[发明专利]一种基于移动目标DOA的零陷扩展3D-MIMO波束赋形方法

说明书

本发明公开了一种基于移动目标DOA的零陷扩展3D‑MIMO波束赋形方法，属于干扰抑制领域。首先在现有3D‑MIMO波束赋形的基础上，针对通信的基站与某移动终端，在xy平面上构造M×N个阵元的天线阵；并分别计算每个阵因子的权值；确定目标移动终端与干扰移动终端与基站之间的DOA信息；然后根据DOA信息重新调整每个阵因子的权值；最后通过对期望方向和非期望方向周围的角度区域施加约束，在非期望方向上进行零陷扩展，同时在期望方向上无失真。解决了用户移动性场景下零陷宽度较窄时干扰抑制能力下降的问题，提高了系统的鲁棒性，从而有效抑制位置变化的干扰，并使期望信号得到较好的接近无失真相应，有效提高了频谱效率以满足更高的速率要求。

技术领域

本发明属于干扰抑制领域，具体是一种基于移动目标DOA的零陷扩展3D-MIMO波束赋形方法。

背景技术

根据《5G愿景与需求白皮书》描述，5G支持的广域覆盖场景将为用户提供高达10Mbit/s的体验密度，支持热点区域的数据流量密度可达10Gbit/s体验速率和10Tbit/km2数据密度。但是，传统的MIMO天线不仅数量少，控制能力差，而且其空间复用，空间分集和波束赋形等功能的低性能和侧重性的应用，也为5G所不能接受。

3D-MIMO技术是5G的关键技术之一，在2D-MIMO技术的基础上增加了垂直方向的空间自由度，能够提高系统容量、增加频谱效率、有效降低小区间干扰。从LTE Rel-11标准化的初始阶段就有公司开始推动3D-MIMO波束赋形技术，而在Rel-12的准备阶段已经有越来越多的运营商和设备制造商企业表现出对3D-MIMO波束赋形技术的热情。

智能天线的工作原理主要包括两个过程，首先是天线系统对来自移动终端发射的多径信号的波达方向(DOA)进行估计，算出移动终端与基站的距离、下倾角和方位角后进行空间滤波，从而抑制其它终端对基站的干扰；其次是基站根据DOA信息，调整天线各振子上信号的幅度和相位的权值，对智能天线发送的信号进行数字波束赋形，使基站发射信号的主瓣能够以较小的波瓣角和较高的功率密度，沿着移动终端电波信号的波达方向送回移动终端，从而使智能天线发射的电磁波的主瓣方向对准期望用户，零瓣方向对准干扰源。

显然，智能天线的核心是波束赋形的产生和赋形波束的定位，既要产生功率密度极高、辐射距离更远的赋形波束，也要使赋形波束能够准确定位用户终端。

MIMO天线的波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，它是通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而获得明显的阵列增益。若能根据信道条件适当控制每个阵元的加权系数，同样可以获得在增强期望方向信号强度的同时，尽可能降低对非期望方向的干扰。如果加权系数是通过终端的DOA参数预处理得到，则波束赋形就可以指向终端用户。然而现有波束赋形技术都是基于用户静止状态时信号估计的DOA信息来进行调整，而在用户移动性场景中，波束赋形性能将严重降低。

3D-MIMO波束赋形系统需要一套方案来决定权重，从而调整波束指向，使得波束指向理想用户终端，而在非理想用户的方向形成零陷以减轻干扰。这样可以增加信干噪比，并且使来自其它旁瓣的干扰有所减轻。因此需要一套权重决定方法，来分别构建水平和垂直阵列的权值，最小化阵列模式向量和单位向量的均方误差，这里单位向量表示理想方向的阵列模式，零向量表示非理想方向的阵列模式。由于矩形平面阵列可以看成M个N维的线阵列，这样M-N维阵列的权重可以分别从水平阵列和垂直阵列的权重得到。

波束导向和零陷方法主要依靠角度域信息进行赋形权值生成，当用户移动的时候，由于用户终端位置的不确定性可能影响波达方向DOA估计的准确性，从而降低波束赋形技术的干扰抑制性能。传统的波束赋形方法形成的零陷较窄，在信号波达方向估计准确时可以很好地抑制干扰信号。但实际中由于信号DOA变化，会导致干扰来向与零陷位置失准以及期望信号导向适量失配，使得波束赋形输出的信号中含有未被抑制的干扰信号。导向矢量失配会导致波束赋形性能下降。

发明内容