[发明专利]一种3D-MIMO系统的波束赋形方法及波束赋形装置

权利要求书

1.一种3D-MIMO系统的波束赋形方法，其特征在于，用于圆形天线阵列，包括以下步骤：

根据多根天线的接收信号获取接收信号的自相关矩阵；

按照预定的水平角度粗颗粒度和垂直角度粗颗粒度在360°范围内分别不断调整初始水平角度和初始垂直角度，以对3D-MIMO系统进行全方位粗扫描，根据调整后的初始水平角度和初始垂直角度获取接收信号功率，接收信号功率最大的作为粗水平角度和粗垂直角度，其中，根据圆形天线阵列的天线个数确定预定的水平角度粗颗粒度和垂直角度粗颗粒度；

按照预定的水平角度精颗粒度和垂直角度精颗粒度在预定小角度范围内分别不断调整粗水平角度和粗垂直角度，以对3D-MIMO系统进行小角度高精度扫描，根据调整后的粗水平角度和粗垂直角度获取接收信号功率，在预定小角度范围内接收信号功率最大的作为精水平角度和精垂直角度，其中，根据预定角度范围确定预定的水平角度精颗粒度和垂直角度精颗粒度；

根据精水平角度和精垂直角度获取波束赋形因子，以完成3D-MIMO系统的波束赋形；

通过以下公式根据圆形天线阵列的天线个数确定预定的水平角度粗颗粒度和垂直角度粗颗粒度：

part1＝360°/N

part2＝180°/N

其中，part1为预定的水平角度粗颗粒度，part2为预定的垂直角度粗颗粒度，N为圆形天线阵列的天线个数；

按照预定的水平角度粗颗粒度和垂直角度粗颗粒度在360°范围内分别不断调整初始水平角度和初始垂直角度，具体实现如下：

初始水平角度在水平维度上保持不变，按照预定的垂直角度粗颗粒度对初始垂直角度在垂直维度上依次累加，完成360°扫描；

按照预定的垂直角度粗颗粒度对初始水平角度累加一次，累加一次后的水平角度在水平维度上保持不变，按照预定的垂直角度粗颗粒度对初始垂直角度在垂直维度上依次累加，完成360°扫描；

直到对初始水平角度的累加完成360°扫描，获取多组调整后的初始水平角度和初始垂直角度；

根据预定角度范围确定预定的水平角度精颗粒度和垂直角度精颗粒度，具体实现如下：

确定水平预定角度范围为[θ₁-Δθ，θ₁+Δθ]，其中，θ₁为粗水平角度，Δθ为粗水平角度误差；垂直预定角度范围为其中，为粗垂直角度，为粗垂直角度误差；

预定的水平角度精颗粒度为2Δθ/n₁，其中，Δθ为粗水平角度误差，n₁为粗水平角度调整次数；预定的垂直角度精颗粒度为其中，为粗垂直角度误差，n₂为粗垂直角度调整次数；

按照预定的水平角度精颗粒度和垂直角度精颗粒度在预定小角度范围内分别不断调整粗水平角度和粗垂直角度，具体实现如下：

粗水平角度在水平维度上保持不变，以为单位对粗垂直角度在垂直维度上依次累加，完成角度为的扫描；

粗水平角度累加一次2Δθ/n₁，累加一次后的水平角度在水平维度上保持不变，以为单位对粗垂直角度在垂直维度上依次累加，完成角度为的扫描；

直到对粗水平角度的累加完成360°扫描，获取多组调整后的粗水平角度和粗垂直角度；

通过以下公式根据多根天线的接收信号获取接收信号的自相关矩阵：

R_uu＝E[U(t)*U^H(t)]

其中，R_uu为自相关函数，E[·]为自相关矩阵期望值，U(t)为接收信号矩阵，U^H(t)为接收信号矩阵的共轭矩阵；

通过以下公式获取接收信号功率：

其中，为加权系数，R_uu为自相关函数，为加权系数的共轭；

通过以下公式根据精水平角度和精垂直角度获取波束赋形因子：

其中，w(θ,φ)为波束赋形因子，R为圆形天线阵列半径，θ为接收信号的水平角度，为接收信号的垂直角度，n为天线数，N为圆形天线阵列的天线总数，λ为接收信号的波长。

2.一种3D-MIMO系统的波束赋形装置，其特征在于，用于实现权利要求1所述的3D-MIMO系统的波束赋形方法，包括：

接收信号处理模块，用于根据多根天线的接收信号获取接收信号的自相关矩阵；

接收信号入射角度粗扫描模块，用于按照预定的水平角度粗颗粒度和垂直角度粗颗粒度在360°范围内分别不断调整初始水平角度和初始垂直角度，以对3D-MIMO系统进行全方位粗扫描，根据调整后的初始水平角度和初始垂直角度获取接收信号功率，接收信号功率最大的作为粗水平角度和粗垂直角度，其中，根据圆形天线阵列的天线个数确定预定的水平角度粗颗粒度和垂直角度粗颗粒度；

接收信号入射角度精扫描模块，用于按照预定的水平角度精颗粒度和垂直角度精颗粒度在预定小角度范围内分别不断调整粗水平角度和粗垂直角度，以对3D-MIMO系统进行小角度高精度扫描，根据调整后的粗水平角度和粗垂直角度获取接收信号功率，在预定小角度范围内接收信号功率最大的作为精水平角度和精垂直角度，其中，根据预定角度范围确定预定的水平角度精颗粒度和垂直角度精颗粒度；

波束赋形模块，用于根据精水平角度和精垂直角度获取波束赋形因子，以完成3D-MIMO系统的波束赋形；

在接收信号入射角度粗扫描模块中，通过以下公式根据圆形天线阵列的天线个数确定预定的水平角度粗颗粒度和垂直角度粗颗粒度：

part1＝360°/N

part2＝180°/N

其中，part1为预定的水平角度粗颗粒度，part2为预定的垂直角度粗颗粒度，N为圆形天线阵列的天线个数。