CN110149126A - 一种3d-mimo***的波束赋形方法及波束赋形装置 - Google Patents
一种3d-mimo***的波束赋形方法及波束赋形装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种3D‑MIMO***的波束赋形方法及波束赋形装置，该方法包括：获取接收信号的自相关矩阵；在360°范围内分别不断调整初始水平角度和初始垂直角度，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；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，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***平角度和精垂直角度；根据***平角度和精垂直角度获取波束赋形因子，以完成3D‑MIMO***的波束赋形，对接收信号入射角度进行粗扫描和精扫描两级扫描，获取的接收信号入射角度更精确。
Description
技术领域
本发明涉及多天线通信技术领域，尤其涉及一种3D-MIMO***的波束赋形方法及波束赋形装置。
背景技术
智能天线(SA)是移动通信***中抗多径衰落的关键技术，它使空中通信的无人机收发信机工作于选择性接收和发射状态，减少了多径衰落，其实质是空间域自适应滤波技术。智能天线通常被定义为一种安装于移动无线接入***基站侧的天线阵列，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元，获取无人机和地面设备之间各个链路的方向特性。智能天线采用波束赋形技术提高空间滤波效果，波束赋形一定程度上还具有抗多径效果。波束赋形的基本原理是通过改变各天线单元的权重，在空间形成方向性波束，主波束对期望无人机的信号进行跟踪，而在干扰用户方向形成零陷，这样就大大降低了***的干扰，提高了频率利用率。目前，智能天线的3D-MIMO(Three Dimensional Multiple InputMultiple Output)算法大多用于4G/5G OFDM通信设备中，或者雷达通信中，智能天线的基带信号处理器中完成全部基带数字信号的处理功能，包括波束赋形算法。此基带信号处理器使用软件无线电的概念，主要工作是在单片机(MCU)、数字信号处理器和可编程逻辑器件(FPGA或CPLD)等通用硬件平台上完成。但是针对小型化的无人机设备中较少使用。
目前，智能天线的波束赋形算法有一种波束扫描法(Grid of Beam，GOB)，GOB算法是利用信道的空域参数，使无人机实现下行指向性发射。GOB算法的基本思路是：将整个空间分为L个区域，并为每个区域设置一个初始角度；以各个区域的初始角度的方向向量为加权系数，计算接收信号功率，然后找到最大功率对应的区域，再将该区域的初始角度当作估计的到达角。利用上下行信道对称的特点，确定赋形角度。
现有技术针对GOB方式都是基于二维的线阵来实现，波束扫描速度慢、工作量大。
因此，提供一种3D-MIMO***的波束赋形方法及波束赋形装置。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的3D-MIMO***的波束赋形方法及波束赋形装置，解决如何在小型化单载波的通信设备应用快速波束赋形技术的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种3D-MIMO***的波束赋形方法，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***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***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***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***平角度和精垂直角度获取波束赋形因子，以完成3D-MIMO***的波束赋形。
进一步地，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。
进一步地，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。
进一步地，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-△θ，θ1+△θ]，其中，θ1为粗水平角度，△θ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2△θ/n1，其中，△θ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。
进一步地，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2△θ/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。
进一步地，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：
Ruu＝E[U(t)*UH(t)]
其中，Ruu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，UH(t)为接收信号矩阵的共轭矩阵。
进一步地，通过以下公式获取接收信号功率：
其中，Pcbf(θ,φ)为接收信号功率，为加权系数，Ruu为自相关函数，为加权系数的共轭。
进一步地，通过以下公式根据***平角度和精垂直角度获取波束赋形因子：
其中，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。
根据本发明的另一方面，提供一种3D-MIMO***的波束赋形装置，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***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***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***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***平角度和精垂直角度获取波束赋形因子，以完成3D-MIMO***的波束赋形。
进一步地，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。
本发明与现有技术相比具有以下的优点：
1.本发明的3D-MIMO***的波束赋形方法及波束赋形装置采用3D-MIMO的圆形天线阵列实现水平360度和俯仰360度三维的快速波束扫描，能够适应无人机360度的整个球面的通信要求；
2.本发明的3D-MIMO***的波束赋形方法及波束赋形装置对接收信号入射角度进行粗扫描和精扫描两级扫描，获取的接收信号入射角度更精确；
3.本发明的3D-MIMO***的波束赋形方法及波束赋形装置分别对两级扫描的水平扫描颗粒度和垂直扫描颗粒度进行细化，能够降低波束扫描的工作量，同时提高波束扫描的速度，大大节省了波束扫描的时间。
附图说明
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的圆形阵阵列模型示意图；
图2是本发明的3D-MIMO***的波束赋形方法步骤图；
图3是本发明的3D-MIMO***的波束赋形方法具体实现流程图；
图4是本发明的3D-MIMO***的波束赋形***框图；
图5是本发明的8天线圆形阵列中θ2＝30°，时的波束示意图；
图6是本发明的水平方向为60°时的水平方向波束扫描图；
图7是本发明的垂直方向为30°时的垂直方向波束扫描图；
图8是本发明的对8天线圆形阵列进行30°颗粒度粗扫描的3D-MIMO波束扫描图；
图9是本发明的水平方向以30°颗粒度粗扫描示意图；
图10是本发明的垂直方向以30°颗粒度粗扫描示意图；
图11是本发明的对8天线圆形阵列进行3°颗粒度精扫描的3D-MIMO波束扫描图；
图12是本发明的水平方向以3°颗粒度粗扫描示意图；
图13是本发明的垂直方向以3°颗粒度粗扫描示意图；
图14是本发明的水平角度误差3°时的波束对比图；
图15是本发明的垂直角度误差3°时的波束对比图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明主要用于解决如何在小型化单载波的通信设备应用快速波束赋形技术的问题，具体地，本发明提供的方法及装置需要能够适应无人机360度的整个球面的通信要求，因此，本发明采用图1所示的3D-MIMO的圆形天线阵列实现水平360度和俯仰360度三维的快速波束扫描。图中，方向s为接收信号的方向，θ为接收信号的垂直角度，为接收信号的水平角度。
以图1中的圆心为相位参考点，则可求出第n根天线与圆心之间的相位差为
所以圆形阵的归一化方向图函数为
当θ＝θ0，时，取最大值。
对圆形天线阵的波束形成器的方向导向矢量为
波束权值计算的方法是依据一定的准则，综合各输入信息来计算最优权值的数学方法。这些准则中最重要最常用的包括最小均方误差准则(MMSE)、最大信噪比准则(MSNR)和线性约束最小方差准则(LCMV)。这三种准则虽然在原理上完全不同，但是在理想情况下，这三种准则在理论上是等价的，得到的最佳权向量都可以表示为维纳解，即最佳权重为
当天线阵元的特性完全一样，都为全向天线时，矩阵R为一个对角矩阵，且对角线上的元素值都相同。
s(t)是原始发射信号，天线的接收信号为u
接收信号u使用了矢量通道脉冲响应(Vector Channel Impulse Response，VCIR)：
其中，I是多径总数，θi是i路多径方向，αi，τi分别是接收信号的方向矢量、幅度和时延。矢量通道脉冲响应给出了从发到收的脉冲响应(包括天线阵列)。它是传播空间与流形的总响应。
如发射信号为s(t)，则接收信号为：
其中，I是多径总数，θi是i路多径方向，αi，τi分别是接收信号的方向矢量、幅度和时延。
本发明的方法的基本原理如下：通过二维扫描角度θ,的方法获取信号的来波方向，从而完成波束的赋形。也就是连续变化也就是不断变动θ,两个变量，一个是俯仰角度，一个是水平角度，当时，也就是变动的角度和输入信号的角度一样或者接近时，输出功率P最大，此时，输出功率为
图2是本发明的3D-MIMO***的波束赋形方法步骤图，参见图2，本发明提供的3D-MIMO***的波束赋形方法，用于圆形天线阵列，包括以下步骤：
S1，根据多根天线的接收信号获取接收信号的自相关矩阵；
具体地，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：
其中，Ruu为自相关函数，为接收信号向量，为接收信号向量的共轭，E[·]为自相关矩阵期望值，U(t)为接收信号矩阵，UH(t)为接收信号矩阵的共轭矩阵。
例如，U是接收到N＝8根天线，每根天线接收信号为L＝128个符号数据作为采集到的物理层数据。因此，U(t)为一个N*L的矩阵，UH(t)为L*N的矩阵，N*L和L*N的两个矩阵相乘，得到一个N*N的自相关矩阵。
S2，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***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；
具体地，通过以下公式获取接收信号功率：
其中，为接收信号功率，为加权系数，Ruu为自相关函数，为加权系数的共轭。
获取接收信号功率的公式的推导如下：
为了获得主瓣方向对准的波束，实际上无人机多天线收到的信号如下，是来自于明确方向的信号其中，s(t)为原始发射信号，天线的接收信号为
该方向的空域匹配权W可表示为
本发明的目标是完成加权之后的信号Z的均方功率最大，如果Z的均方功率最大，意味着通过调整加权系数W找到了来波方向也就是让Pcbf功率最大，故此常规波束形成器的输出功率可以表示为：
其中，Ruu是阵列接收信号的自相关函数(协方差矩阵)，
σs＝E[s(t)2]
σn＝E[n(t)2]
具体地，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。
具体地，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。
将多组调整后的初始水平角度和初始垂直角度分别代入公式中，得到则θ1为粗水平角度，为粗垂直角度。
更详细地，θ按照part1＝360/N的角度从[-180°，180°]依次累加，按照part2＝180度/N的角度从[-180°，180°]依次累加，实现水平维度和垂直维度的大尺度全角度扫描。例如，当N＝8，初始水平角度为0°且初始垂直角度为0°时，粗扫描过程为：保持初始水平角度为0°，调整初始垂直角度分别为0°、-22.5°、-45°、-67.5°、-90°、-112.5°、-135°、-157.5°、-180°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°；调整初始水平角度为45°，调整初始垂直角度分别为0°、-22.5°、-45°、-67.5°、-90°、-112.5°、-135°、-157.5°、-180°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°；依次类推，分别调整初始水平角度为90°、135°、180°、-45°、-90°、-135°、-180°，并获取调整后的不同初始水平角度下，调整的初始垂直角度。
S3，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***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***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；
具体地，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-△θ，θ1+△θ]，其中，θ1为粗水平角度，△θ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2△θ/n1，其中，△θ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。
具体地，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2△θ/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。
例如，当△θ为3°，n1为10次时，预定的水平角度精颗粒度为0.6°；当为3°，n2为10次时，预定的垂直角度精颗粒度为0.6°。
将多组调整后的粗水平角度和粗垂直角度分别代入公式中，得到则θ2为***平角度，为精垂直角度。
S4，根据***平角度和精垂直角度获取波束赋形因子，以完成3D-MIMO***的波束赋形。
具体地，通过以下公式根据***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，θ2为***平角度，为精垂直角度，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。
本发明的3D-MIMO***的波束赋形方法采用3D-MIMO的圆形天线阵列实现水平360度和俯仰360度三维的快速波束扫描，能够适应无人机360度的整个球面的通信要求，例如，本发明提出基于3D-MIMO的三维角度的角度扫描，实质上就是两重循环进行扫描，首先水平维度扫描，水平角度移动一次，垂直方向完成一次完整扫描，水平角度再移动一次，垂直角度再进行一次完整扫描，这样进行了水平，垂直各360度无死角扫描，适合空中快速移动物体的波束赋形，例如无人机通信不同与4G/5G基站通信，有一定的方向性和扇区性。
本发明的3D-MIMO***的波束赋形方法对接收信号入射角度进行粗扫描和精扫描两级扫描，获取的接收信号入射角度更精确。
本发明的3D-MIMO***的波束赋形方法分别对两级扫描的水平扫描颗粒度和垂直扫描颗粒度进行细化，能够降低波束扫描的工作量，同时提高波束扫描的速度，大大节省了波束扫描的时间。例如，现有技术中，如果水平和俯仰都按照360度颗粒度是一度扫描，则需要NALL＝360*360＝129600次扫描次数。采用本发明，例如8天线，则粗扫描8*16次，精确扫描：10*10，总共仅仅需要NTWO＝228次扫描，仅仅是完全扫描的500分之一，大大节省了波束扫描的时间，使得2D-MIMO的角度扫描成为产品可以实现的方案。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
图3是本发明的3D-MIMO***的波束赋形方法具体实现流程图，参见图3，本发明的方法具体实现流程包括：无人机接收上行信道数据u(t)＝a(t)*s(t)；根据收到的信号组成自相关矩阵Ruu，Ruu是阵列接收信号的自相关函数(协方差矩阵)；根据圆形阵列的天线数量N，确定第一级粗扫描的水平角度颗粒度和垂直角度颗粒度，开始3D-MIMO的全方位第一级扫描；根据如下公式大颗粒度不断调整水平角度和垂直角度，寻找最大功率值，最大功率值对应的角度就是对方用户的大致来波方向，即粗水平角度和粗垂直角度；根据第一级扫描找到的粗水平角度和粗垂直角度，在这两个角度附近进行第二级高精度扫描，寻找最大功率值，最大功率值对应的角度就是寻找的精确角度，也就是用户来波的准确方向，通过两级寻找角度，能够快速的定位用户的来波方向，从而快速的完成3D-MIMO信号角度的扫描，从而最终确定用户的加权因子，通过此方法能够快速的完成无人机的波束赋形和方向确定。
图4是本发明的3D-MIMO***的波束赋形***框图，参见图4，本发明提供的3D-MIMO***的波束赋形装置，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***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***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***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***平角度和精垂直角度获取波束赋形因子，以完成3D-MIMO***的波束赋形。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本发明的3D-MIMO***的波束赋形装置采用3D-MIMO的圆形天线阵列实现水平360度和俯仰360度三维的快速波束扫描，能够适应无人机360度的整个球面的通信要求，例如，本发明提出基于3D-MIMO的三维角度的角度扫描，实质上就是两重循环进行扫描，首先水平维度扫描，水平角度移动一次，垂直方向完成一次完整扫描，水平角度再移动一次，垂直角度再进行一次完整扫描，这样进行了水平，垂直各360度无死角扫描，适合空中快速移动物体的波束赋形，例如无人机通信不同与4G/5G基站通信，有一定的方向性和扇区性。
进一步地，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。
本发明仿真了两级3D-NINO波束扫描：
仿真8天线圆形阵列中θ2＝30°，时的波束，参见图5，实际上由于象限的映射，会出来4个方向的信号，波束赋形因子为同一个，此时，在该已知波束DOA图中，X为31，Y为60，Z为7.993。其中，水平方向为60°时的水平方向波束扫描图如图6所示，垂直方向为30°时的垂直方向波束扫描图如图7所示。
粗扫描：仿真对8天线圆形阵列进行30°颗粒度粗扫描的3D-MIMO波束扫描图，结果如图8所示，通过本发明的方法和装置获取的波束的DOA图中，X为30，Y为60，Z为7.488，与已知波束比较接近。其中，水平方向以30°颗粒度粗扫描示意图如图9所示，垂直方向以30°颗粒度粗扫描示意图如图10所示。
精扫描：仿真对8天线圆形阵列进行3°颗粒度精扫描的3D-MIMO波束扫描图，结果如图11所示。其中，水平方向以3°颗粒度粗扫描示意图如图12所示，垂直方向以3°颗粒度粗扫描示意图如图13所示。
在实际测试角度时会存在一定的误差，一般角度误差控制在3度以内，信号损失小于0.3dB。这是由于天线数量少，角度不是很尖锐，差别一定的角度对性能影响较小。故此此时的波束赋形算法受到噪声影响较小。本发明仿真了角度误差3度时波束对比图，参见图14和图15，两个方向图几乎重合。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种3D-MIMO***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***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***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***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***平角度和精垂直角度获取波束赋形因子，以完成3D-MIMO***的波束赋形。
2.根据权利要求1所述的3D-MIMO***的波束赋形方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述的3D-MIMO***的波束赋形方法，其特征在于，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，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。
4.根据权利要求3所述的3D-MIMO***的波束赋形方法，其特征在于，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-△θ，θ1+△θ]，其中，θ1为粗水平角度，△θ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2△θ/n1，其中，△θ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。
5.根据权利要求4所述的3D-MIMO***的波束赋形方法，其特征在于，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，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2△θ/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。
6.根据权利要求5所述的3D-MIMO***的波束赋形方法，其特征在于，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：
Ruu＝E[U(t)*UH(t)]
其中，Ruu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，UH(t)为接收信号矩阵的共轭矩阵。
7.根据权利要求6所述的3D-MIMO***的波束赋形方法，其特征在于，通过以下公式获取接收信号功率：
其中，Pcbf(θ,φ)为接收信号功率，为加权系数，Ruu为自相关函数，为加权系数的共轭。
8.根据权利要求7所述的3D-MIMO***的波束赋形方法，其特征在于，通过以下公式根据***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。
9.一种3D-MIMO***的波束赋形装置，其特征在于，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***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***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***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***平角度和精垂直角度获取波束赋形因子，以完成3D-MIMO***的波束赋形。
10.根据权利要求9所述的3D-MIMO***的波束赋形装置，其特征在于，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。
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