TDMA通信系统中阵列天线多波束成形方法及装置与流程

本发明属于通信技术领域，更进一步说，涉及一种基于时分多址(tdma)通信系统中阵列天线多波束成形方法及其装置。

背景技术：

波束成形作为阵列信号处理的关键技术之一，在通信、雷达和声呐等领域有着广泛的应用。波束成形就是对感兴趣方向的信号形成波束的主波瓣且衰减其它方向的干扰。在蜂窝网式移动通信、地空通信、多用户协作通信等领域，智能型阵列天线技术的重要性十分显著，其中阵列天线波束成形技术是最重要的基本技术。自适应波束成形，可提高天线增益改善链路特性，可通过快速跟踪对准目标方向，扩大通信覆盖范围，扩展用户容量，因此其意义十分重大。

国家发明专利“一种多波束相控天线系统”(申请公布号：cn105896079a)公开了一种多波束相控阵天线系统，该系统由m阵元天线阵列、m选n开关组件，n通道滤波组件、n通道功放、低噪声组件、n通道变频组件和n通道基带处理组件组成。该系统利用平面定向天线组成圆阵，结合天线选择进行波束赋形，可生成m个波束实现水平3600覆盖。该发明具有多波束全覆盖，瞬时点波束互通的功能，体积小，重量轻。但其采用利用开关组件波束扫描的方法实现多波束全覆盖，跟踪和对准移动用户的实时性、灵活性不足。此外，目前已有的阵列天线在实现多个波束同时对准移动用户时其硬件复杂度可能很高；而且同时跟踪多个目标的自适应波束成形方法，通常都需要有训练序列，需要付出较大的频带利用率代价。

针对以上问题，本发明提出一种不依赖训练序列、能适时地跟踪对准多个移动用户、低复杂度、易于硬件实现的多波束成形方法及装置。

技术实现要素：

针对以上现有技术的不足，本发明提出一种时分多址(tdma)通信系统中阵列天线多波束成形方法及装置，解决现有自适应波束成形技术需要依赖训练序列、设备复杂度高、时变特性差等问题，具有无需训练序列开销、设备和计算复杂度都很低、波束跟踪移动用户实时性好、各个波束均可获得完全阵列处理增益等优点。

a.总体结构原理和方法描述

本发明是一种用于tdma通信系统中阵列天线多波束成形的方法及装置，对于给定的通信频带b，每帧时长为tfrm，每帧划分为m个时隙(m＝4～32)，m个用户分别在指定的时隙中采用n阵元(n＝2～16)的收发共享天线发送和接收信号。

该系统接收端包括有：n个射频-中频-基带信号处理单元(101)、n个正交下变频及采样量化单元(102)、n个时分分接单元(103)、k个自适应波束成形计算单元(104)；其多波束自适应成形的信号处理步骤如下：

步骤101：n个天线阵元所接收到的n路信号，分别通过相应的101单元和102单元处理后，输出n个基带复数字信号，送到相应的103单元。

步骤102：n个信号分别在n个103单元中进行时分分接，各输出k个长度都为lslot个样点的子帧信号{xi，n(t)；i＝1：k，t＝1：lslot}|n＝1：n，其中lslot为每帧每个时隙包含的样点个数，将这kn个子帧信号看作是k个n维的矢量序列，即

{xi(t)，t＝1：lslot}|i＝1：k＝{[xi，1(t)xi，2(t)...xi，n(t)]，t＝1：lslot}|i＝1：k

各子帧信号都相继地排列为无穷长的矢量序列

步骤103：将第i个矢量序列送到第i个104单元中，采用基于输出功率最大化的自适应波束成形方法进行权值的自适应迭代更新，每一采样时刻t输出一个n维的权矢量用于合成第i个波束的输出信号，即

其中权矢量序列也是由各相应时隙的lslot长权矢量序列{wi，q(τ)，q＝0：∞；τ＝1：lslot}相继排列而成，即

则在不断的自适应迭代过程中，所得接收信号{yi(t)}|i＝1：k收敛于k个波束的正确输出，其波束方向分别指向k个发送用户的来波方向。

该系统发送端包括有：基带复信号产生单元(201)、数模转换单元(202)、正交载波调制单元(203)、射频信号放大单元(204)；其发送多波束成形的信号处理步骤如下：

步骤201：对于要发送给k个用户的信息，分别送到相应的201单元，各输出一个基带复信号并将它们都划分为每段lslot个样点的信号段，即

步骤202：对于要发送给第i个用户(i＝1：k)的信号{ui，q(τ)}，将它乘以接收端在104单元中自适应迭代权值更新所得权矢量{wi，q(τ)，q＝0：∞；τ＝1：lslot}，得到一个lslot长的n维信号矢量序列即第q帧、第i个时隙所对应的矢量序列为

步骤203：将送到第n个(n＝1：n)由相应的202单元、203单元、204单元构成的发送信号处理通道，变为射频信号后经双工耦合器送到第n个天线阵元在第q帧的第i时隙中进行发射。

上述多波束自适应成形方法最大的优点是，其所需的射频-中频-基带信号处理通道数较少；它始终等于天线阵元数n，无论时隙数m是多大，或者进一步采用mf-tdma体制将用户总数扩大多少倍，都是如此。因此其硬件实现的复杂度很低。

b.独特的自适应波束成形方法描述

本发明所采用的基于输出功率最大化的自适应多波束成形方法，其步骤如下：

步骤301-阵列天线接收信号预处理

n阵元的阵列天线各个阵元分别接收射频信号，经各个信号处理通道处理后得到n个基带复信号，可表示为一个n维矢量序列，来波方向体现在这n个复信号中隐含载波的相位差异。对于有m个时隙的tdma系统，其中第i个时隙(即第i个用户)的各个子帧信号段按序排列成为一个n维的矢量序列下面省略下标i，将任意一个用户的接收信号矢量序列表示为{x(t)＝[x1(t)，x2(t)，…，xn(t)]，t＝1：∞}，进而描述如何形成一个指向该用户信号来波方向的天线波束，其自适应迭代过程如下。

步骤302-自适应迭代过程初始化：

令t＝1，w(t)|t＝1＝[w1(t)，w2(t)，…，wn(t)]|t＝1＝[1，1，…，1]；

步骤303-基于权值合成输出信号：利用权值量w(t)，将输入的n阵元接收信号{x(t)}合成为一个输出信号y(t)＝x(t)(w(t))^t；

步骤304-计算权矢量修改量：根据最陡梯度爬坡法计算权矢量修改值，即

δw(t)＝＝μx(t)(y(t))^*；

步骤305-权矢量初步更新：

步骤306-权矢量更新回调：由回调得到修正的权矢量

w(t+1)＝[w1(t+1)，w2(t+1)，…，wn(t+1)]

其中w1(t+1)＝1；再令t→t+1，w(t)＝w(t+1)，然后转向步骤303继续进行迭代。

上述自适应迭代波束成形算法，是基于输出信号功率最大化准则的最陡梯度爬坡法，其流程框图如图2所示。在迭代过程中各权值的模始终保持等于1，这就防止了信号功率趋向于无穷大。这种算法的收敛速度很快，只要100多个样点的迭代就能收敛到接近目标值，其计算复杂度也很低，与常规方法利用训练序列估计多个来波方向的算法相比，其计算复杂度可降低许多倍，例如几十至几百倍。

本发明具有如下的积极效果：

1.无需训练序列开销

本发明利用阵列接收信号所具有的相位信息，采用自适应迭代方法获得波束成形权值，无需依赖训练序列，因此避免了因增加训练序列而产生的多余开销。

2.解决了天线增益与角度覆盖范围之间的矛盾

本发明将tdma技术与阵列天线技术相结合，对不同时隙信号采用不同波束成形权值，各时隙波束成形权值分别进行迭代更新，互不影响，因此可精确区分多用户来波方向，不同时隙波束指向不同用户角度，角度覆盖范围广，且各个波束均可获得完全的阵列波束成形增益。

3.可解决tdma系统每帧时隙数不能太多的问题，有助于扩大用户容量

一般tdma系统每帧的时隙数只能取为10左右，因为时隙数越多，每个用户发射信号功率的峰平比越小，不仅使射频功率转换效率变得很低，而且会使传输链路的预算不足。本发明采用自适应波束成形方法使收发天线的增益同时提高，可显著增大链路预算的余量，因而允许时隙数增大，例如增大到32，这就有助于扩大用户容量。同时本发明所述方法亦适用于mf-tdma系统，可进一步扩大用户容量。

4.跟踪移动用户的实时性、灵活性好

本发明对不同用户信号独立进行波束成形权值迭代更新，在用户变换时只需读取不同权值进行更新，因此跟踪移动用户的实时性、灵活性较好。

5.计算复杂度低，易于硬件实现

本发明采用的自适应波束成形方法不涉及信号自相关矩阵求解、矩阵求逆、矩阵分解等复杂的矩阵运算，只涉及简单的矢量运算，因此大大降低了计算复杂度，易于硬件实现。而且在硬件实现时，m个自适应波束成形单元可分时隙复用一套硬件资源，进一步降低了硬件成本。

附图说明

图1本发明多波束成形装置示意图

图2本发明多波束成形算法流程图

具体实施方式：

下面结合附图，以4用户tdma通信系统8阵元均匀线阵多波束成形装置及其方法为例，对本发明进行进一步说明。

结合附图1，本发明所述的tdma通信系统中阵列天线多波束成形装置具体组成单元与连接方式如下：

(1)其接收端由8个射频-中频-基带信号处理单元(101)、8个正交下变频及采样量化单元(102)、8个时分分接单元(103)以及4个自适应波束成形计算单元(104)构成。其信号传输及处理过程为：

8个天线阵元所接收到的8路信号，分别在8个101单元和102单元处理后得到8个基带复数字信号，送到相应的103单元进行时分分接；然后重新分4组分别送到4个自适应波束成形计算单元，分别进行权值的自适应迭代更新得到4组权值；进而用它们形成4个波束并产生4个输出信号，即4组不断更新的权值，将8个接收信号各合成一个信号，共得到4个输出信号。

(2)其发送端包括有：基带复信号产生单元(201)、数模转换单元(202)、正交载波调制单元(203)、射频信号放大单元(204)；其信号传输及处理过程为：

对于要发送给4个用户的信息，分别送到相应的201单元，各产生一个基带复信号，共得到4个复信号；在202单元中，将它们按时隙分段，并与接收端各时隙通过自适应迭代更新所得权矢量相乘，得到4个n维信号矢量序列；然后送到203单元、204单元转换为射频载波调制信号，按照4个指定的时隙分段由8阵元天线进行发送，则发送信号在空间进行功率合成，形成与4个接收波束主波瓣指向相同的发射波束。

根据上述基本方案，提出如下两个具体实施例，对本发明使用场景及优点作进一步说明：

实施例1：将本发明用于目前正在广泛应用的tdd-scdma的3g基站，可使其小区的覆盖范围扩大8倍以上，为人口稀疏的农村地区提供宽带服务。基站天线采用3副8阵元阵列天线，各覆盖120度的区域实现空分多址；同时每幅阵列天线支持4个1.6mhz带宽的频带、每个频带8个时隙共32个波束的自适应成形；3副阵列天线共计可形成96个波束。由于自适应波束成形天线的增益比120度单波束天线的增益提高8倍左右，因此其覆盖半径将增大2.8倍左右，覆盖区域的面积增大8倍左右。每副8阵元天线只需8个射频-中频-基带信号处理通道，虽然需要32个自适应权值迭代波束成形单元，但由于每个时隙对一个自适应权值进行调整，因此32个自适应迭代单元可通过复用方式使用一套硬件计算资源，其硬件复杂度是可以接受的。

实施例2：一个由32架无人机构成的无人机群，构建一个有64mhz信号带宽、帧长25ms、每帧32个时隙的无中心tdd-tdma通信系统，每个用户的信息速率为2mbps，可实现32个用户之间进行时分双工的双向通信；其中任意一个用户都可作为一个超级用户，同时与其余31个用户进行双向通信；这个超级用户也可以是一个天线增益较高、发射功率较大的远程地面指挥中心站。每个无人机用户的天线采用4阵元天线，每个阵元位于一个等边4面体的顶点上，每次选择其中3个阵元进行自适应波束成形，即可覆盖周围360度的范围。每个用户可有1～31个自适应波束成形单元，因此最多可以在31个时隙(除去自己所占用的时隙)中各形成一个波束，对准来波用户的方向。由于3阵元天线可获得7db左右的增益(2db单阵元增益、4.77db阵列处理增益)，因此虽然每个用户只有1/32时间可发射信号，但因为收发天线波束都有4.77db左右的增益提升，因此与单阵元天线相比，其链路预算的余量可增大9.5db，于是达到同样的传输距离所需功放管的额定功率可降低9倍左右，显著地缓解了峰平功率比太高的问题。

本发明并不限于上述实施例，可根据需要进行相应调整，如本发明的实现方法中权值初始化步骤，可根据实际情况进行设置；迭代步长可选择变步长方式，以加快迭代速度；更新权值步骤亦可采用其他自适应迭代方法，以实现输出功率最大化目标。因此，在不脱离本发明权利要求范围的情况下，本领域的技术人员可进行各种各样的修改。