[发明专利]一种基于通道校正的分布式天线阵列波束形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分布式天线阵列的波束形成方法，特别涉及一种基于通道校正的分布式天线阵列波束形成方法。

背景技术

在无线通信系统中，通过对阵列通道接收和发射的信号进行幅相加权，可以控制天线波束的方向和形状，以实现对特定用户的定向发射和接收，从而提高系统容量、改善接收信号信噪比、在保证相同通信质量的情况下降低发射功率、扩展系统的覆盖范围，同时，将发射能量汇聚于某个特定方向还提高了通信系统的安全性。

当全向天线在空间上隔开一定的距离放置时，每个天线辐射场的相位是有差异的。这种相位差导致了辐射场在不同的方向上有着不同的强度，它们或叠加增强或相互抵消减弱。因此，导致了合成的辐射场是有方向性的。这样，通过改变每个天线发射信号的相位，便可以实现波束形成。

当一个发射机具有多个天线时，发射机通过控制信号到达每个天线时的信号相位来实现定向波束，由于整个过程都是在同一个发射机内本地进行，因此频率同步、相位同步问题相对简单。然而，在许多场合下，如无线传感器网络，由于功耗、体积等因素的限制，每个传感器节点只具有单天线结构，但波束形成的需求在无线传感器网络中的需求仍然十分旺盛，例如需要小型飞机收集传感器节点数据时，飞机与节点间的通信距离可能会大于所有节点的覆盖范围；或者由于飞机或炮弹布撒的原因，某些传感器节点远离其它节点而成为孤立节点，这些节点的数据将无法上传给基站(数据收集点)。在这些情况下，如果利用多个单天线节点构成一个“虚拟”天线阵，通过波束形成使得主波束指向数据收集点，通信覆盖距离增加，从而解决上述问题。由于多个单天线发射机相互协作形成一个“虚拟”天线阵实现波束形成，并且它们各自有着自己的本地振荡器，相互之间没有直接相连，因此称其为分布式天线阵列。

在发射总功率相等的条件下，M阵元的波束形成比M阵元的基于空时编码的发射分集能够多带来10log₁₀M dB的增益。另一方面，若维持单个节点的发射功率不变，M阵元的波束形成将比单天线多出20log₁₀M dB的增益。在单个节点通信距离无法覆盖远处的数据收集节点时，分布式节点间通过相干协作实现波束形成的通信方式将比单节点多跳通信有着无法替代的明显优势。

目前有众多专利文献涉及天线阵列的校正方法。如1997年5月21日公开的中国专利CN1150499A，标题为“天线阵列校正”。2007年4月24日公开的美国专利US 7,209,078，标题为“Antenna array calibration(天线阵列校正)”。然而这些专利都是针对于传统的集中式天线阵列，即各天线有着同一个本振源，各收发通道之间通过有线方式连接到校正模块，并不适用于由单天线收发机组成的“虚拟”天线阵列。

在2007年5月IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS，VOL.6，NO.5上发表的题为“On the Feasibility of Distributed Beamformingin Wireless Networks”的文章中提出了一种分布式天线阵列的波束形成方法，但该方法中假设了收发通道是对称的，具有互易性，并且没有考虑各节点收发通道之间的误差。然而在实际中这种通道间的误差是确实存在的，首先由于信号在接收和发送过程中本身并不是沿同一路径进行处理，因此收发通道间会存在误差，其次由于通道放大器的相位/增益随温度变化有差异，变频器件的老化、滤波器时延及其幅频/相频特性失真等引起的频率响应不一致等都会使得各节点的接收(或发送)通道之间存在误差。当通道误差存在时，该文献中所述方法不能够校准这些误差，经过校正后的节点间并不能保证其相位的同步性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于通道校正的分布式阵列天线的波束成形方法，改善分布式阵列天线通信的质量，同时克服现有方法对于存在通道误差时从节点间相位不能正确同步的问题。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种基于通道校正的分布式天线阵列的波束形成方法，包括下述步骤：

a).首先构建一个“虚拟”天线簇，簇内各节点之间采用一种主从结构，即包括一个主节点M和N个从节点，由主节点M控制从节点S_i与远方的无线基站BS通信，其中S_i为簇内的任一从节点，i＝1、2、……、N；