專利名稱：一種實現(xiàn)干擾抑制的波束賦形方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及波束賦形技術(shù)，尤指一種保證用戶方向性的干擾抑制波束賦形方法。
背景技術(shù)：
所謂波束賦形是指根據(jù)參數(shù)計算最優(yōu)權(quán)重矢量的過程，具體就是根據(jù)測量以及估算參數(shù)，實現(xiàn)信號最優(yōu)(次優(yōu))組合或最優(yōu)(次優(yōu))分配的過程。波束賦形技術(shù)使用天線陣將信號能量聚集為一個很窄的波束，提高天線的傳播效率以及無線鏈路的可靠性和頻率的重復使用率。波束賦形算法可以基于不同的準則進行設計，總體來說，波束賦形算法所基于的準則包括兩大類基于用戶最大功率準則和基于用戶最大載干比準則。其中，基于用戶最大功率準則的波束賦形算法使用戶的接收功率最大化，提高了接收信噪比?；谟脩糇畲筝d干比準則的波束賦形算法使用戶的接收載干比最大化，在干擾信號方向上形成了零陷，抑制了方向性干擾。因此，要想達到抑制干擾信號的目的，通常要采用基于用戶最大載干比準則的波束賦形算法。
現(xiàn)有技術(shù)中，基于用戶最大載干比準則的波束賦形算法的實現(xiàn)思想是通過對接收信號中期望信號和干擾信號進行信道估計，分別得到期望信號和干擾信號的信道沖激響應；進而獲取期望信號的空間協(xié)方差矩陣 和干擾信號的空間協(xié)方差矩陣 然后，利用所得到的空間協(xié)方差矩陣計算陣列天線的波束賦形權(quán)系數(shù)。
一般，用戶k接收的載干比可以表示為公式(1)的形式
γ(k)=w(k)HRS(k)‾w(k)w(k)HRI(k)‾w(k)---(1)]]>其中，w(k)是用戶k的賦形權(quán)系數(shù)矢量，RS(k)‾=h(k)*h(k)T]]>是期望用戶的空間協(xié)方差矩陣，h(k)是用戶k的陣列信道沖激響應矢量，RI(k)‾=Σ∀m∈IhI(m)*hI(m)T]]>是干擾信號的空間協(xié)方差矩陣，I是干擾信號的集合。
對于基于用戶最大載干比準則的波束賦形算法來說，由于該類波束賦形算法的優(yōu)化準則是用戶載干比最大，對用戶的接收功率并無限制，如此就可能造成賦形波束主瓣不再指向期望信號方向。原因是根據(jù)公式(1)可知，干擾抑制算法要通過提高期望信號功率和降低干擾信號功率來實現(xiàn)。但是，對于天線單元數(shù)為N的陣列天線來說，期望信號的提高最多為N倍；而對于干擾抑制，陣列天線的自由度是N-1，如果干擾信號的數(shù)量不大于N-1，理論上可以將干擾信號置零。此外，期望信號和干擾信號之間不可能是完全正交的，從這個角度來看，期望信號的最大化和干擾信號的置零存在一定的矛盾性，因此會使基于最大載干比準則的賦形波束方向性偏離。
可見，由于自由度和正交性的限制，基于最大載干比準則的波束賦形算法很難保證波束主瓣的指向和期望信號的功率，不僅造成功率的下降，而且增加了對干擾信號估計誤差的敏感度。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種實現(xiàn)干擾抑制的波束賦形方法，能同時抑制強干擾信號，并保證賦形波束的指向不偏離。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種實現(xiàn)干擾抑制的波束賦形方法，該方法包括以下步驟a.對當前陣列天線接收信號中的期望信號和干擾信號分別進行信道估計，得到期望信號和干擾信號各自的陣列信道沖激響應；b.根據(jù)步驟a得到的信道沖激響應計算期望信號和干擾信號各自的空間協(xié)方差矩陣；c.根據(jù)期望用戶信號與干擾和噪聲之間的關(guān)系，獲取新的干擾信號空間協(xié)方差矩陣；d.利用步驟b得到的期望信號空間協(xié)方差矩陣和步驟c獲取的新的干擾信號空間協(xié)方差矩陣計算當前陣列天線的波束賦形權(quán)系數(shù)。
上述方案中，步驟c所述獲取新干擾信號空間協(xié)方差矩陣具體包括c1.根據(jù)要達到的對期望用戶功率和干擾功率的約束能力設定比例系數(shù)；c2.計算步驟b所得到的干擾信號空間協(xié)方差矩陣對角線元素之和；c3.將步驟b所述干擾信號空間協(xié)方差矩陣加上所述比例系數(shù)、所述干擾信號空間協(xié)方差矩陣對角線元素之和與單位陣之積，得到新的干擾信號空間協(xié)方差矩陣。
其中，所述比例系數(shù)取值在0到正無窮之間。
上述方案中，所述干擾為本小區(qū)干擾、外小區(qū)干擾以及TDD系統(tǒng)中非對稱業(yè)務模式下的基站間干擾。
本發(fā)明所提供的實現(xiàn)干擾抑制的波束賦形方法，根據(jù)干擾和噪聲與期望用戶信號之間的關(guān)系重新計算出新的干擾信號的空間協(xié)方差矩陣，進而利用新的干擾信號的空間協(xié)方差矩陣計算當前陣列天線的波束賦形權(quán)系數(shù)，使波束賦形算法能同時抑制干擾和噪聲，控制干擾功率更小、期望功率更大，如此，不僅能抑制強干擾，不造成功率下降；而且能保證賦形波束的方向不會偏離。


圖1為本發(fā)明方法的實現(xiàn)流程圖；圖2為8單元均勻圓形陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)對比的效果圖。
具體實施例方式
由于在最大載干比準則的波束賦形算法中，一般要使接收的期望用戶信號的功率與干擾加噪聲之比(SINR，Signal-Interference & Noise Ratio)最大，也就是說，要令公式(1)分母中的協(xié)方差矩陣為干擾協(xié)方差矩陣與噪聲協(xié)方差矩陣之和，又因為噪聲并沒有空間相關(guān)特性，所以噪聲的空間協(xié)方差矩陣是單位矩陣。令公式(1)分母中的協(xié)方差矩陣為干擾協(xié)方差矩陣與噪聲協(xié)方差矩陣之和在接收波束賦形時是可行的，但在發(fā)射過程中，因為用戶接收的噪聲序列是固定的，因此發(fā)射過程中不存在噪聲協(xié)方差矩陣，只有干擾協(xié)方差矩陣。
對于波束賦形算法來說，只有同時抑制干擾和噪聲，即通過使接收的干擾功率最小和期望功率最大，才能使接收的SINR最大。但如果不存在噪聲項，波束賦形算法就只能抑制干擾信號的功率而對期望信號的功率不做限制，如此就會導致期望信號功率非常小。
基于上述原理，本發(fā)明的關(guān)鍵是增加一個常數(shù)項，將該常數(shù)項看作接收的噪聲協(xié)方差矩陣，該常數(shù)項在物理上沒有任何意義，僅僅在數(shù)學上起到保證分子值范圍的作用?？紤]到單位矩陣的值和噪聲協(xié)方差矩陣的值存在數(shù)值上的關(guān)系，一般來說，常數(shù)項越小，波束賦形算法對干擾的抑制能力越強；常數(shù)項越大，波束賦形算法對期望信號接收功率的最大化能力越強。
本發(fā)明的實現(xiàn)思想是將計算出的干擾信號的空間協(xié)方差矩陣與增加的常數(shù)項之和作為新的干擾信號的空間協(xié)方差矩陣，然后利用新的干擾信號的空間協(xié)方差矩陣計算當前陣列天線的波束賦形權(quán)系數(shù)，以保證波束賦形算法對干擾信號的抑制。
如圖1所示，本發(fā)明的波束賦形方法包括以下步驟步驟101對當前陣列天線所有天線上接收信號中的期望信號和干擾信號分別進行信道估計，得到期望信號的陣列信道沖激響應h(k)和干擾信號的陣列信道沖激響應hI(m),m=1,···,M,]]>其中，M是干擾信號的數(shù)量。
本發(fā)明中，所述的干擾包括本小區(qū)干擾、外小區(qū)干擾以及TDD系統(tǒng)中非對稱業(yè)務模式下的基站間干擾。
步驟102根據(jù)步驟101得到的陣列信道沖激響應，按照公式(2)和公式(3)分別計算期望信號的空間協(xié)方差矩陣 和干擾信號的空間協(xié)方差矩陣 其中，干擾信號的空間協(xié)方差矩陣 簡稱為干擾協(xié)方差矩陣 RS(k)‾=h(k)*h(k)T---(2)]]>RI(k)‾=Σ∀m∈IhI(m)*hI(m)T---(3)]]>步驟103根據(jù)干擾功率與期望用戶功率之間的關(guān)系、以及單位矩陣與噪聲協(xié)方差矩陣之間的關(guān)系，獲取新干擾協(xié)方差矩陣 此時，干擾協(xié)方差矩陣 稱為原干擾協(xié)方差矩陣 所述的獲取過程具體包括首先，根據(jù)公式(4)計算原干擾協(xié)方差矩陣 的跡，即計算原干擾協(xié)方差矩陣 的對角線元素之和P；P=trRI(k)‾=ΣnN(RI(k)‾)n,n---(4)]]>其中，n表示天線單元的序號，N表示天線單元數(shù)，公式(4)的含義是 的對角線元素的累加。
之后，設定干擾協(xié)方差矩陣和常數(shù)單位陣之間的比例系數(shù)λ，該比例系數(shù)的值表示對期望用戶功率和干擾功率的約束能力，取值在0到正無窮之間。如果λ取0，則表示只約束干擾，不約束信號功率。如果λ取無窮大，則表示只約束信號功率，不約束干擾。
然后，根據(jù)期望用戶信號與干擾和噪聲之間的關(guān)系，得到新干擾協(xié)方差矩陣 表示為公式(5)。
RI(k)‾′=RI(k)‾+λPI(N)---(5)]]>其中，I為常數(shù)單位陣。
步驟104采用得到的期望信號的空間協(xié)方差矩陣 和新干擾協(xié)方差矩陣 根據(jù)公式(6)計算當前陣列天線的波束賦形權(quán)系數(shù)w(k)。
w(k)=argmaxwHRS(k)‾wwHRI(k)‾w---(6)]]>下面通過一具體實施例詳細說明本發(fā)明波束賦形方法的實現(xiàn)過程。本實施例中，所采用的陣列天線為8單元均勻圓形陣列天線，如圖2所示。該陣列天線的圓半徑為0.65λ，存在三個干擾信號。該陣列天線上接收信號中期望信號的來波角度為50°，三個干擾信號的來波角度分別為30°、150°和250°，分別為單徑信道。
步驟a對8個天線單元接收信號中的期望信號和干擾信號分別進行信道估計，得到期望信號的陣列信道沖激響應h(1)和干擾信號的陣列信道沖激響應hI(1)，hI(2)，hI(3)。
h(1)=-0.7960+0.5002i-0.5975-0.7670i-1.0608-0.0454i0.9353+0.3255i-0.9260-0.5069i-0.6678+0.7391i-1.0130-0.0790i0.9850-0.3019i]]>hI(1)=-0.8493-0.3787i-0.6915-0.6868i-0.5149+0.8326i0.4894-0.8939i-0.9793+0.3720i-0.7618+0.6590i-0.4670-0.9570i0.5391+0.9175ihI(2)=-0.8493+0.3915i0.4942-0.8381i-0.5149+0.8326i-0.6964-0.7427i-0.9793-0.3982i0.4240+0.8102i-0.4670-0.9570i-0.6467+0.7662ihI(3)=0.2467-0.9785i-0.8446+0.5639i-0.8282+0.5829i-0.1566-1.0110i0.1167+0.9718i-0.9148-0.5917i-0.7804-0.7073i-0.1069+1.0345i]]>步驟b根據(jù)公式(2)和公式(3)分別計算期望信號的空間協(xié)方差矩陣 和干擾協(xié)方差矩陣 步驟c根據(jù)希望達到的對期望用戶功率和干擾功率的約束能力，設定比例系數(shù)λ為0.2，并根據(jù)公式(4)計算干擾協(xié)方差矩陣 的跡，即對角線元素之和P；
P=trRI(k)‾=ΣnN(RI(k)‾)n,n=24.4309]]>之后，根據(jù)公式(5)得到新干擾協(xié)方差矩陣 RI(k)‾′=RI(k)‾+λPI(N)=RI(k)‾+2*24.4309I(N)=RI(k)‾+4.8862I(N)]]>步驟d根據(jù)步驟b得到的 和步驟c得到的 通過公式(6)計算出8單元陣列天線的波束賦形權(quán)系數(shù)。在本實施例中，不做修正的波束賦形權(quán)系數(shù)w0和修正后的波束賦形權(quán)系數(shù)w分別為w0=-0.1906+0.6533i-0.1058+0.1922i-0.1837+0.2538i0.0211+0.1399i0.2177-0.0710i-0.2306-0.2814i0.3196-0.2764i0.0631+0.0573i]]>和w=-0.2833+0.1018i-0.1389-0.2474i-0.3366-0.2494i0.1770+0.3279i-0.0886-0.2738i-0.2647+0.0693i-0.4379-0.1094i0.3820-0.0848i]]>這里，所述修正是指增加常數(shù)項的權(quán)，不修正就是不增加常數(shù)項的權(quán)。
圖3為采用本發(fā)明方法的賦形波束與現(xiàn)有技術(shù)賦形波束的效果對比圖，圖3中，帶箭頭的實線30表示期望信號的方向，三個帶箭頭的虛線31表示三個干擾信號的方向，實線波束32為采用現(xiàn)有技術(shù)方法賦形的波束，虛線波束33為采用本發(fā)明方法賦形的波束?？梢钥闯觯诂F(xiàn)有技術(shù)方法的賦形波束在期望信號方向小于干擾信號方向，而基于本發(fā)明方法的賦形波束在期望信號方向明顯大于干擾信號方向，如此，就可以抑制干擾，并保證賦形波束的方向性。
本發(fā)明的波束賦形方法可以用于接收和發(fā)射波束賦形，在接收波束賦形中，干擾是指接收信號中干擾用戶信號對期望用戶信號的干擾；在發(fā)射波束賦形中，干擾是指期望用戶的發(fā)射信號對干擾用戶的發(fā)射信號造成的干擾。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)干擾抑制的波束賦形方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a.對當前陣列天線接收信號中的期望信號和干擾信號分別進行信道估計，得到期望信號和干擾信號各自的陣列信道沖激響應；b.根據(jù)步驟a得到的信道沖激響應計算期望信號和干擾信號各自的空間協(xié)方差矩陣；c.根據(jù)期望用戶信號與干擾和噪聲之間的關(guān)系，獲取新的干擾信號空間協(xié)方差矩陣；d.利用步驟b得到的期望信號空間協(xié)方差矩陣和步驟c獲取的新的干擾信號空間協(xié)方差矩陣計算當前陣列天線的波束賦形權(quán)系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟c所述獲取新干擾信號空間協(xié)方差矩陣具體包括c1.根據(jù)要達到的對期望用戶功率和干擾功率的約束能力設定比例系數(shù)；c2.計算步驟b所得到的干擾信號空間協(xié)方差矩陣對角線元素之和；c3.將步驟b所述干擾信號空間協(xié)方差矩陣加上所述比例系數(shù)、所述干擾信號空間協(xié)方差矩陣對角線元素之和與單位陣之積，得到新的干擾信號空間協(xié)方差矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述比例系數(shù)取值在0到正無窮之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述干擾為本小區(qū)干擾、外小區(qū)干擾以及TDD系統(tǒng)中非對稱業(yè)務模式下的基站間干擾。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)干擾抑制的波束賦形方法，該方法包括a.對當前陣列天線接收信號中的期望信號和干擾信號分別進行信道估計，得到期望信號和干擾信號各自的陣列信道沖激響應；b.根據(jù)步驟a得到的信道沖激響應計算期望信號和干狀信號各自的空間協(xié)方差矩陣；c.根據(jù)期望用戶信號與干擾和噪聲之間的關(guān)系，獲取新的干擾信號空間協(xié)方差矩陣；d.利用步驟b得到的期望信號空間協(xié)方差矩陣和步驟c獲取的新的干擾信號空間協(xié)方差矩陣計算當前陣列天線的波束賦形權(quán)系數(shù)。采用該方法能同時抑制強干擾信號，并保證賦形波束的指向不偏離。
文檔編號H01Q3/26GK1855770SQ20051006790
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者孫長果, 楊貴亮, 王映民 申請人:上海原動力通信科技有限公司