一种短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法

摘要

本发明公开了一种短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，包括如下步骤：(1)在训练阶段后新增空闲时隙，在所述空闲时隙内，利用训练序列进行信道估计和干扰信号到达角度估计；(2)根据步骤(1)中的信道估计和干扰信号达到角度估计计算生成最优权值向量，此权值向量为接收机的权值向量；(3)在反馈阶段将步骤(2)中生成的最优权值向量反馈给发射机，此权值向量的共轭值为发射机的权值向量；(4)发射机和接收机使用此权值向量对各自的天线阵加权，即形成干扰抑制波束图样。本发明的方法能有效消除共信道干扰，增加天线增益以及提高整个链路吞吐量。

主权项

1.一种短距通信中基于信道矩阵的干扰抑制波束形成方法，包括三个步骤：发射机与接收机链路构建，扇区级图样搜索和波束级图样搜索，每个步骤包括四个阶段：训练阶段、反馈阶段、映射阶段和确认阶段，其特征在于，所述波束级图样搜索中，还包括如下步骤：（1）在训练阶段后新增空闲时隙，在所述空闲时隙内，利用训练序列进行信道估计和干扰信号到达角度估计；（2）根据步骤（1）中的信道估计和干扰信号达到角度估计计算生成最优权值向量，此权值向量为接收机的权值向量；计算生成最优权值向量的方法包括如下步骤：Ⅰ、设发射机和接收机的天线阵阵元数目相等，均为N，发射机的一根天线重复发送训练序列N次，接收机的N根天线分别接收对应的一次训练序列，则第k个训练序列的向量为接收机第n根天线的信道冲激响应向量为其中s^k(l)为发射信号在第l个时刻的采样值，L为最大采样时间；Ⅱ、设在训练阶段，信道统计特性不变，即h^k(l)=h(l)和s^k(l)=s(l)，并且定义信道冲激响应矩阵为：其中，N为天线阵列的阵元数；则接收信号其中，为信道中的有用信号，为干扰信号，为噪声；Ⅲ、步骤Ⅱ中的接收信号被权值向量加权后的采样输出为其中公式用矩阵表示为：$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{y}^1\\ y^2\\ ···\\ y^N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{w}_1^{1^{*}}& w_2^{1^{*}}& ···& w_N^{1^{*}}\\ w_1^{2^{*}}& w_2^{2^{*}}& ···& w_N^{2^{*}}\\ ···& ···& ···& ···\\ w_1^{N^{*}}& w_2^{N^{*}}& ···& w_N^{N^{*}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\overrightarrow{h_1}·\overrightarrow{s}\\ \overrightarrow{h_2}·\overrightarrow{s}\\ ···\\ \overrightarrow{h_N}·\overrightarrow{s}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{w}^{1^H}·\overrightarrow{i^1}\\ w^{2^H}·\overrightarrow{i^2}\\ ···\\ w^{N^H}·\overrightarrow{i^N}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{w}^{1^H}·\overrightarrow{n^1}\\ w^{2^H}·\overrightarrow{n^2}\\ ···\\ w^{N^H}·\overrightarrow{n^N}\end{array}\right]\\ =W_{N\times N}\left[\begin{array}{c}\overrightarrow{h_1}·\overrightarrow{s}\\ \overrightarrow{h_2}·\overrightarrow{s}\\ ···\\ \overrightarrow{h_N}·\overrightarrow{s}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{w}^{1^H}·\overrightarrow{i^1}\\ w^{2^H}·\overrightarrow{i^2}\\ ···\\ w^{N^H}·\overrightarrow{i^N}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{w}^{1^H}·\overrightarrow{n^1}\\ w^{2^H}·\overrightarrow{n^2}\\ ···\\ w^{N^H}·\overrightarrow{n^N}\end{array}\right]\end{array}$两边同时左乘得到接收信号的估计值：$W_{N\times N}^{-1}\left[\begin{array}{c}{y}^1\\ y^2\\ ···\\ y^N\end{array}\right]=I\left[\begin{array}{c}\overrightarrow{h_1}·\overrightarrow{s}\\ \overrightarrow{h_2}·\overrightarrow{s}\\ ···\\ \overrightarrow{h_N}·\overrightarrow{s}\end{array}\right]+W_{N\times N}^{-1}\left[\begin{array}{c}{w}^{1^H}·\overrightarrow{i^1}\\ w^{2^H}·\overrightarrow{i^2}\\ ···\\ w^{N^H}·\overrightarrow{i^N}\end{array}\right]+W_{N\times N}^{-1}\left[\begin{array}{c}{w}^{1^H}·\overrightarrow{n^1}\\ w^{2^H}·\overrightarrow{n^2}\\ ···\\ w^{N^H}·\overrightarrow{n^N}\end{array}\right]$根据估计到的每个天线元的结果可以计算出最优权值向量；步骤Ⅲ中计算最优权值向量使用最大信干比准则，最大信干比为期望信号的功率比上干扰信号的功率和噪声功率之和，定义式如下所示：$\begin{array}{c}\mathrm{SINR}=\frac{E\left\{{\left|{\overrightarrow{w}}^H\overrightarrow{h}\overrightarrow{s}\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|{\overrightarrow{w}}^H\overrightarrow{i}\right|}^2\right\}+E\left\{{\left|{\overrightarrow{w}}^H\overrightarrow{n}\right|}^2\right\}}\\ =\frac{E\left\{{\overrightarrow{w}}^H\overrightarrow{h}\overrightarrow{s}{\overrightarrow{s}}^H{\overrightarrow{h}}^H\overrightarrow{w}\right\}}{E\left\{{\overrightarrow{w}}^H\overrightarrow{i}{\overrightarrow{i}}^H\overrightarrow{w}\right\}+E\left\{{\overrightarrow{w}}^H\overrightarrow{n}{\overrightarrow{n}}^H\overrightarrow{w}\right\}}\\ =\frac{{\sigma }_s^2{\overrightarrow{w}}^{H}E\{\overrightarrow{h}{\overrightarrow{h}}^H{\}}^H\overrightarrow{w}}{{\overrightarrow{w}}^{H}E\left\{\overrightarrow{i}{\overrightarrow{i}}^H\right\}\overrightarrow{w}+{\sigma }_n^2{\overrightarrow{w}}^H\overrightarrow{w}}\\ =\frac{{\sigma }_s^2{\overrightarrow{w}}^H{R_{\mathrm{hh}}}^H\overrightarrow{w}}{{\overrightarrow{w}}^H{R}_{\mathrm{ii}}\overrightarrow{w}+{\sigma }_n^2{\overrightarrow{w}}^H\overrightarrow{w}}\end{array}$其中为接收信号功率，为噪声功率，R_hh为信道冲激响应矩阵，R_ii为干扰信号自相关矩阵；（3）在反馈阶段将步骤（2）中生成的最优权值向量反馈给发射机，此权值向量的共轭值为发射机的权值向量；（4）发射机和接收机使用此权值向量对各自的天线阵加权，即形成干扰抑制波束图样；所述的接收机对天线阵加权的方法为：对于对称信道，接收机根据最优权值向量对天线阵的连续相位进行调整；对于非对称信道，接收机根据最优权值向量对接收机天线阵加权,加权后的接收机图样即为最优图样，此后的反馈阶段接收机在其最优图样方向上向发射机发射训练序列，发射机同样采用上述对天线阵加权的方法计算发射机天线阵的加权向量。