波束形成方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种波束形成方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

目前对于低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)通信星座而言，当两个或多个星座系统同时同频覆盖同一地区时，国际上可供工程使用的干扰规避技术还不完善。

对于宽带星座而言，窄通信波束导致绝大多数干扰落入接收天线的副瓣之中，且由于星地相对高速运动，因此干扰方向呈现非平稳性。相关技术中，需要不断地更新自适应波束形成权值才能使得生成的零陷与干扰角度匹配，但会带来较高的计算复杂度。相关技术中的零陷展宽方法(例如协方差矩阵锥化(Covariance Matrix Taper，CMT))，以加宽零陷的方式降低权值更新速度，实现降低处理复杂度。

但相关技术中的零陷展宽方法对所有干扰方向均加宽同样宽度，实际中干扰源运动方向通常不同，运动速度也各异，需要的零陷宽度不同，同等加宽会造成系统资源浪费。

发明内容

本发明提供一种波束形成方法、装置、电子设备及存储介质，用以解决现有技术中零陷展宽方法同等加宽会造成系统资源浪费的缺陷，实现对不同的干扰源匹配不同的期望展宽度，避免同等加宽造成系统资源浪费。

第一方面，本发明提供一种波束形成方法，包括：

基于多个节拍的接收信号，确定快照的协方差矩阵；

通过对所述快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取干扰加噪声的协方差矩阵；

基于各干扰源对应的锥削矩阵，对所述干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，获取修正的协方差矩阵，所述锥削矩阵是通过估计干扰源的波达方向确定的；

基于所述修正的协方差矩阵，通过功率倒置法确定用于波束形成的目标权向量。

可选地，根据本发明提供的一种波束形成方法，所述基于多个节拍的接收信号，确定快照的协方差矩阵，包括：

通过快照的协方差矩阵公式确定所述快照的协方差矩阵；其中，所述快照的协方差矩阵公式为：

其中，

可选地，根据本发明提供的一种波束形成方法，所述干扰加噪声的协方差矩阵具体为：

/>

其中，

可选地，根据本发明提供的一种波束形成方法，所述基于各干扰源对应的锥削矩阵，对所述干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，获取修正的协方差矩阵，包括：

通过协方差矩阵修正公式，获取所述修正的协方差矩阵；其中，所述协方差矩阵修正公式为：

其中，

可选地，根据本发明提供的一种波束形成方法，所述目标权向量具体表示为：

其中，ω表示所述目标权向量，α

可选地，根据本发明提供的一种波束形成方法，在所述基于各干扰源对应的锥削矩阵，对所述干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，获取修正的协方差矩阵之前，还包括：

通过估计目标干扰源的波达方向，确定所述目标干扰源的波达方向所服从的目标均匀分布，所述目标干扰源为一个或多个干扰源中的任意一项；

基于所述目标均匀分布，确定所述目标干扰源对应的零陷宽度；

基于所述目标干扰源对应的零陷宽度，确定所述目标干扰源对应的锥削矩阵。

可选地，根据本发明提供的一种波束形成方法，所述基于所述目标干扰源对应的零陷宽度，确定所述目标干扰源对应的锥削矩阵，包括：

通过锥形矩阵公式确定所述目标干扰源对应的锥削矩阵；其中，所述锥形矩阵公式为：

其中，T

第二方面，本发明还提供一种波束形成装置，包括：

第一确定模块，用于基于多个节拍的接收信号，确定快照的协方差矩阵；

第一获取模块，用于通过对所述快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取干扰加噪声的协方差矩阵；

第二获取模块，用于基于各干扰源对应的锥削矩阵，对所述干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，获取修正的协方差矩阵，所述锥削矩阵是通过估计干扰源的波达方向确定的；

第二确定模块，用于基于所述修正的协方差矩阵，通过功率倒置法确定用于波束形成的目标权向量。

第三方面，本发明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上述任一种所述波束形成方法。

第四方面，本发明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，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述波束形成方法。

本发明提供的波束形成方法、装置、电子设备及存储介质，通过计算多个节拍的接收信号的协方差，可以获取快照的协方差矩阵，进而可以对快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取干扰加噪声的协方差矩阵，进而通过估计各干扰源的波达方向，可以确定各干扰源对应的锥削矩阵，不同的干扰源可以对应不同的锥削矩阵，进而基于各干扰源对应的锥削矩阵，可以对干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，进而通过功率倒置法可以确定目标权向量，目标权向量可以用于在波束形成过程中对不同的干扰源实现不同的期望展宽度，避免同等加宽造成系统资源浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的波束形成方法的流程示意图；

图2是本发明提供的波束形成实验结果示意图之一；

图3是本发明提供的波束形成实验结果示意图之二；

图4是本发明提供的波束形成实验结果示意图之三；

图5是本发明提供的波束形成实验结果示意图之四；

图6是本发明提供的波束形成实验结果示意图之五；

图7是本发明提供的波束形成实验结果示意图之六；

图8是本发明提供的波束形成实验结果示意图之七；

图9是本发明提供的波束形成实验结果示意图之八；

图10是本发明提供的波束形成装置的结构示意图；

图11是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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是本发明提供的波束形成方法的流程示意图，如图1所示，所述波束形成方法的执行主体可以是卫星信号的接收端。该方法包括：

步骤101，基于多个节拍的接收信号，确定快照的协方差矩阵。

具体地，为了在波束形成过程中对不同的干扰源实现不同的期望展宽度，可以获取多个节拍的接收信号，进而对该多个节拍的接收信号计算协方差，可以获取快照的协方差矩阵。

步骤102，通过对所述快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取干扰加噪声的协方差矩阵。

具体地，在获取快照的协方差矩阵之后，可以对快照的协方差矩阵进行特征值分解，以获取干扰加噪声的协方差矩阵，干扰加噪声的协方差矩阵可以包括一个或多个干扰源的特征向量和特征值，还可以包括一个或多个噪声源的特征向量和特征值。

步骤103，基于各干扰源对应的锥削矩阵，对所述干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，获取修正的协方差矩阵，所述锥削矩阵是通过估计干扰源的波达方向确定的。

具体地，在获取干扰加噪声的协方差矩阵之后，可以基于各干扰源对应的锥削矩阵，对干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，进而获取修正的协方差矩阵，修正的协方差矩阵可以用于确定波束形成权向量。

可以理解的是，由于不同的干扰源可以对应不同的锥削矩阵，因而通过修正的协方差矩阵所确定的波束形成权向量可以在波束形成过程中对不同的干扰源实现不同的期望展宽度。

步骤104，基于所述修正的协方差矩阵，通过功率倒置法确定用于波束形成的目标权向量。

具体地，在获取修正的协方差矩阵之后，可以基于修正的协方差矩阵，通过功率倒置法确定目标权向量，进而可以基于目标权向量进行波束形成。

本发明提供的波束形成方法，通过计算多个节拍的接收信号的协方差，可以获取快照的协方差矩阵，进而可以对快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取干扰加噪声的协方差矩阵，进而通过估计各干扰源的波达方向，可以确定各干扰源对应的锥削矩阵，不同的干扰源可以对应不同的锥削矩阵，进而基于各干扰源对应的锥削矩阵，可以对干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，进而通过功率倒置法可以确定目标权向量，目标权向量可以用于在波束形成过程中对不同的干扰源实现不同的期望展宽度，避免同等加宽造成系统资源浪费。

可选地，本发明提供一种波束形成方法，所述基于多个节拍的接收信号，确定快照的协方差矩阵，包括：

通过快照的协方差矩阵公式确定所述快照的协方差矩阵；其中，所述快照的协方差矩阵公式为：

其中，

具体地，为了确定快照的协方差矩阵，可以获取多个节拍的接收信号，进而可以通过快照的协方差矩阵公式，对该多个节拍的接收信号计算协方差，可以获取快照的协方差矩阵。

可以理解的是，在实际情况下，接收信号的协方差矩阵是未知的，可以通过计算多个节拍的接收信号的协方差，以获取快照的协方差矩阵，可以用快照的协方差矩阵替代接收信号的协方差矩阵。

因此，通过快照的协方差矩阵公式，可以获取快照的协方差矩阵，可以用快照的协方差矩阵替代接收信号的协方差矩阵。

可选地，本发明提供一种波束形成方法，所述干扰加噪声的协方差矩阵具体为：

其中，

具体地，在获取快照的协方差矩阵之后，可以对快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取到的干扰加噪声的协方差矩阵可以用特征矢量u

可以理解的是，λ

可以理解的是，λ

因此，通过对快照的协方差矩阵进行特征值分解，可以获取到干扰加噪声的协方差矩阵。

可选地，本发明提供一种波束形成方法，所述基于各干扰源对应的锥削矩阵，对所述干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，获取修正的协方差矩阵，包括：

通过协方差矩阵修正公式，获取所述修正的协方差矩阵；其中，所述协方差矩阵修正公式为：

其中，

具体地，在获取干扰加噪声的协方差矩阵之后，可以基于各干扰源T

因此，通过协方差矩阵修正公式可以对干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，进而获取修正的协方差矩阵。

可选地，本发明提供一种波束形成方法，所述目标权向量具体表示为：

其中，ω表示所述目标权向量，α

具体地，在获取修正的协方差矩阵之后，可以基于修正的协方差矩阵，通过功率倒置法确定目标权向量ω，进而可以基于目标权向量ω进行波束形成。

可选地，根据功率倒置原理，目标权向量的求取过程可以描述为以下极值函数：

其中，α

对于上述极值函数，可以通过拉格朗日乘子法解得最佳权向量，也即目标权向量ω。

因此，通过功率倒置法可以确定目标权向量，进而可以基于目标权向量进行波束形成，目标权向量可以用于在波束形成过程中对不同的干扰源实现不同的期望展宽度。

可选地，本发明提供一种波束形成方法，在所述基于各干扰源对应的锥削矩阵，对所述干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，获取修正的协方差矩阵之前，还包括：

通过估计目标干扰源的波达方向，确定所述目标干扰源的波达方向所服从的目标均匀分布，所述目标干扰源为一个或多个干扰源中的任意一项；

基于所述目标均匀分布，确定所述目标干扰源对应的零陷宽度；

基于所述目标干扰源对应的零陷宽度，确定所述目标干扰源对应的锥削矩阵。

具体地，获取目标干扰源对应的锥削矩阵过程可以是，通过估计目标干扰源的波达方向，可以确定目标干扰源的波达方向所服从的目标均匀分布，进而可以基于该目标均匀分布，确定目标干扰源对应的零陷宽度，进而基于目标干扰源对应的零陷宽度，可以确定目标干扰源对应的锥削矩阵。

可以理解的是，目标干扰源的波达方向可以围绕实际波达方向服从均匀分布，通过估计目标干扰源的波达方向，可以确定目标干扰源的波达方向所服从的目标均匀分布，基于该目标均匀分布可以确定波达方向的扰动幅度，进而基于该扰动幅度可以确定目标干扰源对应的零陷宽度。

可以理解的是，由于目标干扰源为一个或多个干扰源中的任意一项，可以对每一个干扰源执行上述获取目标干扰源对应的锥削矩阵的过程，以获取各干扰源对应的锥削矩阵。

因此，对每一个干扰源执行上述获取目标干扰源对应的锥削矩阵的过程，可以获取各干扰源对应的锥削矩阵，各干扰源对应的锥削矩阵可以用于对干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理。

可选地，本发明提供一种波束形成方法，所述基于所述目标干扰源对应的零陷宽度，确定所述目标干扰源对应的锥削矩阵，包括：

通过锥形矩阵公式确定所述目标干扰源对应的锥削矩阵；其中，所述锥形矩阵公式为：

其中，T

具体地，目标干扰源可以是第q个干扰源，在确定第q个干扰源对应的零陷宽度Δq之后，可以通过锥形矩阵公式确定第q个干扰源对应的锥削矩阵T

因此，通过锥形矩阵公式可以确定目标干扰源对应的锥削矩阵，对每一个干扰源执行上述获取目标干扰源对应的锥削矩阵的过程，可以获取各干扰源对应的锥削矩阵，各干扰源对应的锥削矩阵可以用于对干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理。

可选地，在一次实验中，可以设置一个受扰LEO卫星位于法线方向0°，有两个干扰LEO位于-26°和60°附近，链路产生的干噪比分别为35dB和45dB，受扰卫星和施扰卫星天线传感器数量均为32，所采取快照数为1000。

为了便于分析，对本发明提供的波束形成方法与常规的非展宽自适应波束形成方法和常规零陷展宽方法进行仿真结果对比，其中，常规的非展宽自适应波束形成方法可以是最小均方无畸变响应(Minimum Variance Distortionless Response，MVDR)，常规零陷展宽方法可以是协方差矩阵锥化(Covariance Matrix Taper，CMT)。

图2是本发明提供的波束形成实验结果示意图之一，图3是本发明提供的波束形成实验结果示意图之二，图2示出了本发明提供的波束形成方法的实验结果，图3示出了使用常规的MVDR的实验结果，如图3所示，使用常规的MVDR，在-26°及60°产生了两个尖锐的零陷一旦干扰方向出现变化，干扰将移出零陷，导致干扰抑制能力下降。

如图2所示，使用本发明提供的波束形成方法进行波束形成处理，在-26°的干扰被成功加宽，而在60°干扰则保留了尖锐的零陷，加宽后的零陷与常规结果的宽度几乎相同。这一实验结果证实了本发明所提供的波束形成方法的有效性。

图4是本发明提供的波束形成实验结果示意图之三，如图4所示，图4中的第一曲线为常规的CMT方法对应的曲线，图4中的第二曲线为使用本发明提供的波束形成方法对应的曲线，通过特征值的比较，常规的CMT方法在拓宽两个零陷时要花费8个自由度，而本发明提供的波束形成方法比常规的零陷展宽方法的信号子空间节省了3个自由度。信号子空间自由度的判断方式通常为：将各特征值与分解后小特征值进行比较，明显大于小特征值的确定为信号子空间对应的特征值。这一实验结果证明本发明提供的波束形成方法不仅能够实现零陷可控展宽，同时能够节省自适应处理所需自由度，达到节省运算量的目的。

可选地，在一次实验中，设置系统1受到系统2干扰的干扰场景，其中，系统1包括630颗轨道高度为1200km，倾角为87.9°的极轨道卫星，系统2包括1548颗轨道高度为550km，倾角为53°的倾斜轨道卫星。

图5是本发明提供的波束形成实验结果示意图之四，图6是本发明提供的波束形成实验结果示意图之五，图7是本发明提供的波束形成实验结果示意图之六，图8是本发明提供的波束形成实验结果示意图之七，图9是本发明提供的波束形成实验结果示意图之八，图5所示曲线为干扰规避前的载噪比(C/N)曲线，图6所示曲线为干扰规避前的载干噪比(C/(I+N))曲线，图7所示曲线为干扰规避后的载噪比曲线，图8所示曲线为干扰规避后的载干噪比曲线，图9所示曲线为干扰门限(threshold)，高于门限表明不存在有害干扰。从图5和图6可以看出，在0.2h-0.5h之间间歇出现副瓣强干扰。对此段数据中副瓣干扰时刻运用本发明提供的波束形成方法，结果均恢复至干扰门限以上，说明副瓣干扰被有效抑制。这一实验结果证明本发明提供的波束形成方法能够实现零陷可控展宽，达到节省运算量的目的。

本发明提供的波束形成方法，通过计算多个节拍的接收信号的协方差，可以获取快照的协方差矩阵，进而可以对快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取干扰加噪声的协方差矩阵，进而通过估计各干扰源的波达方向，可以确定各干扰源对应的锥削矩阵，不同的干扰源可以对应不同的锥削矩阵，进而基于各干扰源对应的锥削矩阵，可以对干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，进而通过功率倒置法可以确定目标权向量，目标权向量可以用于在波束形成过程中对不同的干扰源实现不同的期望展宽度，避免同等加宽造成系统资源浪费。

下面对本发明提供的波束形成装置进行描述，下文描述的波束形成装置与上文描述的波束形成方法可相互对应参照。

图10是本发明提供的波束形成装置的结构示意图，如图10所示，所述装置包括：第一确定模块1001，第一获取模块1002，第二获取模块1003和第二确定模块1004，其中：

第一确定模块1001，用于基于多个节拍的接收信号，确定快照的协方差矩阵；

第一获取模块1002，用于通过对所述快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取干扰加噪声的协方差矩阵；

第二获取模块1003，用于基于各干扰源对应的锥削矩阵，对所述干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，获取修正的协方差矩阵，所述锥削矩阵是通过估计干扰源的波达方向确定的；

第二确定模块1004，用于基于所述修正的协方差矩阵，通过功率倒置法确定用于波束形成的目标权向量。

本发明提供的波束形成装置，通过计算多个节拍的接收信号的协方差，可以获取快照的协方差矩阵，进而可以对快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取干扰加噪声的协方差矩阵，进而通过估计各干扰源的波达方向，可以确定各干扰源对应的锥削矩阵，不同的干扰源可以对应不同的锥削矩阵，进而基于各干扰源对应的锥削矩阵，可以对干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，进而通过功率倒置法可以确定目标权向量，目标权向量可以用于在波束形成过程中对不同的干扰源实现不同的期望展宽度，避免同等加宽造成系统资源浪费。

图11是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图11所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1110、通信接口(Communications Interface)1120、存储器(memory)1130和通信总线1140，其中，处理器1110，通信接口1120，存储器1130通过通信总线1140完成相互间的通信。处理器1110可以调用存储器1130中的逻辑指令，以执行波束形成方法，例如该方法包括：

基于多个节拍的接收信号，确定快照的协方差矩阵；

通过对所述快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取干扰加噪声的协方差矩阵；

基于各干扰源对应的锥削矩阵，对所述干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，获取修正的协方差矩阵，所述锥削矩阵是通过估计干扰源的波达方向确定的；

基于所述修正的协方差矩阵，通过功率倒置法确定用于波束形成的目标权向量。

此外，上述的存储器1130中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

又一方面，本发明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，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的波束形成方法，例如该方法包括：

基于多个节拍的接收信号，确定快照的协方差矩阵；

通过对所述快照的协方差矩阵进行特征值分解，获取干扰加噪声的协方差矩阵；

基于各干扰源对应的锥削矩阵，对所述干扰加噪声的协方差矩阵进行锥化处理，获取修正的协方差矩阵，所述锥削矩阵是通过估计干扰源的波达方向确定的；

基于所述修正的协方差矩阵，通过功率倒置法确定用于波束形成的目标权向量。

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。

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。