[发明专利]智能天线自适应波束形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能天线自适应波束形成方法。

背景技术

智能天线原名自适应天线阵列，最初广泛应用于雷达、声纳和军事方面，主要作用是空间滤波和定位。随着数字信号处理技术的发展，智能天线已越来越多地应用于通信领域中。智能天线是由多个天线单元组成的阵列天线，它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，自动测出用户方向，并将主波束对准用户信号方向，而在干扰信号方向形成天线方向图零陷或较低的天线方向图增益，从而达到抑制干扰和提高信噪比的目的。随着全球移动通信事业的迅猛发展，人们对移动通信的容量和质量都有了越来越高的要求，提高频谱利用率刻不容缓，智能天线的引入给整个无线通信领域带来了新的生机。目前，智能天线技术已被确定为第三代移动通信系统的关键技术之一。

智能天线的波束形成算法是智能天线研究的核心内容，也是目前研究的热点。在通信系统中，训练序列可能要限制在一定样本范围内，因此，希望自适应算法的收敛速度尽量快，寻找运算简单、收敛速度更快、性能更优的算法成为波束形成的关键。

线性约束最小方差波束形成技术在保证对期望信号方向增益一定值的条件下，计算最优权矢量使阵列输出功率最小，已经在阵列信号处理中得到广泛应用。线性约束自适应波束形成器中的线性约束反映了在天线阵列处理中用户信号的到达方向（DOA），尽管LCMV算法已经得到了广泛的应用，然而在实际中应用仍存在不少问题：在低快拍数条件下，LCMV算法无法收敛，自适应方向图发生畸变且稳定性差，使得LCMV算法的性能严重下降；并且由于增加了对接收数据的协方差矩阵的求逆过程，LCMV算法的计算量较大。这在诸如无线通讯和雷达应用等高度动态的情况下，当滤波器中的阵元数量很大时，算法的收敛速度变慢，需要大量的快照才能达到稳定状态。通过增加一些约束条件，可以降低算法对阵列误差和波束指向误差的敏感度。比如导数约束可以使自适应波束主瓣变平变宽，从而提高算法的鲁棒性；零点约束可以用来对付非平稳干扰。但由于在算法中增加了许多的约束条件，不仅占用了系统的自由度，而且增加了系统复杂性。

作为一个降低自适应滤波计算复杂性的替代方案，集员滤波技术受到广泛关注。SMF算法在滤波器输出误差有界约束下进行推导，它主要是通过时间稀疏的数据选择性更新来降低计算复杂度。SMF的稀疏更新可更为有效地利用DSP处理器的计算能力，减少电力消耗。对移动终端来说，智能天线可以在不损失带宽的情形下增强用户信号，抑制干扰，而集员滤波的低功耗可以节约能源，延长待机时间。因此，研究基于集员滤波和线性约束的智能天线有助于保持移动终端或设备的高信噪比和低功耗，具有较强的现实意义。

智能天线也叫自适应天线，由多个天线单元组成，每一个天线后接一个复数加权器，最后用相加器进行合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域处理，同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延时抽头加权网络（结构上与时域FIR均衡器相同）。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。

智能天线的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户，自适应滤波技术的广泛应用于系统辨识、回声对消、自适应均衡、噪声对消和自适应波束形成等领域。一个实用的自适应滤波器需要具备快速收敛、较低的处理时延和稳态失调，同时还要考虑自适应滤波器对硬件性能的需求，因此在实际应用时应选用结构简单、易于实现的算法，并充分结合硬件特性进行优化工作，降低算法运算量。

作为一个降低自适应滤波计算复杂性的替代方案，集员滤波技术受到广泛关注。SMF算法在滤波器输出误差有界约束下进行推导，它主要是通过时间稀疏的数据选择性更新来降低计算复杂度。SMF的滤波器只有当输出估计误差的幅度大于规定值，才进行系数的更新。SMF的稀疏更新可更为有效地利用DSP处理器的计算能力，减少电力消耗。对移动终端来说，智能天线可以在不损失带宽的情形下增强用户信号，抑制干扰，而集员滤波的低功耗可以节约能源，延长待机时间。

智能天线的研究主要有四个方面的内容：第一，智能天线波束形成的核心算法，主要是寻找计算量小、性能更优的算法；第二，建立更加合理的空间向量模型，推进算法的研究；第三，研究下行链路的发射技术；第四，开发相应的试验平台，对智能天线性能进行测试和验证。本项目核心技术在于对智能天线的核心算法——自适应波束形成技术的研究。