一種快速lms自適應(yīng)波束形成的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，旨在公開(kāi)一種計(jì)算快速、穩(wěn)態(tài)失調(diào)小的波束形成方法，其算法為首先進(jìn)行權(quán)值的初始化設(shè)置，確定算法初始化條件；然后程序開(kāi)始獲取輸入信號(hào)以及參考信號(hào)的值，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、誤差估計(jì)和變步長(zhǎng)，求出權(quán)值更新向量。并判斷其是否收斂，若不收斂，則返回對(duì)輸出進(jìn)行濾波處理，若收斂，則算法結(jié)束。此方案適用于60GHz無(wú)線通信系統(tǒng)。
【專利說(shuō)明】
一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種應(yīng)用于60GHz無(wú)線通信系統(tǒng)的快速 LMS自適應(yīng)波束形成的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能天線能有效地提高頻譜的利用率，是解決頻率資源匱乏的一種有效途徑，同 時(shí)還可以提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。它最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)聲納等軍用領(lǐng)域，由于價(jià)格等 因素一直未能普及到其他通信領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，技術(shù)越來(lái)越成熟。近年來(lái)，將它應(yīng)用 到民用移動(dòng)通信中的研究也越來(lái)越受到關(guān)注。
[0003] 智能天線的核心技術(shù)之一就是自適應(yīng)數(shù)字波束形成技術(shù)。數(shù)字波束形成技術(shù)是將 天線與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，利用空間特性來(lái)改進(jìn)接收系統(tǒng)輸出信噪比的，通過(guò)軟件 編程在自適應(yīng)信號(hào)處理器上實(shí)現(xiàn)的。它不用對(duì)硬件做任何操作，只需通過(guò)修改軟件，就可以 方便地更新系統(tǒng)，以適應(yīng)不同環(huán)境和不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。數(shù)字波束形成智能天線可通過(guò) 自適應(yīng)算法調(diào)整加權(quán)值，任意改變方向圖，在有用信號(hào)方向形成主波束，而在其它用戶方向 增益較低或形成零陷，減少了其它用戶所引起的多址干擾，同時(shí)還可以降低接收信號(hào)的衰 落程度，提高系統(tǒng)性能。
[0004] 步長(zhǎng)、信號(hào)到達(dá)角、陣元個(gè)數(shù)和陣元間距都會(huì)對(duì)60GHz無(wú)線通信天線輸出有影響。 當(dāng)系統(tǒng)確定后，步長(zhǎng)、信號(hào)到達(dá)角、陣元個(gè)數(shù)和陣元間距等參數(shù)就已經(jīng)確定了，影響因素就 只剩下步長(zhǎng)因子了，步長(zhǎng)因子對(duì)算法的收斂速度影響很大。步長(zhǎng)的合理選擇將對(duì)算法的收 斂速度、對(duì)時(shí)變天線陣系統(tǒng)的跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)誤差等產(chǎn)生直接的影響。為了能夠精確定位 感興趣的信號(hào)，可以通過(guò)減小步長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是太小的步長(zhǎng)又將會(huì)降低算法的收斂速度，不 能使天線陣及時(shí)調(diào)整到最優(yōu)權(quán)值矢量。這一內(nèi)在的矛盾使得固定步長(zhǎng)的自適應(yīng)LMS(最小 均方）算法在收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差之間不能同時(shí)滿足，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須合理選擇步長(zhǎng)，權(quán) 衡兩個(gè)性能之間的關(guān)系步長(zhǎng)因子的取值對(duì)算法的性能起到至關(guān)重要的作用。作為調(diào)控算法 迭代過(guò)程中的唯一變量，步長(zhǎng)因子的取值是影響自適應(yīng)LMS算法收斂速度快慢的至關(guān)重要 原因。因此，自適應(yīng)LMS算法性能的改進(jìn)也都圍繞著步長(zhǎng)因子而進(jìn)行研究。
[0005] 傳統(tǒng)的LMS算法由于采用的是固定步長(zhǎng)因子，算法在收斂速度、穩(wěn)態(tài)失調(diào)以及對(duì) 時(shí)變系統(tǒng)的跟蹤能力之間存在著很大的矛盾。即小的步長(zhǎng)因子能夠保證算法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后 具有較小的失調(diào)誤差，但是算法收斂速度很差，并且對(duì)時(shí)變系統(tǒng)的跟蹤能力也會(huì)變差；另一 方面，大點(diǎn)的步長(zhǎng)因子雖說(shuō)確保了算法具有較快的收斂速度以及良好的時(shí)變系統(tǒng)的跟蹤能 力，但是這以大的穩(wěn)態(tài)失調(diào)作為代價(jià)。為了解決這對(duì)矛盾，變步長(zhǎng)LMS算法應(yīng)運(yùn)而生，該類 算法的基本思想是，當(dāng)更新權(quán)系數(shù)距離最佳權(quán)系數(shù)較遠(yuǎn)時(shí)，選取較大的步長(zhǎng)，以此加快算法 的收斂速度以及對(duì)時(shí)變系統(tǒng)的跟蹤能力；當(dāng)更新權(quán)系數(shù)接近最佳權(quán)系數(shù)時(shí)，釆用小步長(zhǎng)，保 證算法在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后具有小的失調(diào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的一些變步長(zhǎng)LMS算法仍然不能很好地解決 固定步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法存在的收斂速度、跟蹤速度和收斂精度之間的矛盾等技術(shù)問(wèn)題， 提供一種應(yīng)用于60GHz無(wú)線通信系統(tǒng)的快速LMS自適應(yīng)波束形成計(jì)算方法，能在具有較高 的收斂速度、跟蹤速度同時(shí)確保收斂精度。
[0007] 本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的：一種快速LMS自 適應(yīng)波束形成的方法，包括以下步驟：
[0008] SO 1、天線陣接收原始信號(hào)X (η)，η = 1，2，......，N ;
[0009] S02、對(duì)權(quán)向量W(n)進(jìn)行初始化設(shè)置；
[0010] S03、計(jì)算天線陣的輸出 y (n) = WH(n)X(n);
[0011] S04、計(jì)算天線陣的誤差 e(n) = d(n)-XT(n)W(n);
[0012] S05、變步長(zhǎng) μ (η) = β (arcsinh ( a I e (n) 12)+sech ( a I e (n) I)-I);
[0013] S06、更新天線陣的 N 個(gè)權(quán)向量 W(n+1) = W(n)+2y (n)e(n)X(n);
[0014] S07、判斷是否收斂，如果不收斂，則挑轉(zhuǎn)到步驟S01，如果收斂則算法結(jié)束，天線陣 將處理后的信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0015] 其中，N為天線陣元數(shù)量，X(n)是輸入信號(hào)，d(n)是參考信號(hào)，參考信號(hào)為固定值， 也可以根據(jù)情況人為進(jìn)行調(diào)整，y(n)是輸出信號(hào)，e(n)是誤差信號(hào)，W(n)是權(quán)向量信號(hào)， μ (η)是變步長(zhǎng)，μ (η)是e (η)的Sigmoid函數(shù)，α是控制Sigmoid函數(shù)形狀的常數(shù)，β是 控制Sigmoid函數(shù)范圍的常數(shù)，H為矩陣共軛轉(zhuǎn)置符號(hào)，T為矩陣轉(zhuǎn)置符號(hào)。
[0016] 作為優(yōu)選，所述收斂的判定方法為
[0017]
[0018] 其中，λ_是輸入信號(hào)向量自相關(guān)矩陣的最大特征值。
[0019] 作為優(yōu)選，所述步驟S02中，對(duì)權(quán)向量進(jìn)行初始化設(shè)置為將所有W(n)置為零。
[0020] 作為優(yōu)選，天線陣的波束形成器對(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率抑制以后，再輸入到模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后再傳送到功率放大器，經(jīng)過(guò)功率放大器再通過(guò)天線輸出。
[0021] 在60GHz無(wú)線通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于外部干擾阻擋的存在，如發(fā)送和接收 之間瞬間被障礙物阻擋等等，天線接收到的信號(hào)中可能存在某種比較少見(jiàn)、一般情況不考 慮的干擾信號(hào)，以及其他無(wú)法預(yù)知的有效信號(hào)迅速衰減，通過(guò)本方法可以有效消除這些干 擾。該算法在輸入信號(hào)遭受大的干擾并且低信干比（SIR)時(shí)，算法的性能也不會(huì)收到影響， 算法在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后具有很小的失調(diào)。
[0022] 本發(fā)明帶來(lái)的實(shí)質(zhì)性效果是，很好地解決固定步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法存在的收斂速 度、跟蹤速度和收斂精度之間的矛盾。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的一種計(jì)算過(guò)程流程圖。
[0024] 圖2是本發(fā)明的一種基于快速LMS算法的智能天線自適應(yīng)波束形成器的結(jié)構(gòu)框 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0026] 實(shí)施例：本實(shí)施例的一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，如圖1所示，其流程為 程序啟動(dòng)后首先進(jìn)行權(quán)值的初始化設(shè)置，確定算法初始化條件；然后程序開(kāi)始獲取輸入信 號(hào)以及參考信號(hào)的值，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、誤差估計(jì)和變步長(zhǎng)，求出權(quán)值更新向量。并判斷其 是否收斂，若不收斂，則返回對(duì)輸出進(jìn)行濾波處理，若收斂，則算法結(jié)束。每次返回后需要更 新X (η)，參考信號(hào)d (η)也應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)。
[0027] 圖2是基于快速LMS算法的智能天線自適應(yīng)波束形成器的結(jié)構(gòu)框圖。來(lái)自天線 1，…天線η的信號(hào)Χ(η)經(jīng)過(guò)快速LMS算法后分別產(chǎn)生權(quán)向量W 1,...，Wn。輸入信號(hào)X然 后經(jīng)過(guò)權(quán)向量W進(jìn)行濾波后產(chǎn)生輸出信號(hào)y (η)，參考信號(hào)和輸出信號(hào)之差即是誤差信號(hào)， 快速LMS算法根據(jù)誤差信號(hào)更新權(quán)向量，該波束形成器是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。圖中d(n)是 期望輸出值，e(n)是誤差，v(n)稱為主輸入端干擾，它可以具體化為測(cè)量噪聲等。
[0028] 具體處理過(guò)程如下：
[0029] ⑴權(quán)值的初始化設(shè)置。權(quán)向量W(n) (η= 1，2......，Ν)可為任意值，一般取值可 以為零。
[0030] (2)計(jì)算天線陣接收的信號(hào)X (η);
[0031] (3)計(jì)算天線陣的輸出y (n) = Wh (η) X (η)
[0032] (4)計(jì)算天線陣的誤差 e (η) = d (η)-XT (n) W (η);
[0033] (5)變步長(zhǎng) μ (η) = β (arcsinh ( α I e (η) 12)+sech ( α I e (η) I)-I)
[0034] (6)更新天線陣的N個(gè)權(quán)向量系數(shù)W(η+1) = W(η)+2 μ (η) e (η) X (η)
[0035] 其中，Χ(η)是輸入信號(hào)，d(n)是參考信號(hào)，y(n)是輸出信號(hào)，e(n)是誤差信號(hào)， W(n)是權(quán)向量信號(hào)，μ (η)是變步長(zhǎng)，α >0是控制函數(shù)形狀的常數(shù)，β >0是控制函數(shù) 范圍的常數(shù)。其中（4)、（5)、（6)三式組成了改進(jìn)的算法的迭代公式。
[0036] 步長(zhǎng)因子對(duì)算法的收斂速度影響很大。它的取值大小決定著算法的性能，太大或 者太小都不可取。步長(zhǎng)因子取值過(guò)小，算法的收斂速度慢，跟不上信號(hào)的移動(dòng)；步長(zhǎng)因子取 值較大的話，會(huì)帶來(lái)很大的噪聲，直接影響系統(tǒng)的性能。因此，本專利步長(zhǎng)因子的選擇， 從接收到的信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性分析估算一個(gè)值，按照最優(yōu)解的方向，由粗到細(xì)調(diào)整權(quán)值，步 長(zhǎng)因子由大到小逐漸變化。該自適應(yīng)LMS算法的核心是采用如上述步驟（4)的步長(zhǎng)因子迭 代公式。
[0037] 按照本發(fā)明提供的應(yīng)用于60GHz無(wú)線通信系統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成快速LMS計(jì)算方 法，所述自適應(yīng)波束形成快速LMS計(jì)算方法還包括對(duì)計(jì)算出來(lái)的信號(hào)的誤碼率采取抑制。
[0038] 按照本發(fā)明提供的自適應(yīng)波束形成快速計(jì)算方法，所述自適應(yīng)波束形成快速計(jì)算 方法應(yīng)用在超高帶寬60GHz智能無(wú)線收發(fā)器芯片的控制程序中。
[0039] 本發(fā)明采用的波束形成技術(shù)的基本思想是：通過(guò)將各陣元接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán) 求和，把天線陣列形成的波束"導(dǎo)向"到一個(gè)方向上，使期望用戶信號(hào)方向得到最大的輸出 功率，并相應(yīng)的對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。
[0040] 本發(fā)明提供的自適應(yīng)波束形成快速LMS計(jì)算方法，其基本思想就是在經(jīng)典的LMS 算法基礎(chǔ)上，采用可變步長(zhǎng)，且增加權(quán)值更新迭代部分。從而降低計(jì)算復(fù)雜度，大幅度縮短 了自適應(yīng)波束形成計(jì)算耗時(shí)，同時(shí)對(duì)干擾信號(hào)有比較好的抑制作用。
[0041] 本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替 代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。
[0042] 盡管本文較多地使用了權(quán)向量、步長(zhǎng)等術(shù)語(yǔ)，但并不排除使用其它術(shù)語(yǔ)的可能性。 使用這些術(shù)語(yǔ)僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加 的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，其特征在于，包括以下步驟： 501、 天線陣接收原始信號(hào)X(n)，n = 1，2，……，N; 502、 對(duì)權(quán)向量W(n)進(jìn)行初始化設(shè)置； 503、 計(jì)算天線陣的輸出y(n) = WH(n)X(n); 504、 計(jì)算天線陣的誤差e(n) =d(n)-XT(n)W(n); 505、 變步長(zhǎng) μ (η) = β (arcsinh(a |e(n) |2)+sech(a |e(n) |)-1); 506、 更新天線陣的 N 個(gè)權(quán)向量 W(n+1) =W(n)+2y (n)e(n)X(n); 507、 判斷是否收斂，如果不收斂，則挑轉(zhuǎn)到步驟SOI，如果收斂則算法結(jié)束，天線陣將處 理后的信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 其中，N為天線陣元數(shù)量，X(n)是輸入信號(hào)，d(n)是參考信號(hào)，y(n)是輸出信號(hào)，e(n) 是誤差號(hào)，W(n)是權(quán)向量信號(hào)，μ (η)是變步長(zhǎng)，μ (η)是e (η)的Sigmoid函數(shù)，a是控 制Sigmoid函數(shù)形狀的常數(shù)，β是控制Sigmoid函數(shù)范圍的常數(shù)，Η為矩陣共軛轉(zhuǎn)置符號(hào)， Τ為矩陣轉(zhuǎn)置符號(hào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，其特征在于，所述收斂 的判定方法為：其中，λ_是輸入信號(hào)向量自相關(guān)矩陣的最大特征值。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，其特征在于，所述 步驟S02中，對(duì)權(quán)向量進(jìn)行初始化設(shè)置為將所有W(n)置為零。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，其特征在于，天線陣的 波束形成器對(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率抑制以后，再輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后 再傳送到功率放大器，經(jīng)過(guò)功率放大器再通過(guò)天線輸出。
【文檔編號(hào)】H04B7/06GK106067839SQ201410339145
【公開(kāi)日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2014年7月16日 公開(kāi)號(hào)201410339145.4, CN 106067839 A, CN 106067839A, CN 201410339145, CN-A-106067839, CN106067839 A, CN106067839A, CN201410339145, CN201410339145.4
【發(fā)明人】梁海浪, 賀向陽(yáng), 金新友
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