本發(fā)明涉及的是移動(dòng)通信天線技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

陣列天線方向圖綜合技術(shù)應(yīng)用于帶有精密信號處理器的任何天線陣，它可以調(diào)整或自適應(yīng)其波束方向圖，目的是增強(qiáng)感興趣的信號和減小干擾信號，還能夠減輕多徑效應(yīng)的不利影響，它是智能天線的研究領(lǐng)域之一。隨著社會(huì)信息交流的急劇增加、個(gè)人移動(dòng)通信的迅速普及，頻譜已成為越來越寶貴的資源，而智能天線采用空分多址技術(shù)，利用信號傳播方向上的差別，通過調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位來改變陣列天線方向圖，從而抑制干擾，提高信噪比、系統(tǒng)容量和允許的信號帶寬，有效節(jié)約頻譜和功率等資源。

天線陣系統(tǒng)的方向圖是依靠各個(gè)振子的方向圖的疊加而實(shí)現(xiàn)的，如果各個(gè)振子的電壓激勵(lì)的幅值和相位有所變化，那么該智能天線系統(tǒng)所要對應(yīng)的方向圖也會(huì)發(fā)生變化。在移動(dòng)通信應(yīng)用中，很多時(shí)候基站是相對固定的，而終端是移動(dòng)的；為了維持他們之間良好的無線信道，保證鏈路的正常工作，就要求智能天線的主瓣能夠時(shí)刻的跟蹤終端，也就是說智能天線系統(tǒng)的方向圖要隨著用戶的位置變化來做自我的調(diào)整。本發(fā)明利用最短的時(shí)間內(nèi)找到一個(gè)矢量，使得它所對應(yīng)的天線方向圖的主瓣對準(zhǔn)用戶的方向。

本發(fā)明主要利用智能算法實(shí)現(xiàn)直線陣天線方向圖綜合，在計(jì)算陣元權(quán)系數(shù)時(shí)引入遺傳算法，在這一算法中，把這一問題歸化為一個(gè)空間范圍內(nèi)的尋優(yōu)問題來處理，同一時(shí)刻的各個(gè)天線振子的幅度和相位構(gòu)成一個(gè)矢量，而這個(gè)矢量把它叫做一個(gè)染色體，各個(gè)振子的電流和幅度都叫做該染色體的一個(gè)基因。很多具有相同基因個(gè)數(shù)的染色體就構(gòu)成了一個(gè)解空間，本發(fā)明在這個(gè)解空間中找出一個(gè)最優(yōu)的染色體。同時(shí)利用FEKO仿真軟件建立直線天線陣模型，其天線單元為具有全向性的COCO天線，工作的中心頻率在1800MHz。最終達(dá)到了對無線數(shù)字信號的高速時(shí)空處理，使信道容量增加、頻譜效率提高的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于遺傳算法的陣列天線方向圖綜合優(yōu)化方法，該方法計(jì)算量小、尋優(yōu)精度高。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于遺傳算法的陣列天線方向圖綜合優(yōu)化方法，包括，天線陣模型建立步驟：N個(gè)COCO天線組成陣列，所述陣列包含N²個(gè)單極子天線，天線陣列采用均勻直線陣形式，天線陣元間距d≤λ，單元節(jié)邊長為1/2介質(zhì)波長：

根據(jù)天線的工作中心頻率f＝1.8GHz，基片材料的介電常數(shù)ε_r＝2.56，為使正反面微帶段錯(cuò)落有致，產(chǎn)生適合的傳輸模式和輻射模式，需a≈b；同時(shí)介質(zhì)板長度L是介質(zhì)板寬度W的6.5倍，其中b為貼片單元間隔；

最優(yōu)權(quán)值獲取步驟：

步驟1、編碼：從解數(shù)據(jù)的表現(xiàn)型到遺傳空間的基因型串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的映射稱為編碼，解空間Ω—分基因編碼空間C；

步驟2、初始種群生成：產(chǎn)生一組隨機(jī)編碼解P(k)∈C,k∈[1,2N]，其中N為天線陣元個(gè)數(shù)，由于遺傳算法對應(yīng)的解空間為各陣元的復(fù)數(shù)權(quán)值ωⁱ，ωⁱ分為實(shí)部和虛部，而遺傳算法只能對實(shí)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，所以設(shè)置每一個(gè)初始染色體包含2N列，每列200個(gè)基因的數(shù)組，所述隨機(jī)編碼解構(gòu)成原始種群，每個(gè)解為一個(gè)個(gè)體，種群個(gè)體數(shù)為2N；

步驟3、適應(yīng)度值評估：對種群中的每一個(gè)個(gè)體所代表的解計(jì)算相應(yīng)的適值，評估解的優(yōu)劣，并且會(huì)對評估后的解按一定準(zhǔn)則排序；

步驟4、選擇：在P(k)和O(t)中按適值的大小優(yōu)勝劣汰，選擇2N個(gè)個(gè)體重新構(gòu)成子代種群；按隨機(jī)均勻分布法、錦標(biāo)賽法或輪盤賭法挑選雙親；

步驟5、重組：通過交叉、變異、再生和遷移操作產(chǎn)生新的后代個(gè)體群O(t)∈C,t∈[1,M],M≤2N，新個(gè)體組合并以一定概率隨機(jī)改變了父輩串的特征，將群體內(nèi)的各個(gè)個(gè)體隨機(jī)搭配成對；

步驟6、循環(huán)步驟3至步驟5，直到取得最優(yōu)權(quán)值；

天線陣列方向圖生成步驟：利用獲取的最優(yōu)權(quán)值對天線陣模型進(jìn)行驗(yàn)證，從而生成天線陣列方向圖。

進(jìn)一步的，在初始種群生成步驟中設(shè)置了種群的初始范圍、種群的尺度和初始種群得分，種群的初始范圍設(shè)置為[0,10]之間，對于相角設(shè)在[-π,π]內(nèi)；種群的尺度設(shè)置為400；初始種群得分設(shè)置為(1,100)。

進(jìn)一步的，在適應(yīng)度值評估步驟中采用最佳法，最佳個(gè)體比例設(shè)置在字段Quantity中，每個(gè)能產(chǎn)生子輩的個(gè)體指派給相同的比例值，而其他個(gè)體的比例值指派為0。

進(jìn)一步的，在選擇步驟中選擇染色體時(shí)采用剩余選擇法，使它在選擇過程中，分配其雙親由每個(gè)個(gè)體刻度值的整數(shù)部分決定，在剩余的小數(shù)部分采用輪盤賭選擇方法。

進(jìn)一步的，在重組步驟中采用分散交叉方法；在一對選定的父輩中，采用高斯分布變異法，具有均值0的隨機(jī)數(shù)加到父向量的每一項(xiàng)，這個(gè)分布的變化由參數(shù)“Scale”和“Shrink”決定，Scale設(shè)定為0.5，Shrink設(shè)定為0.8；再生方法為“Crossover Function”法，它指定下一代中不同于原種群的部分，它們由交叉產(chǎn)生；當(dāng)遷移發(fā)生時(shí)，一個(gè)子種群中最好的個(gè)體代替另一子種群中最差的個(gè)體，運(yùn)用的方法是雙向遷移，即遷移在最后一個(gè)子種群處將卷繞回來。

進(jìn)一步的，在步驟6中添加停止條件參數(shù)，最大重復(fù)執(zhí)行次數(shù)為8000代，停滯代數(shù)為4000代，適應(yīng)度值小于或等于0.1。

進(jìn)一步的，排序準(zhǔn)則是排列法、比率法或線性轉(zhuǎn)換法。

本發(fā)明達(dá)到了對無線數(shù)字信號的高速時(shí)空處理，使信道容量增加、頻譜效率提高的效果。

附圖說明

圖1是陣列天線方向圖綜合的遺傳算法流程。

圖2是天線模型示意圖。

圖3是直線天線陣示意圖。

圖4是三次仿真結(jié)果的魯棒性檢測值比較。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：一種基于遺傳算法的陣列天線方向圖綜合優(yōu)化方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)，天線陣模型建立步驟：N個(gè)COCO天線組成陣列，所述陣列包含N²個(gè)單極子天線，天線陣列采用均勻直線陣形式，天線陣元間距d≤λ，單元節(jié)邊長為1/2介質(zhì)波長：

根據(jù)天線的工作中心頻率f＝1.8GHz，基片材料的介電常數(shù)ε_r＝2.56，為使正反面微帶段錯(cuò)落有致，產(chǎn)生適合的傳輸模式和輻射模式，需a≈b；同時(shí)介質(zhì)板長度L是介質(zhì)板寬度W的6.5倍，其中b為貼片單元間隔；

最優(yōu)權(quán)值獲取步驟：

步驟1、編碼：從解數(shù)據(jù)的表現(xiàn)型到遺傳空間的基因型串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的映射稱為編碼，解空間Ω—分基因編碼空間C；

步驟2、初始種群生成：產(chǎn)生一組隨機(jī)編碼解P(k)∈C,k∈[1,2N]，其中N為天線陣元個(gè)數(shù)，由于遺傳算法對應(yīng)的解空間為各陣元的復(fù)數(shù)權(quán)值ω_i，ω_i分為實(shí)部和虛部，而遺傳算法只能對實(shí)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，所以設(shè)置每一個(gè)初始染色體包含2N列，每列200個(gè)基因的數(shù)組，所述隨機(jī)編碼解構(gòu)成原始種群，每個(gè)解為一個(gè)個(gè)體，種群個(gè)體數(shù)為2N；

步驟3、適應(yīng)度值評估：對種群中的每一個(gè)個(gè)體所代表的解計(jì)算相應(yīng)的適值，評估解的優(yōu)劣，并且會(huì)對評估后的解按一定準(zhǔn)則排序；

步驟4、選擇：在P(k)和O(t)中按適值的大小優(yōu)勝劣汰，選擇2N個(gè)個(gè)體重新構(gòu)成子代種群；按隨機(jī)均勻分布法、錦標(biāo)賽法或輪盤賭法挑選雙親；

步驟5、重組：通過交叉、變異、再生和遷移操作產(chǎn)生新的后代個(gè)體群O(t)∈C,t∈[1,M],M≤2N，新個(gè)體組合并以一定概率隨機(jī)改變了父輩串的特征，將群體內(nèi)的各個(gè)個(gè)體隨機(jī)搭配成對；

步驟6、循環(huán)步驟3至步驟5，直到取得最優(yōu)權(quán)值；

天線陣列方向圖生成步驟：利用獲取的最優(yōu)權(quán)值對天線陣模型進(jìn)行驗(yàn)證，從而生成天線陣列方向圖。

其中關(guān)于陣列天線方向圖綜合的遺傳算法流程參見圖1。

具體實(shí)施方式二：具體實(shí)施方式二與具體實(shí)施方式一的不同在于，在初始種群生成步驟中設(shè)置了種群的初始范圍、種群的尺度和初始種群得分，種群的初始范圍設(shè)置為[0,10]之間，對于相角設(shè)在[-π,π]內(nèi)；種群的尺度設(shè)置為400；初始種群得分設(shè)置為(1,100)。在適應(yīng)度值評估步驟中采用最佳法，最佳個(gè)體比例設(shè)置在字段Quantity中，每個(gè)能產(chǎn)生子輩的個(gè)體指派給相同的比例值，而其他個(gè)體的比例值指派為0。在選擇步驟中選擇染色體時(shí)采用剩余選擇法，使它在選擇過程中，分配其雙親由每個(gè)個(gè)體刻度值的整數(shù)部分決定，在剩余的小數(shù)部分采用輪盤賭選擇方法。在重組步驟中采用分散交叉方法；在一對選定的父輩中，采用高斯分布變異法，具有均值0的隨機(jī)數(shù)加到父向量的每一項(xiàng)，這個(gè)分布的變化由參數(shù)“Scale”和“Shrink”決定，Scale設(shè)定為0.5，Shrink設(shè)定為0.8；再生方法為“Crossover Function”法，它指定下一代中不同于原種群的部分，它們由交叉產(chǎn)生；當(dāng)遷移發(fā)生時(shí)，一個(gè)子種群中最好的個(gè)體代替另一子種群中最差的個(gè)體，運(yùn)用的方法是雙向遷移，即遷移在最后一個(gè)子種群處將卷繞回來。在步驟6中添加停止條件參數(shù)，最大重復(fù)執(zhí)行次數(shù)為8000代，停滯代數(shù)為4000代，適應(yīng)度值小于或等于0.1。排序準(zhǔn)則是排列法、比率法或線性轉(zhuǎn)換法。

全向天線進(jìn)行仿真：

由COCO天線組成陣列天線的一個(gè)巨大優(yōu)點(diǎn)就是：由N個(gè)COCO天線組成的陣列相當(dāng)于包含了N²個(gè)單極子天線(假設(shè)每個(gè)COCO天線也是由N段微帶線節(jié)構(gòu)成)，但它卻只有N個(gè)饋電點(diǎn)，相比較而言，若一個(gè)陣列是由N個(gè)單極子天線陣列組成，則它必須要有N²個(gè)饋電點(diǎn)(假設(shè)每個(gè)單極子陣列也是由N個(gè)單極子組成)。當(dāng)然，由于COCO天線結(jié)構(gòu)簡單，具有價(jià)格優(yōu)勢和性能優(yōu)勢。

單元節(jié)邊長為1/2介質(zhì)波長：

根據(jù)天線的工作中心頻率f＝1.8GHz，基片材料的介電常數(shù)ε_r＝2.56，為使正反面微帶段錯(cuò)落有致，產(chǎn)生適合的傳輸模式和輻射模式，需a≈b；同時(shí)介質(zhì)板長度L是介質(zhì)板寬度W的6.5倍左右，可以得到a＝52mm,b＝58.5mm,L＝520mm,W＝80mm,Wa＝69.5mm,Wb＝11.4mm,h＝2.5mm，在天線遠(yuǎn)離饋電端的貼片上打孔，孔連接著上下表面，孔的半徑為3mm，在距饋電端480mm處。其中h為基片厚度，b為貼片單元間隔。天線示意圖如圖2所示。天線的饋電點(diǎn)的輸入阻抗要求為50Ω。觀察在中心頻率下的饋電端口的輸入阻抗Z參數(shù)。調(diào)整貼片的尺寸以及饋電點(diǎn)位置都可改變天線的輸入阻抗值，目的使得輸入阻抗的實(shí)部為50Ω和虛部為0Ω。

利用FEKO軟件進(jìn)行仿真，根據(jù)以上數(shù)據(jù)創(chuàng)建模型并調(diào)整網(wǎng)格密度，通過調(diào)節(jié)媒質(zhì)控制卡、輸出控制卡、電磁場計(jì)算卡，考慮趨服效應(yīng)、計(jì)算遠(yuǎn)場、計(jì)算駐波等。天線的饋電電壓的幅值為1V，相位為0°。模擬建立了8陣元直線陣列天線，在已知波達(dá)角情況下，通過使用算法獲得的權(quán)值來控制各天線單元電壓的幅值和相位，采用各陣元單獨(dú)饋電的方式。在存在較小的天線陣單元間耦合互感的情況下，檢驗(yàn)生成的方向圖的可靠性和穩(wěn)定性。如圖3為8陣元直線天線陣放置的示意圖。線陣設(shè)計(jì)采用均勻直線陣形式，防止在天線的H面上出現(xiàn)柵瓣，需要保證天線陣元中心間距d≤λ，而當(dāng)天線陣元間距d≤λ/2時(shí)，會(huì)出現(xiàn)互感耦合現(xiàn)象，所以選擇d≈0.6λ。每一個(gè)天線陣元享有一個(gè)饋電電壓源。

實(shí)際運(yùn)行過程的有益效果：

本發(fā)明通過大量實(shí)驗(yàn)和仿真得出各組數(shù)據(jù)均值，可以看出各處零陷電平的均值和旁瓣電平的均值都滿足預(yù)定指標(biāo)(詳見表1)，適應(yīng)度函數(shù)值平均在0.63左右，距離理想適應(yīng)度函數(shù)值0是十分接近，達(dá)到了函數(shù)逼近的目的，本發(fā)明通過遺傳算法可以自適應(yīng)的解決陣列天線方向圖綜合問題，具有很高的實(shí)用性。

表1各組部分參數(shù)的平均值

在同一組三個(gè)方向的干擾信號作用下，每次生成的方向圖大致相同，說明算法的魯棒性良好，將仿真所得數(shù)據(jù)計(jì)算算法的魯棒性，所得魯棒性檢驗(yàn)值見表2

表2遺傳算法魯棒性檢測值

將其繪成柱狀圖，如圖4?？奢^直觀看出其每次魯棒性的檢測值變化不大，系統(tǒng)穩(wěn)定，所以多次改變干擾信號波達(dá)角方向，該算法所得的方向圖仍能自適應(yīng)的變換，得到理想的接收效果。

以上對本發(fā)明所提供的一種基于遺傳算法的陣列天線方向圖綜合優(yōu)化方法，進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。