[发明专利]一种用于均匀矩形阵列的全方向波束赋形方法

权利要求书

1.一种用于均匀矩形阵列的全方向波束赋形方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步，对于一个M根天线组成的均匀矩形大规模天线阵列组成的基站端，将流入待发送的数据流进行空时块编码，空时块编码所用矩阵为4×N，具体如下：

M＝P×Q，P、Q为天线阵列的行和列；

第二步，利用4个波束赋形向量W＝[w₁,w₂,…,w₄]，即一个M×4维的波束赋形矩阵，对得到的空时块编码进行波束赋形，得到发送信号如下：

X＝WB           (2)

其中，是基站端待广播发送给各个用户的公共信号,且每一个波束赋形向量w_k可以分组成P个对应矩形阵列P行天线的长为Q的向量：w_k＝[w_k,1^T,w_k,2^T,…,w_k,P^T]^T,k＝1,2,…,4，w_k,p＝[w_k,p1,w_k,p2,…,w_k,pQ]^T；

第三步，定义上述第一步中均匀矩形阵列的导向矢量矩阵及其矢量化后的导向矢量如下：

其中，和θ是均匀矩形阵列下空间某一发射方向与x-轴和z-轴形成的夹角，d_y和d_x分别表示均匀矩形阵列相邻天线在y-轴和x-轴上的间距，λ表示发射信号波长，操作vec表示矩阵列向量化；由此得到系统有效的阵列响应：

再进一步结合空时块编码，得到用户端接收信号处理后的信号噪声比SNR为：

其中，E_S是发送信号的能量，σ²是噪声能量，代表输入信噪比；

第四步，为了使发送波束图达到全平，设计波束赋形矩阵达到如下目标：

定义将其分成P×P个子矩阵如下：

其中：

第四步中，完成全方向波束赋形设计，用到如下已有序列：

两个长为L的序列c₁和c₂：

c₁＝(c_1,1,…,c_1,L)，c₂＝(c_2,1,…,c_2,L) (9)

其非周期相关函数定义为：

关于c的自相关函数与式(9)相同，只要设置c＝c₁＝c₂；一个序列集若满足以下公式：

则被称为(N,L)互补序列集；其中，δ(τ)是克罗内克-delta函数，且

全方向波束赋形矩阵为达到全方向覆盖，需要满足如下要求：

定义公式(8)中S矩阵的各对角线上的子矩阵块之和如下：

并以和重写公式(3)，并代入公式(7)经过推导后得到：

其中，代表在第(-n)条副对角上为1、其余对角线上全为零的托普利兹矩阵；从公式(13)可知，每一个方向上得到的信号能量是的二维傅里叶变换，于是，满足如下条件：

则得到的的值与方向无关；

第四步中，所使用的波束赋形矩阵设计方案具体如下：

假设b₁,b₂是长度为P的互补序列，c₁,c₂是长度为Q的互补序列，则满足全方向覆盖的秩为4波束赋形矩阵设计如下：

其中，操作表示克罗尼克积；

由公式(15)及公式(8)得到：

其中，b₁＝[b₁₁,b₁₂,…,b_1P]^T，b₂＝[b₂₁,b₂₂,…,b_2P]^T，c₁＝[c₁₁,c₁₂,…,c_1Q]^T，c₂＝[c₂₁,c₂₂,…,c_2Q]^T；

再根据公式(13)得到：

即由公式(15)构造的全方向波束赋形矩阵满足全方向覆盖条件，即公式(14)。