三维波束赋形方法和装置与流程

本发明实施例涉及通信
技术领域：
，尤其涉及一种三维波束赋形方法和装置。
背景技术：
：移动通信基站天线已经从2g通信系统的2通道天线发展成为4g通信系统的8通道智能天线，在4g成功商用的经验和基础上，国内外均在积极展开第5代移动通信(5g)的相关研究。因此，5g大规模阵列天线的相关研究备受关注，目前国内已经研发出64通道和128通道的5g基站天线。5g基站天线不仅阵列单元数量大幅增加，而且每个阵元或几个阵元一组都会被分配独立的射频通道，这样一来，5g基站天线将在水平面和垂直面都具备波束赋形的能力，即具备3d波束赋形的能力，且赋形自由度也成倍增加，能够实现多波束、波束扫描等复杂的3d辐射方向图。因此，5g基站天线的3d波束赋形研究极为重要。现有的基站天线波束赋形技术大多针对辐射方向图的水平覆盖，即实现二维波束赋形，而无法实现三维波束赋形。因此，如何实现三维波束赋形，成为亟待解决的问题。技术实现要素：针对现有技术问题，本发明实施例提供一种三维波束赋形方法和装置。一方面，本发明实施例提供一种三维波束赋形方法，所述方法包括：根据三维波束赋形的优化目标确定阵列天线的目标三维辐射方向图；对所述目标三维辐射方向图进行分解，得到水平面目标方向图和垂直面目标方向图；根据所述水平面目标方向图和垂直面目标方向图分别进行水平面波束赋形优化和垂直面波束赋形优化，得到水平面权值和垂直面权值；对所述水平面权值和垂直面权值进行组合，得到所述阵列天线的三维波束赋形权值。另一方面，本发明实施例提供一种三维波束赋形装置，所述装置包括：确定单元，用于根据三维波束赋形的优化目标确定阵列天线的目标三维辐射方向图；分解单元，用于对所述目标三维辐射方向图进行分解，得到水平面目标方向图和垂直面目标方向图；优化单元，用于根据所述水平面目标方向图和垂直面目标方向图分别进行水平面波束赋形优化和垂直面波束赋形优化，得到水平面权值和垂直面权值；组合单元，用于对所述水平面权值和垂直面权值进行组合，得到所述阵列天线的三维波束赋形权值。另一方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述三维波束赋形方法的步骤。另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上述三维波束赋形方法的步骤。本发明实施例通过对目标三维辐射方向图的水平面方向图和垂直面方向图进行赋形优化和组合，能够实现阵列天线整体的三维波束赋形优化。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明一实施例提供的三维波束赋形方法的流程示意图；图2为64通道5g阵列天线的结构示意图；图3为对本发明实施例提供的三维波束赋形方法进行测试验证得到的水平面实测方向图；图4为对本发明实施例提供的三维波束赋形方法进行测试验证得到的垂直面实测方向图图5为本发明一实施例提供的三维波束赋形装置的结构示意图；图6为本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1示出了本发明实施例提供的一种三维波束赋形方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例提供的三维波束赋形方法具体包括以下步骤：s11、根据三维波束赋形的优化目标确定阵列天线的目标三维辐射方向图；本发明实施例以5g基站天线为基础，首先根据覆盖场景需求确定天线三维波束赋形的优化目标，进而确定期望得到的3d辐射方向图。s12、对所述目标三维辐射方向图进行分解，得到水平面目标方向图和垂直面目标方向图；本发明实施例将目标三维辐射方向图进行分解，提炼出两个主平面的目标方向图，即水平面目标方向图和垂直面目标方向图。s13、根据所述水平面目标方向图和垂直面目标方向图分别进行水平面波束赋形优化和垂直面波束赋形优化，得到水平面权值和垂直面权值；本发明实施例分别针对水平面目标方向图和垂直面目标方向图进行波束赋形优化，具体实施过程中，水平面波束赋形先对某一行天线振子的极化单元进行水平面的波束赋形优化，得到该行极化单元的馈电幅度和相位，再将这一行极化单元的馈电幅度和相位赋予其他行的极化单元。垂直面波束赋形的方式与水平面类似，先对某一列天线振子进行波束赋形，接着对应的将该列的权值(馈电幅度和相位)应用于其他列。s14、对所述水平面权值和垂直面权值进行组合，得到所述阵列天线的三维波束赋形权值。本发明实施例在得到水平面和垂直面波束赋形的权值后，将水平面和垂直面的权值进行叠加组合，便得到整个阵列天线的三维波束赋形权值。本发明实施例通过对目标三维辐射方向图的两个主平面方向图进行赋形优化和组合，能够实现阵列天线整体的三维波束赋形优化。在上述实施例的基础上，s14具体包括：所述阵列天线的三维波束赋形权值为：其中，列向量为所述阵列天线的垂直面权值；行向量为所述阵列天线的水平面权值；为所述阵列天线的三维波束赋形权值，a*为幅度，p*为相位。m×n个元素分别对应于阵列天线的m×n个正极化端口的馈电权值，也分别对应于阵列天线的m×n个负极化端口的馈电权值。具体地，5g基站阵列天线采用双极化的阵元结构，正极化单元和负极化单元在空间分布和结构上具有对称性，因此，本发明实施例只单独对阵列天线的正极化单元，所得到的权值适用于负极化单元；或者单独对负极化单元进行波束赋形，所得到的权值同样适用于正极化单元。以64通道5g阵列天线为例，该天线包含64个双极化振子(8×8)，每个振子包含一个﹢45°极化单元和一个-45°极化单元，因此共有128个辐射单元。该大规模阵列天线在垂直方向采用两个振子共有一个射频通道的方式，因此共有64个射频通道。图2示出了64通道5g阵列天线的结构示意图。如图2所示，64通道5g基站天线采用双极化的阵元结构，+45°和-45°极化单元在空间分布和结构上都具有对称性，因此在进行3d波束赋形优化时只需要对32个﹢45°极化通道进行优化，所获得的馈电权值也同样适用于另外32个-45度极化通道。结合图2给出的64通道5g基站天线的结构示意图，本发明实施例以图2中奇数(1、3、5、7……61、63)表示的32个极化端口为例，来说明本发明实施例提供的三维波束赋形优化方法。水平面波束赋形优化时，先针对其中某一行8个单元进行水平面波束赋形优化，得到8组馈电幅度和相位，然后再将这8组幅度和相位对应的赋予其余三行的单元。以第一行(端口编号：1、3、5、7、9、11、13、15)为例来说明这种方法的实施。假设针对第一行的8个端口进行水平面波束赋形优化后，分别获得了8组对应的馈电幅度和相位，分别用(a1，p1)-(a8，p8)表示，其中a1-a8表示幅度，p1-p8表示相位，那么该阵列的水平面馈电权值分布如表1所示。表1类似的，垂直面波束赋形优化时，先对其中某一列进行波束赋形，接着对应的将该列的权值应用于其余7列。以第1列(端口编号：1、17、33、49)为例来说明这种方法的实施。假设针对第1列的4个端口进行波束赋形优化后，分别获得了4组对应的馈电幅度和相位，分别用(a’1，p’1)-(a’4，p’4)表示，其中a’1-a’4表示幅度，p’1-p’4表示相位，那么该阵列的垂直面馈电权值分布如表2所示。表2第1列第2列第3列第4列第5列第6列第7列第8列端口13579111315权值(a’1，p’1)(a’1，p’1)(a’1，p’1)(a’1，p’1)(a’1，p’1)(a’1，p’1)(a’1，p’1)(a’1，p’1)端口1719212325272931权值(a’2，p’2)(a’2，p’2)(a’2，p’2)(a’2，p’2)(a’2，p’2)(a’2，p’2)(a’2，p’2)(a’2，p’2)端口3335373941434547权值(a’3，p’3)(a’3，p’3)(a’3，p’3)(a’3，p’3)(a’3，p’3)(a’3，p’3)(a’3，p’3)(a’3，p’3)端口4951535557596163权值(a’4，p’4)(a’4，p’4)(a’4，p’4)(a’4，p’4)(a’4，p’4)(a’4，p’4)(a’4，p’4)(a’4，p’4)分别得到64通道5g基站天线的水平面和垂直面波束赋形权值后，对水平面和垂直面的权值进行叠加组合，便得到了整个阵列天线的3d波束赋形权值。如表1和2所示，分别用列向量和行向量来表示天线在垂直面和水平面的馈电权值，用一个4×8的矩阵来表示整个阵列天线的3d波束赋形权值，则有：4×8矩阵中有32个元素，每个元素分别对应于整体阵列的32个端口的馈电权值，其中a*表示幅度，p*表示相位。经过计算，该阵列的馈电权值如表3所示，从而实现了5g基站天线的3d波束赋形。表3具体地，s11具体包括：根据三维波束赋形的优化目标确定阵列天线在空间各个方向辐射的波束、各波束之间的水平夹角、各波束的水平面半波功率宽度以及各波束的垂直面半波功率宽度。具体地，根据三维波束赋形的优化目标需要确定天线的辐射参数，例如双波束或单波束、每个波束的水平夹角以及水平面及垂直面的波束宽度(半波功率宽度)。具体地，所述水平面目标方向图包括各波束之间的水平夹角以及各波束的水平面半波功率宽度；所述垂直面目标方向图包括各波束的垂直面半波功率宽度。具体地，所述得到的水平面权值包括阵列天线每一行正极化端口的幅度和相位，或者阵列天线每一行负极化端口的幅度和相位。所述得到的垂直面权值包括阵列天线每一列正极化端口的幅度和相位，或者阵列天线每一列负极化端口的幅度和相位。下面用具体例子进行说明。例如3d波束赋形的优化目标为：双波束，两个波束水平夹角40°，每个波束的水平面半波功率宽度15°，垂直面半波功率宽度30°。则本发明实施例提供的三维波束赋形包括以下步骤：步骤1)确定3d波束赋形优化目标：实现双波束覆盖，两个波束水平夹角40°，每个波束的水平面半波功率宽度15°以及垂直面半波功率宽度30°。步骤2)提炼出两个主平面的目标方向图。水平面目标方向图：两个波束水平夹角40°，每个波束的水平面半波功率宽度15°；垂直面目标方向图：单波束，半波功率宽度30°。步骤3)分别针对水平面和垂直面进行波束赋形：a)首先针对水平面进行波束赋形，优化得到的阵列权值(幅度及相位)如表4所示。表4b)对垂直面进行波束赋形，优化得到的阵列权值(幅度及相位)如表所5示。表5步骤4)根据表3对水平面波束赋形权值和垂直面波束赋形权值进行叠加，得到该5g基站天线的3d波束赋形权值，如表6所示。表6步骤5)将表6中得到的阵列权值馈入64通道大规模阵列天线，并利用高频电磁仿真软件hfss进行绘图，得到的实测方向图如图3所示和图4所示。图3示出了对本发明实施例提供的三维波束赋形方法进行测试验证得到的水平面实测方向图。如图3所示，测试结果表明水平面两个波束的最大指向夹角为39°，两个波束的半功率波束宽度分别为13°和14°，满足优化目标要求。图4示出了对本发明实施例提供的三维波束赋形方法进行测试验证得到的垂直面实测方向图。如图4所示，测试结果表明垂直面半功率波束宽度为30°，满足优化目标要求。综上所述，本发明实施例优化得到的权值能够良好的实现目标3d方向图，且测试结果满足优化目标要求，验证了5g基站天线3d波束赋形优化方法的准确性。本发明实施例还提供一种三维波束赋形装置。图5示出了本发明实施例提供的一种三维波束赋形装置的结构示意图。如图5所示，本发明实施例提供的三维波束赋形装置包括确定单元11、分解单元12、优化单元13以及组合单元14，其中：所述确定单元11，用于根据三维波束赋形的优化目标确定阵列天线的目标三维辐射方向图；本发明实施例将目标三维辐射方向图进行分解，提炼出两个主平面的目标方向图，即水平面目标方向图和垂直面目标方向图。所述分解单元12，用于对所述目标三维辐射方向图进行分解，得到水平面目标方向图和垂直面目标方向图；本发明实施例将目标三维辐射方向图进行分解，提炼出两个主平面的目标方向图，即水平面目标方向图和垂直面目标方向图。所述优化单元13，用于根据所述水平面目标方向图和垂直面目标方向图分别进行水平面波束赋形优化和垂直面波束赋形优化，得到水平面权值和垂直面权值；本发明实施例分别针对水平面目标方向图和垂直面目标方向图进行波束赋形优化，具体实施过程中，水平面波束赋形先对某一行天线振子的极化单元进行水平面的波束赋形优化，得到该行极化单元的馈电幅度和相位，再将这一行极化单元的馈电幅度和相位赋予其他行的极化单元。垂直面波束赋形的方式与水平面类似，先对某一列天线振子进行波束赋形，接着对应的将该列的权值(馈电幅度和相位)应用于其他列。所述组合单元14，用于对所述水平面权值和垂直面权值进行组合，得到所述阵列天线的三维波束赋形权值；本发明实施例在得到水平面和垂直面波束赋形的权值后，将水平面和垂直面的权值进行叠加组合，便得到整个阵列天线的三维波束赋形权值。本发明实施例通过对目标三维辐射方向图的两个主平面方向图进行赋形优化和组合，能够实现阵列天线整体的三维波束赋形优化。在上述实施例的基础上，所述组合单元14得到的阵列天线的三维波束赋形权值为：其中，列向量为所述阵列天线的垂直面权值；行向量为所述阵列天线的水平面权值；为所述阵列天线的三维波束赋形权值，a*为幅度，p*为相位。m×n个元素分别对应于阵列天线的m×n个正极化端口的馈电权值，也分别对应于阵列天线的m×n个负极化端口的馈电权值。具体地，5g基站阵列天线采用双极化的阵元结构，正极化单元和负极化单元在空间分布和结构上具有对称性，因此，本发明实施例只单独对阵列天线的正极化单元，所得到的权值适用于负极化单元；或者单独对负极化单元进行波束赋形，所得到的权值同样适用于正极化单元。在上述实施例的基础上，所述确定单元11，用于根据三维波束赋形的优化目标确定阵列天线在空间各个方向辐射的波束、各波束之间的水平夹角、各波束的水平面半波功率宽度以及各波束的垂直面半波功率宽度。具体地，根据三维波束赋形的优化目标需要确定天线的辐射参数，例如双波束或单波束、每个波束的水平夹角以及水平面及垂直面的波束宽度(半波功率宽度)。具体地，所述水平面目标方向图包括各波束之间的水平夹角以及各波束的水平面半波功率宽度；所述垂直面目标方向图包括各波束的垂直面半波功率宽度。具体地，所述得到的水平面权值包括阵列天线每一行正极化端口的幅度和相位，或者阵列天线每一行负极化端口的幅度和相位。所述得到的垂直面权值包括阵列天线每一列正极化端口的幅度和相位，或者阵列天线每一列负极化端口的幅度和相位。本发明实施例中的功能模块可以通过硬件处理器(hardwareprocessor)来实现相关功能模块，本发明实施例不再赘述。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如图1的方法。图6示出了本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。如图6所示，本发明实施例提供的电子设备包括存储器21、处理器22、总线23以及存储在存储器21上并可在处理器22上运行的计算机程序。其中，所述存储器21、处理器22通过所述总线23完成相互间的通信。所述处理器22用于调用所述存储器21中的程序指令，以执行所述程序时实现如图1的方法。例如，所述处理器执行所述程序时实现如下方法：根据三维波束赋形的优化目标确定阵列天线的目标三维辐射方向图；对所述目标三维辐射方向图进行分解，得到水平面目标方向图和垂直面目标方向图；根据所述水平面目标方向图和垂直面目标方向图分别进行水平面波束赋形优化和垂直面波束赋形优化，得到水平面权值和垂直面权值；对所述水平面权值和垂直面权值进行组合，得到所述阵列天线的三维波束赋形权值。本发明实施例提供的电子设备，通过对目标三维辐射方向图的水平面方向图和垂直面方向图进行赋形优化和组合，能够实现阵列天线整体的三维波束赋形优化。本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如图1的步骤。例如，所述处理器执行所述程序时实现如下方法：根据三维波束赋形的优化目标确定阵列天线的目标三维辐射方向图；对所述目标三维辐射方向图进行分解，得到水平面目标方向图和垂直面目标方向图；根据所述水平面目标方向图和垂直面目标方向图分别进行水平面波束赋形优化和垂直面波束赋形优化，得到水平面权值和垂直面权值；对所述水平面权值和垂直面权值进行组合，得到所述阵列天线的三维波束赋形权值。本发明实施例提供的非暂态计算机可读存储介质，通过对目标三维辐射方向图的水平面方向图和垂直面方向图进行赋形优化和组合，能够实现阵列天线整体的三维波束赋形优化。本发明一实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：根据三维波束赋形的优化目标确定阵列天线的目标三维辐射方向图；对所述目标三维辐射方向图进行分解，得到水平面目标方向图和垂直面目标方向图；根据所述水平面目标方向图和垂直面目标方向图分别进行水平面波束赋形优化和垂直面波束赋形优化，得到水平面权值和垂直面权值；对所述水平面权值和垂直面权值进行组合，得到所述阵列天线的三维波束赋形权值。本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页12