CN108599818B - 一种面向5g的多维自适应mimo***及其调整天线端口的辐射模式的方法 - Google Patents

一种面向5g的多维自适应mimo***及其调整天线端口的辐射模式的方法 Download PDF

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Abstract

一种面向5G的多维自适应MIMO***及其调整天线端口的辐射模式的方法，***包括发射天线阵列、第一转盘、宽带矢量信号发生器、接收天线阵列、第二转盘、宽带矢量信号分析仪和数据获取终端；宽带矢量信号发生器、宽带矢量信号分析仪分别与发射天线阵列、接收天线阵列相连，数据获取终端与宽带矢量信号发生器和宽带矢量信号分析仪相连。方法通过优化天线元件的权重矢量，将天线端口之间的相关性表示为构成天线端口的天线元件矩阵及其相应的权重矢量函数；通过控制施加到天线元件方位角度，天线元件仰角度和天线元件下倾角度实现天线端口的辐射模式的动态调整。本发明采用天线阵列结构，形状因子更灵活，提供更多分析信息，增加***空间相关性。

Description

一种面向5G的多维自适应MIMO***及其调整天线端口的辐射 模式的方法
技术领域
本发明涉及一种面向5G的多维自适应MIMO***及其调整天线端口的辐射模式的方法，利用天线元件的数量、位置、模式和相应的权重矢量来控制天线端口的辐射模式。
背景技术
大规模多输入多输出(MIMO)基站配备大量天线(一般为几十到几百个)，以获得额外的***增益。MIMO技术是第五代(5G)无线通信***研究和标准化的活跃领域。MIMO技术由于能够应对无线数据业务的增长和提高无线***的可靠性，因此在过去的二十年中一直是人们关注的课题。从旅客体验来看，除了5G的要求外，高速铁路，城市轨道交通和地铁的下一代交通***对宽带和数据传输速率也有要求，大规模MIMO已成为下一代无线通信***发展的必然趋势。
为了与现有的第三代合作伙伴计划(3GPP)LTE标准兼容，大多数现有MIMO在基站部署少于十个线性放置的天线，频谱效率的相应提高虽然很重要，但还可以通过将这些***扩大到可能的数量级来大大改善数据传输效率。虽然大规模MIMO技术是下一代蜂窝***的关键推动力，但其成功部署的道路仍然存在许多实际挑战。一个主要的挑战是基站塔顶配备的天线数量受到基站形状因素和LTE载波频率的限制。为了克服这个困难，3GPP提出了使用2D均匀平面阵列，与传统的均匀线阵(ULA)相比，可以提供更多的分析信息。除了大规模天线阵列的出现之外，在过去的十年中，基站收发信台设备位于远离无源天线元件阵列的位置，放大器和移相器的模拟部分位于无源天线元件的远程无线接口附近。与传统的LTE***相比，多维MIMO天线的数量由基站的平面结构决定。2D平面阵列结构中的大量天线元件给用户提供了大量的空间分离传输链路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有大规模MIMO部署存在的上述不足，提供一种面向5G的多维自适应MIMO***，采用二维平面阵列结构，与传统的均匀线阵相比，其形状因子更灵活，可以提供更多分析信息；通过控制施加到天线元件的权重矢量实现天线辐射模式的动态调整；同时，大规模紧凑的天线阵列结构增加了测试***的空间相关性。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种面向5G的多维自适应MIMO***，包括发射天线阵列、第一转盘、宽带矢量信号发生器、接收天线阵列、第二转盘、宽带矢量信号分析仪和数据获取终端；
所述发射天线阵列与第一转盘相连，第一转盘用于控制发射天线阵列进行360度旋转；宽带矢量信号发生器与发射天线阵列相连，宽带矢量信号发生器用于产生无线信号，发射天线阵列用于发射无线信号；接收天线阵列与第二转盘相连，第二转盘用于控制接收天线阵列进行360度旋转；接收天线阵列用于接收发射天线阵列发射的无线信号；宽带矢量信号分析仪与接收天线阵列相连，用于分析接收天线阵列接收的无线信号；数据获取终端与宽带矢量信号发生器和宽带矢量信号分析仪相连，数据获取终端用于采集、存储和计算无线信道估计和接收信噪比估计参数。
进一步，所述发射天线阵列包括NBP个发射天线U11,…,U1NBP-1,U1NBP，其中，NBP为发射天线阵列中发射天线的个数，每个发射天线对应一组布置在垂直域中的天线元件，发射天线U11包括天线端口U111，权重矢量U121(β1(θe)),U122(β2(θe)),…,U12Ne(βNe(θe))，以及天线元件U131,U132,…,U13Ne，Ne为每个发射天线对应天线元件或权重矢量的个数；其他发射天线依次类推。
进一步，每个发射天线中，天线端口位于发射天线的顶端，用于发射天线的无线信号发射；权重矢量用于控制天线元件在目标方向上的辐射角度；多个天线元件构成了发射天线的列，各个天线元件携带相同的信号，根据相应的辐射角度将方向聚焦于接收天线阵列。
进一步，每个发射天线中，天线元件在发射天线内部纵向等距离放置。
进一步，所述第一转盘、第二转盘均为圆形，第一转盘、第二转盘分别控制发射天线阵列和接收天线阵列进行360度顺时针或者逆时针旋转。
本发明还提供了一种利用上述面向5G的多维自适应MIMO***调整天线端口的辐射模式的方法，包括以下步骤：
S1、通过优化天线元件的权重矢量，将天线端口之间的相关性表示为构成天线端口的天线元件矩阵及其相应的权重矢量函数；
S2、通过控制施加到天线元件的天线元件方位角度，天线元件仰角度和天线元件下倾角度实现天线端口的辐射模式的动态调整。
按上述方案，所述步骤S1中天线元件的权重矢量通过数据获取终端根据自适应算法调整，自适应算法采用CN100474786公开的递归最小平方算法。
按上述方案，所述步骤S2中天线端口的辐射模式用下式表示：
Figure BDA0001608599150000021
式中，
Figure BDA0001608599150000022
是Ne×NBP个天线元件的权重矢量矩阵，
Figure BDA0001608599150000023
是Ne×NBP个天线元件的辐射响应矩阵；
第i个天线端口中的第j个天线元件的辐射响应
Figure BDA0001608599150000024
表示为：
Figure BDA0001608599150000025
式中，dy是天线端口之间的水平距离，dz是天线元件之间的垂直距离，φ是天线元件方位角度，θ是天线元件仰角度；
第i个天线端口中的第j个天线元件的权重矢量
Figure BDA0001608599150000031
表示为：
Figure BDA0001608599150000032
式中，θe是天线元件下倾角度。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1、本发明采用二维平面阵列结构，与传统的均匀线阵相比，其形状因子更灵活，可以提供更多的分析信息，同时，大规模紧凑的天线阵列结构增加了测试***的空间相关性；
2、多维信道建模研究考虑了整个天线端口之间的信道，而不是构成这些端口的单元之间的信道，并使用近似的天线端口辐射模式，天线端口之间的相关性表示为构成端口的天线元件矩阵及其相应的权重矢量函数；
3、利用具有二维平面阵列结构的有源天线***不仅允许大量的天线元件被包装，还提供了自适应电子波束形成能力；无线资源是基于天线端口的，每个天线端口映射到一组沿垂直方向排列的天线元件，控制施加到这些天线元件的方位角度，仰角度和下倾角度实现天线辐射模式的动态调整。
附图说明
图1是本发明面向5G的多维自适应MIMO测试***结构示意图；
图2是本发明NBP组天线元件的垂直极化排列示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明面向5G的多维自适应MIMO***，包括发射天线阵列U1、第一转盘U21、宽带矢量信号发生器U3、接收天线阵列U4、第二转盘U22、宽带矢量信号分析仪U5、数据获取终端U6。
发射天线阵列U1与第一转盘U21相连，第一转盘U21用于控制发射天线阵列U1进行360度旋转；宽带矢量信号发生器U3与发射天线阵列U1相连，宽带矢量信号发生器U3用于产生无线信号，发射天线阵列U1用于发射无线信号；接收天线阵列U4与第二转盘U22相连，第二转盘U22用于控制接收天线阵列U4进行360度旋转；接收天线阵列U4用于接收发射天线阵列U1发射的无线信号；宽带矢量信号分析仪U5与接收天线阵列U4相连，用于分析接收天线阵列U4接收的无线信号；数据获取终端U6与宽带矢量信号发生器U3和宽带矢量信号分析仪U5相连，数据获取终端U6用于采集、存储和计算宽带矢量信号发生器和宽带矢量信号分析仪的无线信号数据。
第一转盘U21、第二转盘U22均为圆形，可以360度顺时针或者逆时针旋转。
参照图2，发射天线阵列U1包括NBP个发射天线U11,…,U1NBP-1,U1NBP，其中，NBP为发射天线阵列U1中发射天线的个数，NBP可以为3～20；每个发射天线对应一组布置在垂直域中的天线元件。发射天线U11包括天线端口U111，权重矢量U121(β1(θe)),U122(β2(θe)),…,U12Ne(βNe(θe))，以及天线元件U131,U132,…,U13Ne，Ne为每个发射天线对应天线元件或权重矢量的个数。其他发射天线依次类推。
天线端口U111位于发射天线U11的顶端，用于发射天线U11的无线信号发射；权重矢量U121(β1(θe)),U122(β2(θe)),…,U12Ne(βNe(θe))分别用于控制天线元件U131,U132,…,U13Ne在目标方向上的辐射角度；多个天线元件U131,U132,…,U13Ne构成了发射天线U11的列，各个天线元件携带相同的信号，根据相应的辐射角度将方向聚焦于接收天线阵列。
天线元件U131,U132,…,U13Ne在发射天线U11内部纵向等距离放置，纵向间距为dz即天线元件之间的垂直距离。
天线端口的辐射模式取决于发射天线内的天线元件数量、位置、模式和相应的权重矢量，它是天线元件辐射模式和发射天线阵列因子的叠加。
天线端口U111的辐射模式可以用下式表示：
Figure BDA0001608599150000041
式中，
Figure BDA0001608599150000042
是Ne×NBP个天线元件的权重矢量矩阵，
Figure BDA0001608599150000043
是Ne×NBP个天线元件的辐射响应矩阵。
第i个天线端口中的第j个天线元件的辐射响应
Figure BDA0001608599150000044
表示为：
Figure BDA0001608599150000045
式中，dy是天线端口之间的水平距离，dz是天线元件之间的垂直距离，φ是天线元件方位角度，θ是天线元件仰角度。
第i个天线端口中的第j个天线元件的权重矢量
Figure BDA0001608599150000046
表示为：
Figure BDA0001608599150000047
式中，θe是天线元件下倾角度。
数据获取终端U6根据自适应算法调整天线元件的权重矢量U121(β1(θe))，U122(β2(θe))，…,U12Ne(βNe(θe))，自适应算法采用CN100474786公开的递归最小平方算法。
天线元件的权重矢量U121(β1(θe)),U122(β2(θe)),…,U12Ne(βNe(θe))通过控制天线元件方位角度φ，天线元件仰角度θ，天线元件下倾角度θe来调整天线端口的辐射模式。
本发明面向5G的多维自适应MIMO***，通过优化天线元件的权重矢量，将天线端口之间的相关性表示为天线元件的相关矩阵及其相应的权重矢量函数；通过控制施加到天线元件的天线元件方位角度，天线元件仰角度和天线元件下倾角度实现天线端口的辐射模式的动态调整。天线端口的辐射模式取决于发射天线内的天线元件数量、位置、模式和相应的权重矢量。它是天线元件辐射模式和发射天线阵列因子的叠加。
本发明采用二维平面阵列结构，与传统的均匀线阵相比，其形状因子更灵活，可以提供更多的分析信息，同时，大规模紧凑的天线阵列结构增加了测试***的空间相关性。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种利用面向5G的多维自适应MIMO***调整天线端口的辐射模式的方法，面向5G的多维自适应MIMO***包括发射天线阵列、第一转盘、宽带矢量信号发生器、接收天线阵列、第二转盘、宽带矢量信号分析仪和数据获取终端；所述发射天线阵列与第一转盘相连，第一转盘用于控制发射天线阵列进行360度旋转；宽带矢量信号发生器与发射天线阵列相连，宽带矢量信号发生器用于产生无线信号，发射天线阵列用于发射无线信号；接收天线阵列与第二转盘相连，第二转盘用于控制接收天线阵列进行360度旋转；接收天线阵列用于接收发射天线阵列发射的无线信号；宽带矢量信号分析仪与接收天线阵列相连，用于分析接收天线阵列接收的无线信号；数据获取终端与宽带矢量信号发生器和宽带矢量信号分析仪相连，数据获取终端U6用于采集、存储和计算无线信号数据，其特征在于，方法包括以下步骤：
S1、通过优化天线元件的权重矢量，将天线端口之间的相关性表示为构成天线端口的天线元件矩阵及其相应的权重矢量函数；
S2、通过控制施加到天线元件的天线元件方位角度，天线元件仰角度和天线元件下倾角度实现天线端口的辐射模式的动态调整；天线端口的辐射模式用下式表示：
Figure FDA0003000911520000011
式中，
Figure FDA0003000911520000012
是Ne×NBP个天线元件的权重矢量矩阵，
Figure FDA0003000911520000013
是Ne×NBP个天线元件的辐射响应矩阵，NBP为发射天线阵列中发射天线的个数，Ne为每个发射天线对应天线元件或权重矢量的个数；
第i个天线端口中的第j个天线元件的辐射响应
Figure FDA0003000911520000016
表示为：
Figure FDA0003000911520000014
式中，dy是天线端口之间的水平距离，dz是天线元件之间的垂直距离，φ是天线元件方位角度，θ是天线元件仰角度；
第i个天线端口中的第j个天线元件的权重矢量
Figure FDA0003000911520000017
表示为：
Figure FDA0003000911520000015
式中，θe是天线元件下倾角度。
2.根据权利要求1所述的利用面向5G的多维自适应MIMO***调整天线端口的辐射模式的方法，其特征在于，所述发射天线阵列包括NBP个发射天线U11,…,U1NBP-1,U1NBP，每个发射天线对应一组布置在垂直域中的天线元件，发射天线U11包括天线端口U111，权重矢量U121(β1(θe)),U122(β2(θe)),…,U12Ne(βNe(θe))，以及天线元件U131,U132,…,U13Ne；其他发射天线依次类推。
3.根据权利要求2所述的利用面向5G的多维自适应MIMO***调整天线端口的辐射模式的方法，其特征在于，每个发射天线中，天线端口位于发射天线的顶端，用于发射天线的无线信号发射；权重矢量用于控制天线元件在目标方向上的辐射角度；多个天线元件构成了发射天线的列，各个天线元件携带相同的信号，根据相应的辐射角度将方向聚焦于接收天线阵列。
4.根据权利要求2所述的利用面向5G的多维自适应MIMO***调整天线端口的辐射模式的方法，其特征在于，每个发射天线中，天线元件在发射天线内部纵向等距离放置。
5.根据权利要求1所述的利用面向5G的多维自适应MIMO***调整天线端口的辐射模式的方法，其特征在于，所述第一转盘、第二转盘均为圆形，第一转盘、第二转盘分别控制发射天线阵列和接收天线阵列进行360度顺时针或者逆时针旋转。
6.根据权利要求1所述的利用面向5G的多维自适应MIMO***调整天线端口的辐射模式的方法，其特征在于，所述步骤S1中天线元件的权重矢量通过数据获取终端根据自适应算法调整，自适应算法采用递归最小平方算法。
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