_V。天線陣元參數(shù)的幾何位置如圖1所示，其中每個(gè)陣元的加權(quán)因子可以表示為：

上式中，λ為載波波長，θ_tilt和分別為控制波束指向的垂直下傾角和水平方位角。假設(shè)球面角度的分辨率為1度，則任意波束的波束圖樣都可以用維度為180×360的矩陣P來表示。其中第theta行，第phi列對(duì)應(yīng)的元素就表示 角度為(θ＝theta,)時(shí)的波束增益值。則天線陣列輸出的波束圖樣幅值可以表示為：

其中，θ和分別為球面坐標(biāo)中的下傾角和方位角，具體定義如圖2所示。為單個(gè)天線陣元的輻射圖樣。天線導(dǎo)向因子v_m,n定義如下：

假設(shè)則K個(gè)獨(dú)立波束的圖樣為:

為第k個(gè)獨(dú)立波束對(duì)應(yīng)的天線陣列中每個(gè)陣元的加權(quán)因子。

現(xiàn)在有多個(gè)獨(dú)立波束，并且相鄰波束相互重疊，我們需要把這些獨(dú)立細(xì)波束合成為一個(gè)粗波束，本發(fā)明提出的方法包括以下步驟：

a，將待合成的獨(dú)立波束組成一個(gè)待合成集合；

b，對(duì)于待合成集合中相互重疊的兩個(gè)波束，首先進(jìn)行波束合成得到一個(gè)合成波束，然后在待合成集合中用得到的合成波束替換所述兩個(gè)波束；

c，重復(fù)步驟b直到待合成集合中只有一個(gè)最終的合成波束。

優(yōu)選的，步驟b包括以下步驟：

b1，將所述相互重疊的兩個(gè)波束記為波束B1和波束B2，選擇參數(shù)G₁和G₂，使得波束增益區(qū)間包括其中，為波束B1的最大波束增益，為波束B1和波束B2的重疊區(qū)域的最大波束增益值；

b2，在球面坐標(biāo)下傾角位于θ₁與θ₂之間并且波束增益位于波束增益區(qū)間內(nèi)的位置區(qū)域內(nèi)任意選擇一個(gè)位置，根據(jù)該位置的坐標(biāo)計(jì)算該位置在波束B1中的圖樣P1和該位置在波束B2中的圖樣P2：

其中，θ₁、θ₂分別是波束B1、波束B2的最大波束增益位置的球面坐標(biāo)下傾角，是波束B1的第m行第n列 天線陣元的陣元加權(quán)因子，是波束B2的第m行第n列天線陣元的陣元加權(quán)因子，v_m,n是第m行第n列天線陣元的導(dǎo)向因子，M、N是二維天線陣列的行、列陣元個(gè)數(shù)，

根據(jù)圖樣P1和圖樣P2計(jì)算偏置再根據(jù)偏置Q計(jì)算波束B1和B2的合成波束的陣元加權(quán)因子：

b3，在待合成集合中刪除波束B1、B2，增加步驟b2得到的合成波束。

為了增強(qiáng)合成效果，進(jìn)一步優(yōu)選的，上述步驟b2還包括：檢驗(yàn)得到的合成波束是否滿足預(yù)定的合成要求，如果不滿足則在所述位置區(qū)域內(nèi)重新選擇一個(gè)位置，重復(fù)本步驟，如果滿足則進(jìn)入步驟b3；如果在所述位置區(qū)域內(nèi)選擇位置的次數(shù)達(dá)到門限值后仍然不滿足合成要求，則返回步驟b1，調(diào)整參數(shù)G₁和G₂后重復(fù)步驟b1；

上述方法中，增益區(qū)間的確定很關(guān)鍵，要求能夠包括兩個(gè)波束重疊區(qū)域的最大值，但也不宜太大，否則會(huì)增加搜索的復(fù)雜度，具體數(shù)值可以根據(jù)波束合成效果進(jìn)行靈活的調(diào)整，優(yōu)選的，可以設(shè)置為

本發(fā)明利用波束表面相位連續(xù)的特性，通過引入偏置Q，使得兩個(gè)波束在交疊區(qū)域能夠同相疊加，避免了加權(quán)因子直接疊加形成的波束零陷(Null)。本發(fā)明能夠?qū)⑷我鈨蓚€(gè)重疊的波束進(jìn)行合并，重復(fù)多次之后即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立波束的合成，尤其適用于幾個(gè)獨(dú)立波束距離比較近的情形。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是M×N的二維天線陣列的天線陣元參數(shù)的幾何位置示意圖；

圖2是球面坐標(biāo)中的下傾角和方位角的示意圖；

圖3是實(shí)施例1的3個(gè)細(xì)波束的波束圖樣示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例；需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本實(shí)施例需要將三個(gè)細(xì)波束B1，B2和B3合成為一個(gè)粗波束，如圖3所示，B1，B2和B3相互重疊，第n個(gè)波束在θ＝θ_n處取得最大波束增益，記為

本實(shí)施例是先將B1和B2合成為波束B4，再將波束B4和波束B3合成為波束B5，下面給出具體實(shí)施步驟：

1，首先找到球面坐標(biāo)下傾角位于θ₁與θ₂之間，且波束增益處于之間的位置區(qū)域。G₁和G₂的選取應(yīng)滿足：并且波束增益區(qū)間包含為波束B1和波束B2的重疊區(qū)域的最大波束增益值。波束增益區(qū)間的范圍不宜過大，本實(shí)施例選取為

2，從第1步得到的位置區(qū)域中任意選擇一個(gè)位置，該位置的坐標(biāo)為

3，在波束B1和波束B2中分別求出選擇的位置所對(duì)應(yīng)的圖樣P1、P2：

4，令式中，上標(biāo)*表示復(fù)數(shù)共軛。

5，計(jì)算波束4的陣元加權(quán)因子：

6，檢驗(yàn)波束4是否滿足合成要求，若不滿足要求，則返回第2步中，重新選擇一個(gè)位置，再次進(jìn)行第3、4、5步，得到新的波束4，并再次檢驗(yàn)是否滿足合成要求。若多次重新選擇位置后得到的合成波束4依然不滿足合成要求，則返回第1步，對(duì)參數(shù)G₁和G₂進(jìn)行調(diào)整，之后再次進(jìn)行第2、3、4、5步。

7，重復(fù)步驟1～6，對(duì)B3和B4進(jìn)行合成，最后輸出合成波束的陣元加權(quán) 因子對(duì)應(yīng)合成波束5的圖樣可以表示為：

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：實(shí)現(xiàn)上述方法實(shí)施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關(guān)的硬件來完成，前述的程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行包括上述方法實(shí)施例的步驟；而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括：ROM、RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。