[发明专利]基于互质阵列的自适应波束成形方法

摘要

本发明公开了一种基于互质阵列的自适应波束成形方法，主要解决现有技术无法充分利用互质阵列的性质和输出性能下降的问题，其实现步骤是(1)基站端架构互质阵列；(2)将互质阵列分解为一对互质稀疏均匀线性子阵列，并进行信号建模；(3)利用分解的互质稀疏均匀线性子阵列接收信号进行波达方向估计；(4)基于一对互质稀疏均匀线性子阵列协方差矩阵联合优化的功率估计；(5)期望信号导引向量重建；(6)干扰加噪声协方差矩阵重建；(7)波束成形权重向量设计。本发明充分利用了互质阵列所包含的互质性质以实现精确的参数估计，并重建波束成形权重向量的重要参数，有效地提升了自适应波束成形器的输出性能，可用于信号的定向发送与接收。

主权项

一种基于互质阵列的自适应波束成形方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)基站端使用M+N‑1个物理天线阵元，按照互质阵列结构进行架构；其中M与N为互质整数；(2)将互质阵列分解为一对互质稀疏均匀线性子阵列，并进行信号建模。将非均匀的互质阵列分解为一对互质稀疏均匀线性子阵列，其中第一个子阵列包含M个间距为Nd的物理天线阵元；第二个子阵列包含N个间距为Md的物理天线阵元；这里，单位间隔d为入射窄带信号波长λ的一半，即d＝λ/2。采用这一对互质稀疏均匀线性子阵列接收K+1个远场窄带非相干信号源的入射信号，分别得到M×1维和N×1维的接收信号xM(l)和xN(l)。假定K+1个信号源包含一个期望信号θs和K个干扰信号θ1,θ2,…,θK，xM(l)和xN(l)可分别建模为：xM(l)＝dM(θs)s(l)+iM(l)+nM(l)，xN(l)＝dN(θs)s(l)+iN(l)+nN(l)，其中，s(l)为信号波形，iM(l)和iN(l)分别表示这一对子阵列接收到的干扰信号分量，nM(l)和nN(l)分别表示这一对子阵列接收信号的噪声分量，dM(θs)与dN(θs)为这一对子阵列所对应的期望信号导引向量，可表示为：dM(θs)=[1,e-jπNsin(θs),...,e-jπ(M-1)Nsin(θs)]T,]]>dN(θs)=[1,e-jπMsin(θs),...,e-jπ(N-1)Msin(θs)]T,]]>这里，[·]T表示转置操作。相应地，根据L个采样快拍，这一对互质稀疏均匀线性子阵列的采样协方差矩阵和可计算为：R^M=1LΣl=1LxM(l)xMH(l),]]>R^N=1LΣl=1LxN(l)xNH(l),]]>其中，(·)H表示共轭转置；(3)利用分解的互质稀疏均匀线性子阵列接收信号进行波达方向估计。引入多重信号子空间分类方法，分别对和进行统计信号处理，计算出这一对互质稀疏均匀线性子阵列所对应的空间功率谱：pM(θ)=1dMH(θ)UMUMHdM(θ),]]>pN(θ)=1dNH(θ)UNUNHdN(θ),]]>其中，UM与UN分别为采样协方差矩阵和的噪声子空间，θ为假定的信号波达方向；分别寻找空间功率谱pM(θ)和pN(θ)中的峰值所对应的波达方向角度值，获得波达方向角度集合ΘM和ΘN。接着，将信号波达方向的范围划分成期望信号角度域Φ和干扰信号角度域即满足Φ与并集涵盖全部的波达方向范围，Φ与的交集为空集。期望信号的波达方向估计值可通过在期望信号角度域Φ中，寻找集合ΘM和ΘN内最接近的两个值求平均获得，即：minθMi,θNj|θMi-θNj|,∀θMi,θNj∈Φ,]]>其中，与分别为集合ΘM和ΘN中的元素。期望信号的波达方向估计值可计算为：θ^s=θMi+θNj2.]]>类似地，干扰信号的波达方向估计值可通过在干扰信号角度域中寻找：f(θMi,θNj)=|θMi-θNj|<ϵ,∀θMi,θNj∈Φ‾,]]>其中，ε为一个预定义的误差阈值。求解上式获得个满足条件的波达方向集合则干扰信号的波达方向估计值可通过将这个满足条件的波达方向集合分别求平均获得；(4)基于一对互质稀疏均匀线性子阵列协方差矩阵联合优化的功率估计。将期望信号波达方向估计值以及个干扰信号的波达方向估计值作为先验信息，构建如下基于一对互质稀疏均匀线性子阵列协方差矩阵联合优化的功率估计问题：minΛeU=||R^M-DM(θ^)ΛDMH(θ^)-σ^n2IM||F2+||R^N-DN(θ^)ΛDNH(θ^)-σ^n2IN||F2]]>subject to Λ≥0，这里，eU为协方差矩阵拟合误差，为一个对角矩阵，包含期望信号的功率值以及个估计得到的干扰信号的功率值为噪声功率的估计值，可通过取采样协方差矩阵和最小特征值的平均值得到，IM和IN分别表示维度为M×M和N×N的单位矩阵，‖·‖F表示Frobenius范数；Λ≥0保证了矩阵Λ的半正定性。求解上述优化问题获得包含期望信号功率估计值和各干扰信号功率估计值的对角矩阵(5)期望信号导引向量重建。根据期望信号方向估计值以及互质阵列的结构，期望信号导引向量可重建为：d(θ^s)=[1,e-jπu2sin(θ^s),...,e-jπuM+N-1sin(θ^s)]T,]]>其中，u＝[u1,u2,…,uM+N‑1]表示M+N‑1个互质阵列物理天线阵元的位置，且u1＝0；(6)干扰加噪声协方差矩阵重建。根据个干扰信号的波达方向估计值和功率估计值以及噪声功率估计值干扰加噪声协方差矩阵可重建为：R^i+n=Σk=1K^σ^k2d(θ^k)dH(θ^k)+σ^n2IM+N-1,]]>其中，IM+N‑1为(M+N‑1)×(M+N‑1)维单位矩阵；(7)波束成形权重向量设计。根据重建的期望信号导引向量和干扰加噪声协方差矩阵互质阵列自适应波束成形器的权重向量可设计为：w=R^i+n-1d(θ^s)dH(θ^s)R^i+n-1d(θ^s),]]>其中，[·]‑1为求逆操作。权重向量w的维度为(M+N‑1)×1，对应于互质阵列中M+N‑1个物理天线阵元。相应地，波束成形器的输出波形为：y(l)＝wHx(l)。