本发明公开一种基于均匀圆阵列天线的多扇区空间复用方法及其系统,其中,复用方法包括如下步骤:确定均匀圆阵列天线的各个参数;依据均匀圆阵列天线的各个参数,获取全向方向图,以对小区的第一俯角区域全向覆盖;获取两组交叉扇形波束组,将小区的第二俯角区域划分为两组扇区,两组扇区用于对小区的第二俯角区域全向覆盖;将小区的频率信道划分为三组,分别分配给上述全向区域和两组扇区中的用户。本发明在俯角和方位角二维方向上对UCA的方向图进行考虑,使UCA在三维空间中形成适合的波束,对小区进行区域化划分,实现了各波束边缘区域的高增益波束覆盖,克服了同频干扰、频繁跨扇区切换等问题。
1.一种基于均匀圆阵列天线的多扇区空间复用方法,其特征在 于,所述方法包括如下步骤: 均匀圆阵列天线参数确定步骤,确定均匀圆阵列天线的各 个参数,所述参数包括阵元数N、每组波束组中的波束数M、 圆阵列半径R; 第一俯角区域全向覆盖步骤,依据所述均匀圆阵列天线的 阵元数N,获取全向方向图,对小区第一俯角区域全向覆盖; 第二俯角区域全向覆盖步骤,依据所述均匀圆阵列天线的 阵元数N、每组波束组中的波束数M、圆阵列的半径R,获取 两组分别包含M个波束的交叉扇形波束组,所述交叉扇形波 束组通过将小区的第二俯角区域划分为两组扇区实现对小区 第二俯角区域全向覆盖; 分配步骤,将小区的信道划分为三组,并将三组信道分别 分配给所述第一俯角区域、由第二俯角区域所划分的两组扇区 覆盖下的用户。
2.根据权利要求1所述的多扇区空间复用方法,其特征在于,所 述第一俯角区域全向覆盖步骤进一步包括: 第一加权电路确定步骤,依据所述全向方向图,确定第一 加权电路,所述第一加权电路的加权向量为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="129"/>第一连接步骤,将所述均匀圆阵列天线中的每一天线阵元 与所述第一加权电路并行连接。
3.根据权利要求1所述的多扇区空间复用方法,其特征在于,所 述第二俯角区域全向覆盖步骤进一步包括: 第二加权电路确定步骤,依据所述均匀圆阵列天线的阵元 数N、每组波束组中的波束数M、圆阵列的半径R,确定第二 加权电路; 第二连接步骤,将所述均匀圆阵列天线中的每一天线阵元 与所述第二加权电路并行连接; 其中,所述第二加权电路确定步骤进一步包括: 初始波束加权向量确定步骤,确定第二加权电路的加权向 量中初始波束加权向量W^o; 交叉扇形波束组的加权向量获取步骤,利用均匀圆阵列天 线方向图,对所述初始波束的加权向量W^o进行系数操作,获取 所述两组交叉扇形波束组的加权向量W¹W^2M。
4.根据权利要求3所述的多扇区空间复用方法,其特征在于,所 述初始波束加权向量确定步骤进一步包括: 圆阵列半径选取步骤,将所述圆阵列半径R的取值设置于 小于0.3倍波长的范围内; 期望方向图设置步骤,设置所述初始波束的指向为θ_c=0, 主瓣宽度为θ_w=2π/M,并且,按以下形式设置期望方向图 F_e(θ,0)(θ∈[-180°,180°]):ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="219"/>最优化目标函数建立步骤,建立最优化目标函数 ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="255"/>其中ρ(W)为F(θ,0)与F_e(θ,0)的均方距 离;F(θ,0)为仅考虑UCA圆阵列所在平面,即取定俯角ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="46"/>时, 均匀圆阵列天线的一维方向图函数,其形式为: F ( θ , 0 ) = Σ n = 0 N w n exp [ jβ R cos ( θ - θ n ) ] ; ]]>最优加权向量计算步骤,利用L-M最优化方法对所述最优 化目标函数式进行迭代优化,求解出最优加权向量 ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="177"/>并将其作为初始波束加权向量。
5.根据权利要求4所述的多扇区空间复用方法,其特征在于,所 述交叉扇形波束组的加权向量获取包括如下步骤: 初始波束的加权向量离散傅立叶变换步骤,对所述初始波 束的加权向量ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="168"/>进行离散傅立叶变换,获取初 始波束加权向量的离散傅立叶变换向量ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="178"/>扇形波束组的加权向量离散傅立叶变换步骤,根据实际需 要,设定所述两组交叉扇形波束组中第一个波束的初始角度θ_o, 通过ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="143"/>计算所述两组交叉扇形波束组的加权向量 的离散傅立叶变换ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="174"/>其中,k=0,1,...,N-1, m=1,2,...,2M; 扇形波束组的加权向量逆离散傅立叶变换步骤,对ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="19"/>至 ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="30"/>进行逆离散傅立叶变换,获取两组交叉扇形波束组的加权 向量W¹-W^2M。
6.一种基于均匀圆阵列天线的多扇区空间复用系统,其特征在 于,所述系统包括: 均匀圆阵列天线参数确定模块,用于确定均匀圆阵列天线 的各个参数,所述参数包括阵元数N、每组波束组中的波束数 M、圆阵列半径R; 第一俯角区域全向覆盖模块,用于依据所述均匀圆阵列天 线的阵元数N,获取全向方向图,对小区的第一俯角区域全向 覆盖; 第二俯角区域全向覆盖模块,用于依据所述均匀圆阵列天 线的阵元数N、每组波束组中的波束数M、圆阵列的半径R, 获取两组分别包含M个波束的交叉扇形波束组,所述交叉扇 形波束组通过将小区的第二俯角区域划分为两组扇区实现对 小区第二俯角区域全向覆盖; 分配模块,用于将小区的频率信道划分为三组,并将三组 信道分别分配给所述全向方向图覆盖下的区域用户以及所述 两组扇形波束组覆盖下的两组扇区所对应的用户。
7.根据权利要求6所述的多扇区空间复用系统,其特征在于,所述 第一俯角区域全向覆盖模块包括: 第一加权电路确定子模块,用于依据所述全向方向图,确 定第一加权电路,所述第一加权电路的加权向量为 W 0 = 1 N ( 1,1 , . . . , 1 ) ; ]]>第一连接子模块,用于将所述均匀圆阵列天线中的每一天 线阵元与所述第一加权电路并行连接。
8.根据权利要求7所述的多扇区空间复用系统,其特征在于,所述 第二俯角区域全向覆盖模块包括: 第二加权电路确定子模块,用于依据所述均匀圆阵列天线 的阵元数N、每组波束组中的波束数M、圆阵列的半径R,确 定第二加权电路; 第二连接子模块,用于将所述均匀圆阵列天线中的每一天 线阵元与所述第二加权电路并行连接; 其中,所述第二加权电路确定子模块进一步包括: 初始波束加权向量确定单元,用于确定第二加权电路的加 权向量中初始波束加权向量W^o; 交叉扇形波束组的加权向量获取单元,用于利用均匀圆阵 列天线方向图,对所述初始波束的加权向量W^o进行系数操作, 获取所述两组交叉扇形波束组的加权向量W¹至W^2M。
9.根据权利要求8所述的多扇区空间复用系统,其特征在于,所述 初始波束加权向量确定子单元包括: 圆阵列半径选取子单元,用于将所述圆阵列半径R的取值 设置于小于0.3倍波长的范围内; 期望方向图设置子单元,用于设置所述初始波束的指向为 θ_c=0,主瓣宽度为θ_w=2π/M,并且,按以下形式设置期望方向 图F_e(θ,0)(θ∈[-180°,180°]):ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="219"/>最优化目标函数建立子单元,用于建立最优化目标函数 ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="255"/>其中ρ(W)为F(θ,0)与F_e(θ,0)的均方距 离;F(θ,0)为仅考虑UCA圆阵列所在平面,取定俯角ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="47"/>时, 均匀圆阵列天线的一维方向图函数,其形式为: F ( θ , 0 ) = Σ n = 0 N w n exp [ jβ R cos ( θ - θ n ) ] ; ]]>最优加权向量计算子单元,用于利用L-M最优化方法对所 述最优化目标函数式进行迭代优化,求解出最优加权向量 ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="177"/>并将其作为初始波束加权向量。
10.根据权利要求9所述的多扇区空间复用系统,其特征在于,所 述交叉扇形波束组的加权向量获取子模块包括: 初始波束的加权向量离散傅立叶变换子单元,用于对所述 初始波束的加权向量ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="168"/>进行离散傅立叶变换, 获取初始波束加权向量的离散傅立叶变换向量 W ^ o = ( w ^ 0 , o w ^ 1 o , . . . , w ^ N - 1 o ) T ; ]]>扇形波束组的加权向量离散傅立叶变换子单元,用于根据 实际需要,设定所述两组交叉扇形波束组中第一个波束的初始 角度θ_o,通过ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="144"/>计算所述两组交叉扇形波束组的加 权向量离散傅立叶变换ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="171"/>其中,k=0,1,...,N-1, m=1,2,...,2M; 扇形波束组的加权向量逆离散傅立叶变换子单元,用于对 ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="18"/>至ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="29"/>进行逆离散傅立叶变换,获取两组交叉扇形波束组的 加权向量W¹至W^2M。 技术领域 本发明涉及无线通信技术的多天线空间复用,尤其涉及基于均 匀圆阵列天线的多扇区空间复用方法及其系统。 背景技术 近年来,以第三代移动通信系统为代表的无线通信技术有了突 飞猛进的发展。然而,随着移动通信用户的不断增加,以及大量新 数据业务的出现,如何利用有限的频率资源提高无线信道容量仍然 是一个有待解决的问题。特别是在一些高业务密度的热点地区(如火 车站、机场候车室、会议中心、商务建筑物)和热点时期(如车流高峰 期、节日期间、地质灾害发生时等),移动通信的话务和数据业务量 将成倍增加,致使现有的通信系统通信不畅或通信严重受阻,因此 需要引入新的无线通信技术,进一步提高无线信道容量。 不同于传统的频分多址(FDMA,Frequencyxa0Divisionxa0Multiple Access)、时分多址(TDMA,Timexa0Divisionxa0Multiplexa0Access)和码分多 址(CDMA,Codexa0Divisionxa0Multiplexa0Access),小区扇区化通信系统采 用空分复用(SDMA,Spacexa0Divisionxa0Multiplexa0Access)技术,利用定向 天线形成固定波束,将小区划分为多个扇区,利用信号在传播方向 上的差别,将同频率、同时隙或同码型的信号区分开来,从而最大 限度地利用有限的频谱资源,扩展了信道容量。现有的小区扇区化 设计中,多采用均匀直线阵列天线(ULA,Uniformxa0Linearxa0Array)将小 区划分为3个或6个扇区。为进一步提高小区信道容量,可利用直 线阵列天线形成多个窄波束,将每一扇区分割成更多子扇区。这些 方法中所使用的直线阵列天线具有波束窄、旁瓣低以及波束形成算 法简单的优点,但由于ULA覆盖方位角有限(最多120°),因此至少 需要3套阵列天线才能实现小区全方位覆盖,并且每个扇区都需要 一套加权电路,由此增加了基站的成本较高和系统的处理负担,也 限制了小区划分出更多的扇区。另外由于ULA产生的波束在俯角方 向具有同一的方向图,天线下方附近区域为多扇区波束的汇集处, 各扇区相邻很紧密,因此在一些人口稠密区上方架设多扇区化的天 线,则会面临因天线下方附近区域大量用户走动而产生的频繁的跨 扇区切换问题,从而势必影响到通信系统的效率。 与ULA相比,均匀圆阵列天线(UCA,Uniformxa0Circularxa0Array)既 能够形成覆盖全方位角的全向方向图,又可以形成指向内任意方位 的波束,并且需要的阵元数目相对较少,从而系统成本较低,处理 设备较为简单。现有的无线通信运营商多采用8阵元UCA作为全向 天线使用,从而没有发挥UCA形成多波束进行空分复用的优点。为 了改善UCA的方向图特性,人们研究出多种方向图综合方法,然而, 现有的基于UCA的多扇区空间复用方法具有如下缺陷: 第一、扇区化系统通常采用单组扇形波束组对小区进行覆盖,在 各波束边缘区域,方向图增益存在着较大的衰减,并且相邻波束在 此区域因方向图重叠导致的同频(码型)干扰较严重; 第二、现有的方法都只是针对圆阵列所在平面(即0°俯角处)上仅 关于方位角一维方向的方向图进行综合的方法。这些方法没有考虑 综合后的方向图在俯角方向的复杂特性,只适用于收发信号方向接 近0°俯角的情况。因此,各扇区相邻很紧密,同样面临因天线下方 附近区域大量用户走动而产生的频繁的跨扇区切换而导致的通信系 统效率降低的问题。 发明内容 本发明的目的在于提供一种均匀圆阵列天线的多扇区空间复用 方法及其系统,基于该方法,能够克服单组扇形波束组对小区进行 覆盖时所产生的同频干扰严重、频繁的跨扇区切换等问题。 根据本发明的一个方面,提供了一种基于均匀圆阵列天线的多 扇区空间复用方法,包括如下步骤:确定均匀圆阵列天线的各个参 数,参数包括阵元数N、每组波束组中的波束数M、圆阵列半径R; 依据均匀圆阵列天线的阵元数N,获取全向方向图,对小区第一俯 角区域全向覆盖;依据均匀圆阵列天线的阵元数N、每组波束组中 的波束数M、圆阵列的半径R,获取两组分别包含M个波束的交叉 扇形波束组,交叉扇形波束组通过将小区的第二俯角区域划分为两 组扇区实现对小区第二俯角区域全向覆盖;将小区的信道划分为三 组,并将三组信道分别分配给第一俯角区域、由第二俯角区域所划 分的两组扇区覆盖下的用户。 根据本发明的另一个方面,提供了一种基于均匀圆阵列天线的 多扇区空间复用系统,该系统包括:均匀圆阵列天线参数确定模块、 第一俯角区域全向覆盖模块、第二俯角区域全向覆盖模块、分配模 块。其中,均匀圆阵列天线参数确定模块用于确定均匀圆阵列天线 的各个参数,参数包括阵元数N、每组波束组中的波束数M、圆阵 列半径R;第一俯角区域全向覆盖模块用于依据均匀圆阵列天线的 阵元数N,获取全向方向图,对小区的第一俯角区域全向覆盖;第 二俯角区域全向覆盖模块用于依据均匀圆阵列天线的阵元数N、每 组波束组中的波束数M、圆阵列的半径R,获取两组分别包含M个 波束的交叉扇形波束组,交叉扇形波束组将小区的第二俯角区域划 分为两个扇区,两个扇区用于对小区的第二俯角区域全向覆盖;分 配模块用于将小区的频率信道划分为三组,并将三组信道分别分配 给全向方向图覆盖下的区域用户以及两组扇形波束组覆盖下的两个 扇区所对应的用户。 相比于现有技术而言,本发明具有如下有益效果: 第一、本发明中所采用的UCA能够利用相对较少的阵元实现 全方位的波束覆盖,因此有效地降低了系统的成本以及系统处理的 复杂性; 第二、采用两组不同信道的扇形波束组交叉覆盖,实现了各波 束边缘区域的高增益波束覆盖,并且有效地解决了相邻波束的同频 (码型)干扰问题; 第三、除采用两组不同信道的扇形波束组交叉覆盖小区的第二 俯角区域(即小俯角区域)外,还采用UCA全向方向图对小区第一 俯角区域(大俯角区域)进行覆盖,将小区天线下方附近区域合并 为一个全向区域,从而有效地缓解了现有小区扇区化系统中因该区 域各扇区相邻过密而导致的频繁跨扇区切换问题。 附图说明 图1是表示本发明实施例中的基于均匀圆阵列天线的多扇区空 间复用方法的步骤流程图; 图2是表示本发明实施例中均匀圆阵列天线的模型示意图; 图3是表示本发明实施例中初始波束的二维方向图; 图4是表示本发明实施例中两组扇形波束组的一维方向图; 图5是全向方向图与波束二维方向图的3D侧视图; 图6是表示本发明实施例中基于8阵元UCA的无线频谱多扇 区空间复用系统形成的二维方向图在球坐标下的3D底视图; 图7是表示本发明实施例中基于8阵元UCA的无线频谱多扇 区空间复用系统小区区域划分示意图; 图8是表示本发明实施例中基于8阵元UCA的无线频谱多扇 区空间复用系统的结构图; 图9是表示本发明实施例中空间复用系统的结构框图。 具体实施方式 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面 结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 本发明采用UCA实现小区扇区化通信,在小俯角区域和大俯角 区域,即俯角和方位角二维方向上对UCA的方向图进行考虑,使 UCA在三维空间中形成适合的波束,实现对小区的区域化划分。 基于均匀圆阵列天线的多扇区空间复用方法实施例: 参照图1,图1是表示本发明的一方法实施例中的基于均匀圆 阵列天线的多扇区空间复用方法的步骤流程图,该方法包括如下步 骤: 步骤110,确定均匀圆阵列天线的各个参数,参数包括阵元数N、 每组波束组中的波束数M、圆阵列半径R; 步骤120,依据均匀圆阵列天线的阵元数N,获取全向方向图, 对小区的第一俯角区域全向覆盖; 步骤130,依据均匀圆阵列天线的阵元数N、每组波束组中的波 束数M、圆阵列的半径R,获取两组分别包含M个波束的交叉扇形 波束组,交叉扇形波束组将小区的第二俯角区域划分为两组扇区, 两个扇区用于对小区的第二俯角区域全向覆盖; 步骤140,将小区的频率信道划分为三组,并将三组信道分别 分配给全向方向图覆盖下的区域用户以及两组扇形波束组覆盖下的 两组扇区所对应的用户。 在此,需要说明的是,上述步骤并没有严格的时间先后顺序, 比如,步骤120与步骤130之间,执行顺序没有绝对的规定;只要 是采用了上述四个步骤,获得了本发明的有益效果,就都在本发明 的保护范围之内。 本实施例通过上述四个步骤,实现了各波束边缘区域的高增益 波束覆盖,并且有效地解决了相邻波束的同频(码型)干扰问题;另外, 除采用采用两组不同信道的扇形波束组交叉覆盖小区的第二俯角区 域(即小俯角区域)外,还采用UCA全向方向图对小区第一俯角区 域(大俯角区域)进行覆盖,将小区天线下方附近区域合并为一个 全向区域,有效缓解了现有小区扇区化系统中因该区域各扇区相邻 过密而导致的频繁跨扇区切换问题。下面结合两个实例对本发明的 方法实施例进行详细说明。 实例一: 本实例基于均匀圆阵列天线的多扇区空间复用方法主要包括如 下4个步骤: 步骤1、采用UCA作为小区的定向天线,UCA的阵元数目为N, 圆阵列半径为R;UCA的N个天线阵元与2M+1套加权电路并行连 接;每套加权电路中,含有N个阵元加权值的加权向量为 Wm=(w0m,w1m,...,wN-1m)T,m=0,1,...,2M. ]]>步骤2、W⁰用来形成全向方向图;(W¹,W³,...,W^2M-1)用来形成一组覆 盖全方位的扇形波束组,其由M个扇形波束组成,每个波束的主瓣 宽度为2π/M,指向的方位角分别为2πm/M+θ₀(m=1,2,...,M),其中θ₀为 按照实际需要设置的第一个波束指向的初始方位角;(W²,W⁴,...,W^2M)用 来形成另一组扇形波束组,其与上一组扇形波束组相交叉,每个波 束与上一扇形波束组的波束相差半个主瓣宽度的角度,即此扇形波 束组中M个波束指向的方位角分别为π(2m+1)/M+θ₀(m=1,2,...,M)。 步骤3、由上述形成的两组交叉的扇形波束组对处在天线小俯 角一定范围内的区域(小俯角区域)进行覆盖,将小区的小俯角区域划 分为2M个扇区;同时,由上述形成的全向方向图对处在天线大俯 角一定范围内的区域(大俯角区域)进行覆盖,将天线下方附近的大俯 角区域划分成一个全向区域。 步骤4、将小区的频率(码型)信道分为三组,分别分配给处在 由两组扇形波束组覆盖的两组扇区和由全向方向图覆盖的一个全向 区域中的三组用户。处在由同一组扇形波束组覆盖的M个扇区中不 同扇区的用户使用相同的频率(码型)信道,从而实现扇区间的空分复 用。 上述步骤2中,采用UCA实现的无线频谱多扇区空间复用系统 方案中,获取UCA全向方向图和两组交叉扇形波束组的加权向量 W⁰-W^2M的过程如下: 步骤21:按照实际的设计需要,对阵元数N、圆阵列半径R和 扇形波束组中的波束数M进行选取。 步骤22:形成UCA全向方向图的归一化加权向量为 W0=1N(1,1,...,1). ]]>步骤23:求解形成两组交叉扇形波束组的加权向量W¹-W^2M。 形成的两组交叉扇形波束组中的2M个波束,可通过一个初始 波束平移不同方位角得到。由上述无线频谱多扇区空间复用系统方 案可知,UCA形成的扇形波束需要在靠近小俯角一定范围内形成具 有低旁瓣电平的窄波束,而在大俯角区域波束方向图增益稍有衰减。 根据对UCA形成波束方向图的分析,对于不同的阵元数的UCA, 欲形成满足上述条件的扇形波束,需要圆阵列半径R小于0.3波长。 步骤23中求解形成两组交叉波束组的加权向量W¹-W^2M的具体 过程如下: 求解形成初始波束的加权向量W^o: 如图2所示,根据UCA方向图模型,由UCA的一组加权向量 W=(w0,w1,...,N-1m)T ]]>形成的关于方位角和俯角的二维方向图为 ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="536"/>其中β=2π/λ,λ为信号波长;θ为方位角,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="11"/>为俯角;θ_n为第n个 阵元在圆周上的角度,有θ_n=2πn/N(n=0,1...,N-1)。由(1)式可知,由 UCA形成的方向图在不同的俯角ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="11"/>方向上变化较大,难以在全俯角 范围内形成同一的波束。 仅考虑UCA圆阵列所在平面,即取定俯角ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="56"/>则(1)式中的 二维方向图函数ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="54"/>退化为仅关于方位角θ的一维方向图函数 F(θ,0),其形式为 F(θ,0)=Σn=0Nwnexp[jβRcos(θ-θn)]---(2) ]]>给定一个一维期望方向图F_e(θ,0),则使F(θ,0)逼近期望方向图 F_e(θ,0)的最优加权向量W^o可以通过最小化均方距离ρ(W)得到,其中 ρ2(W)=∫-ππ|Fe(θ,0)-F(θ,0)|2dθ---(3) ]]>本发明通过将在俯角ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="45"/>处形成较理想波束的最优加权向量 W^o作为初始波束的加权向量,并且选取圆阵列的半径小于0.3λ,以 使由W^o形成的波束在小俯角一定范围内主瓣具有较高增益。计算初 始波束的加权向量W^o具体过程如下: (a)设置期望方向图F_e(θ,0): 设初始波束的指向为θ_c=0,主瓣宽度为θ_w=2π/M,则设置期望 方向图F₀(θ,0)有如下形式: Fe(θ,0)=0|θ-θc|>θw/2Fe(θ,0)=1|θ-θc|≤θw/2---(4) ]]>其中,θ∈[-180°,180°]。 (b)建立均方距离函数如(3)式,其中一维方向图F(θ,0)的形式如 (2)式,利用L-M(Levenberg-Marquardt)最优化方法对最小化目标函数 (3)式进行迭代优化,求解出最优加权向量W^o,并将其作为初始波束 的加权。 (2)求解形成两组交叉波束组中2M个波束的加权向量 (W¹,W³,...,W^2M-1)和(W²,W⁴,...,W^2M): 两组交叉波束组中2M个波束可以由初始波束关于方位角平移 得到。本发明提出,UCA方向图具有以下平移性质: 给定UCA的一组加权向量W0=(w00,w10,...,wN-10)T, ]]>对其进行离散傅 里叶变换(DFT),得到其DFT为W^0=(w^00,w^10,...,w^N-10)T. ]]>设由加权向量W⁰形成的UCA方向图为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="68"/>则ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="54"/>关于方位角平移θ₁后的方向图 为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="106"/>则能够形成ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="90"/>的加权向量W¹的DFT W^1=(w^01,w^11,...,w^N-11)T ]]>与W^0=(w^00,w^10,...,w^N-10)T ]]>有以下关系: w^k1=w^k0e-jkθ1,k=0,1,...,N-1---(5) ]]>根据上述性质,形成两组交叉波束组中2M个波束的加权向量 W¹-W^2M的求解过程如下: (a)对形成初始波束的加权向量Wo=(w0o,w0o,...,wN-1o)T ]]>进行DFT,得 到其DFT为W^o=(w^0o,w^1o,...,w^N-1o)T. ]]>(b)根据实际需要确定第一个波束的初始角度θ_o,则双交叉波束 组中2M个波束的加权向量的DFTW^m=(w^0m,w^1m,...,w^N-1m)T,(m=1,2,...,2M) ]]>中的 各项可由下式得到 w^km=w^ko·e-j(kmπM+θo),k=0,1,...,N-1,m=1,2,...,2M---(6) ]]>(c)对ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="63"/>进行逆DFT,即可得到形成两组交叉波束组中2M 个波束的加权向量W¹-W^2M通过上述方法,使处在由同一组扇形波束组覆盖下的M个扇区 中不同扇区的用户使用相同的频率(码型)信道,从而实现扇区间的空 分复用,克服了现有技术中存在的种种缺陷。 实例二 该实例给出一基于8阵元UCA的无线频谱多扇区空间复用系统 方案。此方案中提供了一个较理想的参数选择,其中圆阵列半径R 取为0.25λ,波束组中波束数M取为5。 依照此设计实例,由UCA产生两组交叉波束组的加权向量分别 为(W¹,W³,W⁵,W⁷,W⁹)和(W²,W⁴,W⁶,W⁸,W¹⁰),由UCA产生的全向方向图的加 权向量为W⁰,则各加权向量可由以下步骤求出: 步骤1:UCA的归一化加权向量为W0=18(1,1,...,1). ]]>步骤2:形两组波束组中10个波束的加权向量由以下步骤求解: (1)求解形成初始波束的加权向量W^o: (a)设置期望方向图F₀(θ,0)的波束指向为θ_c=0,主瓣宽度为 θ_w=360°/5=72°; (b)按照(4)式初始化期望方向图F₀(θ,0); (c)建立如(3)式的目标函数,利用L-M最优化方法对(3)式进行 迭代优化,求解出归一化的最有加权向量Wo=(w0o,w1o,...,wN-1o)T, ]]>所示: W^o=(0.46+0.42j,-0.57-0.41j,0.84-0.01j,-0.56+0.43j,0.46-0.42j, -0.57+0.41j,0.84+0.01j,-0.56-0.43j)^T(2)求解形成两组交叉波束组中2M个波束的加权向量 (W¹,W³,W⁵,W⁷,W⁹)和(W²,W⁴,W⁶,W⁸,W¹⁰): 根据实际需要确定第一个波束的初始角度θ_o,则加权向量W¹-W¹⁰的DFTW^m=(w^0m,w^1m,...,w^N-1m)T,(m=1,2,...,10) ]]>中的各项可由下式得到 w^km=w^ko·e-j(kmπ5+θo),k=0,1,...,7,m=1,2,...,10---(7) ]]>对ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="60"/>进行逆DFT,可得到各波束的加权向量W¹-W¹⁰。 按照上述方案,对得到的加权向量形成的方向图进行了如下仿 真,仿真中取初始角度θ_o为0: 将上述方案中的初始波束的加权向量W^o代入(1)式,即可得到其 二维方向图如图3所示。其中垂直轴表示方向图增益(dB),方位角和 俯角的范围分别为(-180°~180°)和(0°~90°)。由图3可以看出,在 R=0.25λ时,形成波束在的二维方向图在俯角靠近0°的一定区域都能 得到较理想的扇形波束,其具有高增益的主瓣和低电平的旁瓣;随 着俯角的增大,波束主瓣增益逐渐衰减,旁瓣电平逐渐增大。 将上述方案求解出的10个波束的加权ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="60"/>代入(2)式,得到两 组扇形波束组在0俯角处的一维方向图如图4所示。图中的实曲线 和虚曲线分别表示两组波束组的波束增益(dB),竖虚线标注出了各 扇区间的分界线,每个扇区的方位角宽度在36°左右。由图4可以看 出,由于每相邻的两个扇区处在具有不同频率(码型)信道中的两个波 束组中,因此不存在同频(码型)干扰;而每个扇区受到相同波束组中 波束的方向图重叠干扰最大值均不超过-17dB。 将上述方案求解出波束1的加权向量W¹和全向方向图的加权W⁰代入(1)式,即可得到其二维方向图。图5为全向方向图与波束1的 二维方向图的3D侧视图,其中横轴为俯角。由于全向方向图在方位 角上为同一的,因此在图5中全向方向图显示为上方的一条曲线。 从图5可以看出,波束的大俯角区域将由增益较高的全向方向图覆 盖,若按照波束与全向方向图增益大小来划分区域,则扇区和全向 区域在俯角方向上的覆盖范围大约分别为[0°,45°]和[45°,90°]。由 图5可以看出,波束在俯角为[0°,45°]扇区范围内的最大旁瓣电平 保持在-17dB以下。 将全部加向量权W⁰-W¹⁰分别代入(1)式,则可以得到本实施例中 UCA形成的二维方向图。图6中为本实施例形成的二维方向图在球 坐标下的3D底视图(即图中的垂直向上的方向为实际中指向地面的 方向),其中纬度方向对应0°~360°的方位角,经度方向对应0°~90° 的俯角,球坐标的半径表示方向图的幅度。 图7为本实施例中的小区区域划分的示意图,小区被划分为11 个区域,其中区域0为全向区域,区域1-10为10个扇区,每个扇 形区域宽度约36°。由于扇区和全向区域在俯角方向上的覆盖范围大 约分别为[0°,45°]和[45°,90°],因此实际中全向区域的覆盖半径r 由天线假设高度h决定(r≈h)。在本实施例中,小区的信道被分为三 组,非别分配给全向区域0和两组扇区组(1、3、5、7、9)和(2、4、 6、8、10)。每组扇区组5个扇区中的用户使用相同的频率(码型)信 道,从而可以实现空分复用,使小区的信道容量进一步增加近5倍。 图8为本发明实例基于8阵元UCA的无线频谱多扇区空间复用 系统的结构图。在图8中,小区的频率信道被划分为三组,基于UCA, 将小区的小俯角区域划分为两组扇区和一个全向区。将三组信道分 别分配给两组扇区中的每一个扇区以及全向区。在图8中可以看出, 第一组扇区包括扇区1、扇区3、扇区5、扇区7和扇区9,第二组 扇区包括扇区2、扇区4、扇区6、扇区8、扇区10。第一组扇区的 用户复用第一组信道,第二组扇区的用户复用第二信道,第三组扇 区的用户复用第三信道。 由上述试验可以看出,本实施例提供的基于8阵元UCA的无线 频谱多扇区空间复用方案是切实可行的,而且能够保证扇区之间方 向图重叠干扰约在-17dB以下。 基于均匀圆阵列天线的多扇区空间复用系统实施例 图9是表示本发明实施例中空间复用系统的结构框图,如图9 所示,空间复用系统包括:均匀圆阵列天线参数确定模块910,用于 确定均匀圆阵列天线的各个参数,参数包括阵元数N、每组波束组 中的波束数M、圆阵列半径R;第一俯角区域全向覆盖模块920, 用于依据均匀圆阵列天线的阵元数N,获取全向方向图,对小区的 第一俯角区域全向覆盖;第二俯角区域全向覆盖模块930,用于依据 均匀圆阵列天线的阵元数N、每组波束组中的波束数M、圆阵列的 半径R,获取两组分别包含M个波束的交叉扇形波束组,交叉扇形 波束组将小区的第二俯角区域划分为两个扇区,两个扇区用于对小 区的第二俯角区域全向覆盖;分配模块940,用于将小区的频率信道 划分为三组,并将三组信道分别分配给全向方向图覆盖下的区域用 户以及两组扇形波束组覆盖下的两个扇区所对应的用户。 本实施例中,由同一组扇形波束组覆盖下的M个扇区中不同扇 区的用户使用相同的频率(码型)信道,从而实现扇区间的空分复用; 相对于ULA而言,使用相对较少的阵元实现了全方位的波束覆盖, 因此有效地降低了系统的成本以及系统处理的复杂性;并且,采用 两组不同信道的扇形波束组交叉覆盖,实现了各波束边缘区域的高 增益波束覆盖,并且有效地解决了相邻波束的同频(码型)干扰问题; 另外,除采用采用两组不同信道的扇形波束组交叉覆盖小区的第二 俯角区域(即小俯角区域)外,还采用UCA全向方向图对小区第一 俯角区域(大俯角区域)进行覆盖,将小区天线下方附近区域合并 为一个全向区域,有效地缓解了现有小区扇区化系统中因该区域各 扇区相邻过密而导致的频繁跨扇区切换问题。 其中,第一俯角区域全向覆盖模块920包括第一加权电路确定 子模块和第一连接子模块。第一加权电路确定子模块用于依据全向 方向图,确定第一加权电路,第一加权电路的加权向量为 W0=1N(1,1,...,1); ]]>第一连接子模块用于将均匀圆阵列天线中的每一天线 阵元与第一加权电路并行连接。 第二俯角区域全向覆盖模块930包括:第二加权电路确定子模 块和第二连接子模块。第二加权电路确定子模块用于依据均匀圆阵 列天线的阵元数N、每组波束组中的波束数M、圆阵列的半径R, 确定第二加权电路。第二连接模块,用于将均匀圆阵列天线中的每 一天线阵元与第二加权电路并行连接。第二加权电路确定子模块进 一步包括:初始波束加权向量确定单元和交叉扇形波束组的加权向 量获取单元。初始波束加权向量确定单元用于确定第二加权电路的 加权向量中初始波束加权向量W^o;交叉扇形波束组的加权向量获取 单元用于利用均匀圆阵列天线方向图,对初始波束的加权向量W^o进 行系数操作,获取两组交叉扇形波束组的加权向量W¹至W^2M。 进一步地,初始波束加权向量确定单元包括:圆阵列半径选取 子单元、期望方向图设置子模块、最优化目标函数建立子单元、最 优加权向量计算子单元。圆阵列半径选取子单元用于将圆阵列半径 R的取值设置于小于0.3倍波长的范围内;期望方向图设置子单元用 于设置初始波束的指向为θ_c=0,主瓣宽度为θ_w=2π/M,并且,按以 下形式设置期望方向图F_e(θ,0)(θ∈[-180°,180°]):Fe(θ,0)=0|θ-θc|>θw/2Fe(θ,0)=1|θ-θc|≤θw/2; ]]>最优化目标函数建立子单元用于建立最优化目标函数 ρ2(W)=∫-ππ|Fe(θ,0)-F(θ,0)|2dθ, ]]>其中ρ(W)为F(θ,0)与F_e(θ,0)的均方距离; F(θ,0)为仅考虑UCA圆阵列所在平面,取定俯角ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="46"/>时,均匀圆阵 列天线的一维方向图函数,其形式为:F(θ,0)=Σn=0Nwnexp[jβRcos(θ-θn)]; ]]>最优加权向量计算子单元用于利用L-M最优化方法对最优化目标函 数式进行迭代优化,求解出最优加权向量Wo=(w0o,w1o,...,wN-1o)T, ]]>并将其 作为初始波束加权向量。 交叉扇形波束组的加权向量获取单元包括:初始波束的加权向 量离散傅立叶变换子单元、扇形波束组的加权向量离散傅立叶变换 子单元、扇形波束组的加权向量逆离散傅立叶变换子单元。初始波 束的加权向量离散傅立叶变换子单元用于对初始波束的加权向量 Wo=(w0o,w1o,...,wN-1o)T ]]>进行离散傅立叶变换,获取初始波束加权向量的离 散傅立叶变换向量W^o=(w^0o,w^1o,...,w^N-1o)T; ]]>扇形波束组的加权向量离散傅 立叶变换子单元用于根据实际需要,设定两组交叉扇形波束组中第 一个波束的初始角度θ_o,通过w^km=w^ko·e-j(kmπM+θo) ]]>计算两组交叉扇形波束 组的加权向量离散傅立叶变换W^m=(w^0m,w^1m,...,w^N-1m)T, ]]>其中,k=0,1,...,N-1, m=1,2,...,2M;扇形波束组的加权向量逆离散傅立叶变换子单元用于对 ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="19"/>至ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="30"/>进行逆离散傅立叶变换,获取两组交叉扇形波束组的加权向 量W¹至W^2M。 以上对本发明所提供的一种基于均匀圆阵列天线的多扇区空间 复用方法、空间复用系统进行了详细介绍,本文中应用了具体个例 对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用 于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般 技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会 有改变之处,综上,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。