法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-12-02
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H04B 7/06 专利号:ZL2012105584236 申请日:20121220 授权公告日:20150415
专利权的终止
2015-04-15
授权
授权
2014-08-13
专利申请权的转移 IPC(主分类):H04B7/06 变更前: 变更后: 登记生效日:20140721 申请日:20121220
专利申请权、专利权的转移
2013-05-29
实质审查的生效 IPC(主分类):H04B7/06 申请日:20121220
实质审查的生效
2013-04-24
公开
公开
技术领域
本发明涉及通信技术领域,尤其涉及基于双层圆形天线阵的 60GHz波束赋形方法和系统。
背景技术
2003年,IEEE发布新标准IEEE 802.15.3,“WPAN的无线媒体接 入拉制(MAC)和物理层(PHY)规范”,该标准首次提出在短距离 范围内实现吉比特速率传输的无线通信系统。为了在60GHz频段达到 超过5Gbps的传输速率,2009年IEEE 802.15.3c标准对IEEE 802.15.3标 准做了进一步的补充改进说明,标准中对三种物理层模式进行了定义 说明,并且定义了一种全新的波束赋形协议,其目的是增大系统的传 输范围。
60GHz毫米波短距离无线通信技术在频谱资源紧缺的今天突显 出巨大潜力。60GHz毫米波带宽大,灵活性强,然而它面临的最大挑 战是过高的路径损失。为了弥补损耗与衰减,波束赋形成为60GHz毫 米波的一个重要研究领域。
目前IEEE 802.15.3c标准中的波束赋形协议已经得到广泛应用, IEEE 802.15.3c标准中波束赋形协议定义的码本有以下特点:
1.码本设计基于调相天线阵列,每一列是一个权重矢量,对应一 个实际波束;
2.仅采用相位调制,无幅度调制,减小了60GHz射频段电子器件 的功耗;
3.码本设计的波束在360度平面范围内对称分布,目的是尽量减 少不同频段下波束移动造成的增益损失;
波束赋形包括两个部分:码本设计和训练步骤,码本是指一系列 提前定义好的固定的波束赋形矢量,码本矩阵的每一列是一个天线权 重矢量,代表一个波束;训练步骤是指找出最佳波束的搜索过程。
3c波束码本的表达式为:
m=0,1,2,…M-1;k=0,1,2,…K-1
其中m为矩阵的行编号,也可以看作是对天线元件的编号;k为矩阵 的列编号,也可以看作是对波束的编号,M为天线元件个数,K为波 束数量。floor函数表示取小于或者等于括号内指定表达式的最大整 数。mod表示取模运算函数,mod(X,Y)为X除以Y所得的余数。
一维天线阵阵列因子表达式可以写成:
其中k表示波束编号,Ak(θ)表示第k个波束对应的阵列因子。对于 矩形天线阵列来说,阵列因子可以拆写成x轴方向和y轴方向一维天 线阵阵列因子的乘积,所以3c标准对码本的定义和应用主要围绕一 维天线阵展开。
3c标准里定义了波束赋形的三种模式(Pattern),分别为: Quasi-omni模式、Sector模式和Beam模式,如图1所示,图1A表 示Quasi-omni模式,图1B表示Sector模式,图1C表示Beam模式。 三种模式中Quasi-omni模式级别最低,涵盖范围最广,Beam模式级 别最高,范围最小。一个Quasi-omni模式包含多个Sector,一个Sector 里可以包含多个Beam。每一个模式的不同区域从0开始编号,同一 模式不同序号的区域之间允许相互重叠。
对应三种模式,3c标准中的设计训练步骤分为三步:Quasi-omni 级别搜索、Sector级别搜索和Beam级别搜索。
第一阶段(Quasi-omni级别搜索):发送方将所有的Quasi-omni 和接收方所有的Quasi-omni一一配对进行数据传输,接收方将所有 配对方式和相应的信道特性参数SNR值进行记录,全部传输结束后, 接收方选取最大的SNR值,将对应的配对方式反馈给发送方,至此 第一阶段结束,找到了最佳Quasi-omni对(即最佳发送Quasi-omni 和接收Quasi-omni)。
第二阶段(Sector级别搜索):在第一阶段得出的最佳Quasi-omni 对的范围内,将所有的发送Sector和接收Sector一一配对进行数据传 输,找到了最佳Sector对(即最佳发送Sector和接收Sector)。
第三阶段(Beam级别搜索):在第二阶段得出的最佳Sector对的 范围内,将所有的发送Beam和接收Beam一一配对进行数据传输, 找到了最佳Beam对(即最佳发送Beam和接收Beam)。
图2中分为三个步骤,一共需要1×2+2×2+3×3=15次训练, 如果直接从所有Beam里一一枚举配对筛选需要6×12=72次训练, 相比之下,3c协议提出的训练步骤可以使训练时间降低。
综上所述,现有技术中实现一维阵列天线的过程中存在以下缺 陷:
1.由于一维天线阵列的特性限制,几乎所有波束有两个主瓣方 向,除了期望方向还指向一个干扰方向;
2.三种模式中只有Beam模式存在对应码本;
3.立体天线方向图的纵轴覆盖尚有缺陷,某些波束沿z轴方向发 散,指向不明确;
4.由于码本限制产生的增益损失较大;
5.训练时间还比较大,仍有较大的降低空间,进而提高速度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是,针对上述缺陷,如何为每一种波束 赋形模式设计对应的码本,进而改善3c码本的一个波束指向多个方 向,指向不明确的问题,同时进一步减少增益损失和波束训练时间。
(二)技术方案
为解决上述问题,本发明提供了基于双层圆形天线阵的60GHz 波束赋形方法,所述双层圆形天线阵包括内圈天线阵和外圈天线阵, 所述波束赋形方法包括码本设计和训练步骤,具体包括:
S1:根据圆形天线阵阵列因子表达式
将所述圆形天线阵的天线权重矢量循环移动一位,波束的方向图 旋转2π/M或2π/N角度,且形状不变,其中M为所述内圈天线阵 中包含的内圈天线元件个数,m为所述内圈天线阵的天线元件编号, N为所述外圈天线阵的天线元件个数,n为所述外圈天线阵的天线元 件编号,λ为波长,r1为所述内圈天线阵的半径,并且r1=λ/2,r2为所 述外圈天线阵的半径,并且r2/λ=N/16;
S2:关闭所述外圈天线阵,打开所述内圈天线阵,利用公式
进行Quasi-omni码本设计得到两种Quasi-omni模式,其中m为所述 内圈天线阵的天线元件编号,m的取值范围为0,1……M-1,且M=8, k为Quasi-omni模式编号,取值为0和1;
将发送方所有的发送Quasi-omni与接收方所有的接收 Quasi-omni一一配对进行数据传输,得到SNR值最大的发送 Quasi-omni为最佳发送Quasi-omni,相对应的接收Quasi-omni为最 佳接收Quasi-omni,所述最佳发送Quasi-omni和所述最佳接收 Quasi-omni组成最佳Quasi-omni对;
S3:根据公式
进行Sector码本设计并配合相应的训练步骤,得到最佳Sector对,其 中m为所述内圈天线阵的天线元件编号,m的取值范围为0,1…… M-1,M为所述内圈天线元件数目,k为Sector模式编号,k的取值 范围为0,1……K-1,K为Sector数目,且K=M=8;
S4:关闭所述内圈天线阵,打开所述外圈天线阵,在所述最佳 Sector对范围内根据公式
进行Beam码本设计并配合相应的训练步骤,得到最佳Beam对,其 中N的值为8的整倍数,且N>8,n为所述外圈天线阵的天线元件 编号,n取值范围为0,1……N-1,i为Beam模式编号,i的取值范围 为0,1……I-1,I为波束数量,且I=N。
为解决上述问题,本发明还提供了基于双层圆形天线阵的60GHz 波束赋形系统,所述系统包括:
圆形天线阵列因子单元,根据圆形天线阵阵列因子表达式
Quasi-omni码本设计单元,当关闭所述外圈天线阵,打开所述 内圈天线阵时利用公式
进行Quasi-omni码本设计得到两种Quasi-omni模式,其中m为所述 内圈天线阵的天线元件编号,m的取值范围为0,1……M-1,且M=8, k为Quasi-omni模式编号,取值为0和1;
将发送方所有的发送Quasi-omni与接收方所有的接收 Quasi-omni一一配对进行数据传输,得到SNR值最大的发送 Quasi-omni为最佳发送Quasi-omni,相对应的接收Quasi-omni为最 佳接收Quasi-omni,所述最佳发送Quasi-omni和所述最佳接收 Quasi-omni组成最佳Quasi-omni对;
Sector码本设计单元,根据公式
进行Sector码本设计并配合相应的训练步骤,得到最佳Sector对,其 中m为所述内圈天线阵的天线元件编号,m的取值范围为0,1…… M-1,M为所述内圈天线元件数目,k为Sector模式编号,k的取值 范围为0,1……K-1,K为Sector数目,且K=M=8;
Beam码本设计单元,在所述最佳Sector对范围内根据公式
进行Beam码本设计并配合相应的训练步骤,得到最佳Beam对, 其中N的值为8的整倍数,且N>8,n为所述编号,n取值范围为 0,1……N-1,i为所述编号,i的取值范围为0,1……I-1,I为波束数量, 且I=N。
(三)有益效果
本发明提出了基于双层圆形天线阵的60GHz波束赋形方法和系 统,通过进行Quasi-omni码本设计找到所有Quasi-omni,一一配对 得到最佳Quasi-omni对;在最佳Quasi-omni对内进行Sector码本设 计和相应的训练步骤得到最佳Sector对;在最佳Sector对内进行 Sector码本设计和相应的训练步骤得到最佳Beam对,使得三种模式 均产生对应的码本,在实现天线方向图中波束大小一致、分布均匀和 指向明确的同时,达到短时间内搜索到高准确度、高增益、较小的增 益损耗的天线波束的目的,而且圆形天线阵关于相移错误的鲁棒性更 强、更稳定。由于产生天线权重矢量时采取只调相,不调幅的方式, 还能够减小射频器件复杂度。
附图说明
图1为IEEE 802.15.3c标准中波束赋形的Quasi-omni模式、Sector 模式和Beam模式三种模式示意图;
图2为3c训练步骤示意图;
图3为本发明实施例一中的基于双层圆形天线阵的60GHz波束赋 形方法中Quasi-omni模式码本设计示意图;
图4为本发明实施例一中的基于双层圆形天线阵的60GHz波束赋 形方法中Sector模式码本设计示意图;
图5为本发明实施例一中的基于双层圆形天线阵的60GHz波束赋 形方法中Beam模式码本设计示意图;
图6为发明实施例一中的基于双层圆形天线阵的60GHz波束赋形 方法中训练步骤流程示意图;
图7为本发明实施例一中的基于双层圆形天线阵的60GHz波束赋 形方法中训练步骤S3的流程示意图;
图8为本本发明实施例一中的基于双层圆形天线阵的60GHz波束 赋形方法中训练步骤S4的流程示意图;
图9为本发明实施例一中圆形天线阵码本与3c码本的对应x-y平 面图和三维立体方向图比较示意图;
图10为本发明实施例一中圆形天线阵码本与3c码本天线方向性 系数比较示意图;
图11为本发明实施例一中圆形天线阵码本与3c码本增益损耗比 较示意图;
图12为本发明实施例一中圆形天线阵码本与3c码本的相移错误 在MRA上产生的增益损失的累积分布图对比示意图;
图13为本发明实施例一中圆形天线阵码本与3c码本训练时间对 比示意图;
图14为本发明实施例二中基于双层圆形天线阵的60GHz波束赋 形系统组成示意图;
图15为本发明实施例二中Sector码本设计单元的组成示意图;
图16为本发明实施例二中Beam码本设计单元的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
实施例一
为了解决上述问题,实施例一中提供了基于双层圆形天线阵的 60GHz波束赋形方法,其中圆形天线阵的波束赋形方法包括:码本设 计和训练步骤。
在本实施例中,内圈天线元件数量M=8,内圈天线阵的半径与 波长的关系为r1=λ/2=2.5mm;外圈天线元件数量N为8的整倍数(大 于8),外圈天线阵的半径与波长的关系为r2/λ=N/16,外圈天线数量 选为16。
(一)码本设计
本发明提出的圆形天线阵波束赋形码本对应三种模式,即 Quasi-omni模式、Sector模式和Beam模式。
以下三种码本设计都是基于圆形天线阵阵列因子
得到各种模式,其中Quasi-omni模式码本设计和Sector模式码本设 计都是利用内圈天线进行搜索,所以利用前一个公式;Beam模式码 本设计利用外圈天线进行搜索,所以利用后一个公式。
第一步:Quasi-omni模式码本设计,表达式为
m=0,1,2,...,7;k=0,1
Quasi-omni模式码本设计示意图如图3所示。
第二步:Sector模式码本设计,表达式为
m=0,1,2,...,7;k=,1,2,...,7
Sector模式码本设计示意图如图4所示。
第三步:模式码本设计,表达式为
n,i为圆形天线阵的天线元件编号和Beam模式编号,外圈天线 阵的天线元件个数为16,所以n=0,1……15;i=0,1……15。
Beam模式码本设计示意图如图5所示,图5A为外圈天线元件 为16时的Beam模式码本设计示意图,图5B为外圈天线元件为32 时的Beam模式码本设计示意图,图5C为外圈天线元件为64时的 Beam模式码本设计示意图,图5D为外圈天线元件为128时的Beam 模式码本设计示意图,图5E为外圈天线元件为256时的Beam模式 码本设计示意图。
其中第一步为Quasi-omni级搜索,第二步为Sector级搜索,第 一步和第二步都是粗搜索,此时打开内圈天线阵,关闭外圈天线阵;
第三步为Beam级搜索,Beam级搜索是细搜索,此时打开外圈 天线阵,关闭内圈天线阵。
(二)训练步骤的具体流程如图6所示,包括:
步骤S1:根据圆形天线阵阵列因子表达式
将圆形天线阵的天线权重矢量循环移动一位,其中的M为天线 元件数量,对于内圈天线M=8,波束的方向图旋转2π/M=2π/8=π/4, 对于外圈天线N=16,波束的方向图旋转2π/N=2π/16=π/8,且形状不 变,圆形天线阵具有良好的旋转特性,在步骤S2、S3和S4中都是基 于圆形天线阵的阵列因子得到的。
S2:关闭外圈天线阵,打开内圈天线阵,利用公式
进行Quasi-omni码本设计得到两种Quasi-omni模式,其中m为内圈 天线阵的天线元件编号,m的取值范围为0,1……M-1,且M=8,k为 Quasi-omni模式编号,取值为0和1,λ为波长,r1为内圈天线阵的 半径,并且r1=λ/2;
将发送方所有的发送Quasi-omni与接收方所有的接收 Quasi-omni一一配对进行数据传输,得到SNR值最大的发送 Quasi-omni为最佳发送Quasi-omni,相对应的接收Quasi-omni为最 佳接收Quasi-omni,最佳发送Quasi-omni和最佳接收Quasi-omni组 成最佳Quasi-omni对。
S3:根据公式
进行Sector码本设计得到8个Sector,如图4A所示,配合相应的训 练步骤最终得到最佳Sector对,其中此时k的取值范围为0,1……7。
假设步骤S3中得到的最佳发送Quasi-omni为Quasi-omni 0模 式,最佳接收Quasi-omni为Quasi-omni 1模式,步骤S3的具体实现 流程图如图7所示,具体包括:
S31:接收方保持Quasi-omni 1模式不变,发送方将与Quasi-omni 0模式形状相对应的四种发送Sector(如图4B所示)与Quasi-omni 1 一一配对进行数据传输,从中选择与最大SNR值对应的发送Sector 为最佳发送Sector。
S32:发送方保持最佳发送Sector不变,接收方将与Quasi-omni 1 形状相对应的四种接收Sector(如图4C所示)与最佳发送Sector一 一配对进行数据传输,从中选择与最大SNR值对应的接收Sector为 最佳接收Sector,最佳发送Sector与最佳接收Sector组成最佳Sector 对。
S4:关闭内圈天线阵,打开外圈天线阵,在最佳Sector对范围内 根据公式
进行Beam码本设计并配合相应的训练步骤,得到最佳Beam对。
其中N的值为8的整倍数,且N>8,n为外圈天线阵的天线元 件编号,n取值范围为0,1……N-1,i为Beam模式编号,i的取值范 围为0,1……I-1,I为波束数量,且I=N。λ为波长,r2为外圈天线阵 的半径,并且r2/λ=N/16。
其中步骤S4的具体流程图如图8所示,具体包括:
S41:接收方持最佳接收Sector不变,发送方关闭内圈天线阵, 打开外圈天线阵,发送最佳Sector范围内数目为NumB的Beam并一 一配对,选择与最大SNR值相对应的发送Beam为最佳发送Beam。
其中选取发送Beam数目
外圈天线数量的值除了取本实施例中的16,N也可以取其他大 于8且为8的整数倍的数值,表1列举出了几种典型情况下的Beam 数量选取方案。
表1几种典型的Beam数来选取方案表
S42:发送方保持最佳发送Beam不变,接收方关闭内圈天线阵, 打开外圈天线阵,用数目为NumB的Beam接收波束并一一配对,选 择与最大SNR值相对应的接收Beam为最佳接收Beam,最佳发送 Beam与最佳接收Beam组成最佳Beam对。每一组选取的波束中, 中心位置Beam的MRA方向与最佳Sector的MRA方向一致,假设 最佳Sector的MRA为x轴正半轴,Beam选取规则如图5所示,具 体如下:
当外圈天线元件数量为16时,选择Beam的数量为3,如图5A 所示;当外圈天线元件数量为32时,选择Beam的数量为5,如图 5B所示;当外圈天线元件数量为64时,选择Beam的数量为9,,如 图5C所示;当外圈天线元件数量为128时,选择Beam的数量为17, 如图5D所示;当外圈天线元件数量为256时,选择Beam的数量为 33,如图5E所示,……以此类推。
如果取天线的通信频率f=60GHz,波长λ=c/f=5mm,内圈天线 数量M=8,外圈天线数量N=16的双层圆形天线阵列结构中,对三维 方向图、天线方向性系数、增益损失、鲁棒性等性能进行分析,将圆 形天线阵与IEEE 802.15.3c标准逐一比较。
1.三维方向图
三维方向图对比如图9所示,图9A表示圆形天线阵码本的三维 立体方向图和对应x-y平面图实例,图9B表示3c码本的三维方向图 和对应x-y平面图示例。由于圆形天线具有旋转特性,即当天线权重 矢量循环移动一位时,波束方向图形状不变,只是角度旋转2π/M。
因此,3c码本的三维方向图沿纵轴向多个方向伸展,波束变得 分散,指向不明确,而圆形天线阵码本的三维方向图纵轴覆盖非常好, 相当于将二维平面图直接沿z轴进行纵向拉伸。
2.天线方向性系数
天线方向性系数定义为最强辐射方向的功率密度与辐射同样总 功率的理想全向天线在该点的功率密度之比。天线方向性系数衡量了 天线方向图的尖锐程度,通常方向图的主瓣宽度越窄,方向性系数越 大,方向性越强。天线方向性系数D的表达式为:
其中A(θ)为天线阵列因子,表示在最强辐射方向上的阵列因 子的平方,为天线权重矢量的厄米特转置,矩阵Ω的定义与天线 阵列形式有关。
天线增益(也称为天线最大增益系数)G可以表示为:
G=eD,e∈[0,1]
其中,e表示天线效率,可以看作是常数,通常理论分析中取e=1, 所以天线的方向性系数可以直接用来反映天线的增益。为了进行更全 面的比较,此处对天线数量N选取多个值计算方向性系数。
天线方向性系数比较示意图如图10所示,由于3c码本的波束形 状不同,所以方向性系数随之不同;圆形天线阵码本在天线元件数量 固定时,所有波束形状相同,方向性系数为常数。
可以看出,圆形天线阵码本的Dmax介于3c码本Dmax的最大 值与最小值之间,二者增益均较为可观。
3.增益损失
由于天线码本设计的波束数量是有限的,不能在所有方向都达到 最大增益。最弱辐射方向(通常是两个波束交界处)与最强辐射方向 相比产生的增益损失图如图11所示,可见圆形天线阵码本的增益损 失明显比3c码本的增益损失小。
4.鲁棒性
在本发明的圆形天线阵码本设计中,天线权重系数没有调幅操 作,只进行相位调制,射频调相比基带调相更困难,由于相移错误造 成的增益损失是对系统鲁棒性分析的一个重要标准。
相移错误和绝对相位是有关的,对于每一种相位来说,它可能产 生的相移错误与绝对相位成正比关系。假设相移错误err服从高斯分 布,均值为0,标准差(std)取0.1和0.2两种情况,并且相移错误是与 绝对相位成正比的。经过相移错误后得到的相位θ1与正确绝对相位θ0的关系表达式为:
θ1=(1+err)θ0
由于相移错误,天线方向图会与正确调相的方向图有一定偏差, 称调相正确时阵列因子最大辐射方向为主要方向(MRA),图12显 示了由于相移错误在MRA上产生的增益损失的累积分布图,图12A 为外圈天线元件为16时的增益损失的累积分布图,图12B为外圈天 线元件为32时的增益损失的累积分布图。
可见圆形天线阵码本的累积分布图比3c码本收敛快,当N=16, std=0.1时,3c码本的增益损失在0.4dB以内,而圆形天线阵码本的 增益损失可以保证在0.2dB以内。随着外圈天线元件数量N的增加, 两种码本的增益损失均减小。在达到100%的概率时,圆形天线阵码 本由于相移错误导致的增益损失比3c码本小,鲁棒性更强。
5.训练时间
3c码本和圆形天线阵码本的训练步骤均分为三个阶段,二者所 用的训练时间(训练次数)如图13和表2所示。
表2训练时间对比表
假设系统为对称系统,发送方与接收方天线数量与各级模式数量 均相同,表2和图13中显示了3c码本和圆形天线阵码本的粗细搜索 所用的时间,由于3c码本没有规定三种模式的数目,假设天线数目 等于波束数目,计算每种情况下的3c最短训练时间。通过图13中时 间对比可以看出圆形天线阵码本的粗搜索阶段只需要12次训练就可 以达到45度以内的准确度。当采取细波束搜索时,准确度和天线增 益加强,训练时间比粗搜索时间长,大约为3c训练最短时间的一半。
综上,通过使用本发明实施例一中提供的基于双层圆形天线阵的 60GHz波束赋形方法实现了以下有益效果:通过关闭外圈天线阵,打 开内圈天线阵,进行Quasi-omni码本设计得到两种Quasi-omni模 式,将发送方所有的发送Quasi-omni与接收方所有的接收 Quasi-omni一一配对进行数据传输,得到SNR值最大的发送 Quasi-omni为最佳发送Quasi-omni,接收Quasi-omni为最佳接收 Quasi-omni,最佳发送Quasi-omni和最佳接收Quasi-omni组成最佳 Quasi-omni对;进行Sector码本设计并配合相应的训练步骤,得到 最佳Sector对;在最佳Sector对范围内进行Beam码本设计并配合相 应的训练步骤,得到最佳Beam对,使得三种模式均产生对应的码本, 在实现天线方向图中波束大小一致、分布均匀和指向明确的同时,达 到短时间内搜索到高准确度、高增益、较小的增益损耗的天线波束的 目的,而且圆形天线阵关于相移错误的鲁棒性更强、更稳定。由于产 生天线权重矢量时采取只调相,不调幅的方式,还能够减小射频器件 复杂度。
实施例二
为达到上述目的,本发明的实施例二中还提供了基于双层圆形天 线阵的60GHz波束赋形系统,如图14所示,系统包括:
圆形天线阵列因子单元1401、Quasi-omni码本设计单元1402、 Sector码本设计单元1403和Beam码本设计单元1404。
圆形天线阵列因子单元1401,根据圆形天线阵阵列因子表达式
将圆形天线阵的天线权重矢量循环移动一位,波束的方向图旋转 2π/M或2π/N角度,且形状不变,其中M为内圈天线阵中包含的 内圈天线元件个数,m为内圈天线阵的天线元件编号,N为外圈天线 阵的天线元件个数,n为外圈天线阵的天线元件编号,λ为波长,r1为 内圈天线阵的半径,并且r1=λ/2,r2为外圈天线阵的半径,并且r2/λ= N/16。
本实施例中以M=8,N=16时的天线进行设计。
Quasi-omni码本设计单元1402,当关闭外圈天线阵,打开内圈 天线阵时利用公式
进行Quasi-omni码本设计得到两种Quasi-omni模式,其中m为内圈 天线阵的天线元件编号,m的取值范围为0,1……M-1,且M=8,k为 Quasi-omni模式编号,取值为0和1,λ为波长,r1为内圈天线阵的 半径,并且r1=λ/2;
将发送方所有的发送Quasi-omni与接收方所有的接收 Quasi-omni一一配对进行数据传输,得到SNR值最大的发送 Quasi-omni为最佳发送Quasi-omni,相对应的接收Quasi-omni为最 佳接收Quasi-omni,最佳发送Quasi-omni和最佳接收Quasi-omni组 成最佳Quasi-omni对。
Sector码本设计单元1403,根据公式
进行Sector码本设计并配合相应的训练步骤,得到最佳Sector对,其 中m为内圈天线阵的天线元件编号,M为内圈天线元件数目,k为 Sector模式编号,m和k的取值范围均为0,1……7。
具体的,Sector码本设计单元1403包括:
最佳发送Sector获取单元14031,接收方保持最佳接收 Quasi-omni不变,发送方将与最佳发送Quasi-omni形状相对应的发 送Sector与最佳接收Quasi-omni一一配对进行数据传输,选择与最 大SNR值对应的发送Sector为最佳发送Sector;
最佳接收Sector获取单元14032,发送方保持最佳发送Sector不 变,接收方将与最佳接收Quasi-omni形状相对应的接收Sector与最 佳发送Sector一一配对进行数据传输,选择与最大SNR值对应的接 收Sector为最佳接收Sector,最佳发送Sector与最佳接收Sector组成 最佳Sector对。
Beam码本设计单元1404,在最佳Sector对范围内根据公式
进行Beam码本设计并配合相应的训练步骤,得到最佳Beam对,其 中N为外圈天线阵的天线元件个数,N的值为8的整倍数,且N>8, 编号,n取值范围为0,1……N-1,i为的号,i的取值范围为0,1……I-1, I为波束数量,且I=N,λ为波长,r2为外圈天线阵的半径,并且r2/λ= N/16。
具体的,Beam码本设计单元1404包括:
最佳发送Beam获取单元14041,接收方保持最佳接收Sector不 变,发送方关闭内圈天线阵,打开外圈天线阵,发送最佳Sector范围 内数目为NumB的Beam并一一配对,选择与最大SNR值相对应的发 送Beam为最佳发送Beam,其中
最佳接收Beam获取单元14042,发送方保持最佳发送Beam不 变,接收方关闭内圈天线阵,打开外圈天线阵,用数目为NumB的 Beam接收波束并一一配对,选择与最大SNR值相对应的接收Beam 为最佳接收Beam,最佳发送Beam与最佳接收Beam组成最佳Beam 对。
通过使用本发明实施例二中提供的基于双层圆形天线阵的 60GHz波束赋形系统实现了以下有益效果:通过关闭外圈天线阵,打 开内圈天线阵,进行Quasi-omni码本设计得到两种Quasi-omni模 式,将发送方所有的发送Quasi-omni与接收方所有的接收 Quasi-omni一一配对进行数据传输,得到SNR值最大的发送 Quasi-omni为最佳发送Quasi-omni,接收Quasi-omni为最佳接收 Quasi-omni,最佳发送Quasi-omni和最佳接收Quasi-omni组成最佳 Quasi-omni对;进行Sector码本设计并配合相应的训练步骤,得到 最佳Sector对;在最佳Sector对范围内进行Beam码本设计并配合相 应的训练步骤,得到最佳Beam对,使得三种模式均产生对应的码本, 在实现天线方向图中波束大小一致、分布均匀和指向明确的同时,达 到短时间内搜索到高准确度、高增益、较小的增益损耗的天线波束的 目的,而且圆形天线阵关于相移错误的鲁棒性更强、更稳定。由于产 生天线权重矢量时采取只调相,不调幅的方式,还能够减小射频器件 复杂度。
以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关 技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下, 还可以做出各种变化和变型,因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
机译: 移动通信系统中基于GPS信号的基站天线阵列装置及波束赋形方法
机译: 移动通信系统中基于GPS信号的基站天线阵列装置及波束赋形方法
机译: 无线通信系统中使用天线阵列进行波束赋形的装置和方法