多波束形成的基本原理篇1

关键词：被动声呐，三元基阵测距，时延估计，互相关处理，波束形成

1引言

基于三元子阵时延估计的被动噪声测距声呐利用球面波或柱面波的波阵面曲率变化，通过测量各阵元的相对时延，估计目标的距离和方位。其测距精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度、信号强度等因素有关，其中时延测量精度是关键。原因主要有三个方面：

第一，虽然增大阵长可减小测时误差带来的影响，但由于声纳装载平台尺度的限制，阵长不能无限增大，所以测距精度取决于测时精度。

第二，可以证明，被动测距的相对误差等价于时延估计的相对误差即：

(1)

根据这一公式，我们可以清楚被动声呐所面临的问题。倘若孔径为51米的等间距布阵的声呐，测量相距25公里的目标，时延差值（最大值）约为17.3,如果要求相对误差为10％，则时延估计精度不能大于1.73,在海洋环境中要做到这一点非常困难。

第三,在被动声纳定位系统中，时延估计是进入后续处理模块前关键的一步。

随着处理时间的推移，接收信号并不能总是被假设为平稳的。论文参考。海洋作为传播介质具有极其复杂的特征，同时又存在时空相关特性，使得信号辐射本身就是不平稳的，而且，发射和接收之间的相对运动通常也是不可忽略的。传统声呐估计时延的通常方法是，对接收信号适当滤波，计算广义互相关函数，对输出平均秒，选取相关波形图中最大峰对应的时延作为粗延估计值，这里，平均时间受目标运动引起的多普勒的影响（运动导致了互相关损失）。然后，用余弦函数四点内插进行精延估计，最后用Kalman滤波器作为后置处理器对时延测量序列进行滤波。

为提高测距精度，本文对在声呐系统中影响时延估计精度的波束形成、相关系数的处理、采样频率等信号处理环节进行了讨论，并进行必要的仿真分析，旨在确立改善时延估计精度的措施。

1波束形成的设计

传统声呐的波束形成采用大量的分类元件构成，每个平板阵有四条延迟线形成7个波束，见图1右侧所示，波束号分别为、、、。波束中心（以正横为基准）分别是0、±14.5、±30、±42。每节时延长度约为9.39us，以±β为例，计算依据是：

在相邻波束覆盖处信号损失约为3dB。

现构置一种波束形成器，实现结果见图1左侧所示，软、硬件可以由一片FPGA完成，形成19个对称波束，每节时延长度为约3.9us，计算依据是：

多波束形成的基本原理篇2

摘要：声波是水中携带信息的最佳载体，水声技术是开展水下通信、探测等常用技术，具有较大的发展潜力。复射线法认为一个复源点的射线束，复源点与等效复源点关系和几何光学源点、等效光源关系是一致的，遵守几何光学ABCD定律，基于此学术界开展了大量基础研究。当前比较成熟的复射线法方法主要包括复射线法追踪法、复射线法近轴近似法、复合复射线法、复射线展开法等，在水声理论中复射线法技术主要用于指向性声场、计算散射场分析。近年来，有关于复射线法研究较少，特别是随着高速水声正交多载波调制（OFDM）通信系统的构建，反射法的应用领域变得十分狭窄，应将复射线法与非相干水声通信、相干水声通信、扩频水声通信相结合，以提高水声波的空间分辨率、提高波束形成算法的稳健性、提高波束形成的抗干扰能力。

关键词：水声技术；复射线法；信息传递

声波是水中携带信息的最佳载体，其在水中的衰减低，水声探查是进行水中远距离目标探测的最有效方法，水声通信是水下中、远距离通信的重要手段。水声通信与无线通信在工作原理、核心技术方面有一定的相通性，但因载体传播速度、信道带宽、多普勒效应效应等方面存在较大的差异。这些差异直接影响水声信道、水声通信系统的构架。水声波通信主要限制因素是浅水区域的温度梯度差异，海面噪声与反射折射引起的多径传播，次要的限制因素是水中声速相对较慢，影响通信的效率。水声通信技术起步较晚，但发展迅速，水声通信的发展历程，是不断的对干扰相抗争的过程，目前已能够实现2000km距离的水声通信。当前技术实现的普遍做法是对现有的技术进行适应性调整与改进。复射线法是一种分析计算高频波场的有效方法，本文尝试基于复射线法分析其在水声通信中的应用价值。

1.复射线法概述

复射线法在实空间代表一个局部非均匀平面波的定向传播，在近轴区表现为高斯波束型式，在过去主要用于描述激光器产生的高斯基模。复射线利用复变函数解析开拓思想，如传播距离、入射角、反射函数等，进行复空间复射线搜索与场强分析。一个复源点的射线束，复源点与等效复源点和几何光学源点、等效光源是一致的，将几何光学ABCD定律作为解析拓延，可得到复射线的ABCD定律。辐射线法将位于点S点波源坐标rs=（xs，ys，zs）从实数域解析延拓到复数域，而达到复原点，复源点近轴区场随着偏轴距离增大而呈现高斯函数的指数凋落，在波束矢量方向产生一个高斯波束场，在远区和口径面形成一个高斯波束，利用复源点和复射线原理能够较方便的处理波束场有关的问题。

2.复射线法在水声通信中的应用

2.1复射线法方法

2.1.1复射线法追踪法

复射线法追踪法遵守传统的射线法的步骤，利用复空间推广的费马原理或函数方程，确定复射线路路径与轨迹方程，根据共振幅扩散、相位积累关系，可计算复射线场地范围，操作简单，但是计算量较大，对于复空间轨迹的搜索非常的困难，特别是在不均质水体媒介如海洋（受重力、洋流、温度的因素影响，不同区域海水密度不尽相同）和复杂的散射体（如水声目标）情况下，几乎无法搜索最终的复轨迹，限制了复射线法在信息来源追踪的中作用。

2.1.2复射线法近轴近似法

若观察点沿波束轴线方向移动，则复距离的实际上等于实距离，而虚部参数维持为一个常数，则这一性质不受反射、折射等因素影响，提示轴向复射线具有实射线的性质，因此这个方向上的观察点，无需进行复射线轨迹搜索，只需要沿波束轴线描计射线，便能够直接求得轴向复射线场。

2.1.3复合复射线法

复射线法在分层媒介传播时，可以在界面之间进行多次内部反射，例如穿过平面介质板。

2.1.4复射线展开法

复射线展开法是利用惠更斯原理的一种计算方法，在惠更斯面上定向复源点代表球面波实源点，能够由惠更斯面上已知幅相分布求出。在实际应用过程中，可采用积分计算离散化为求和形式，考虑到复源点场的定向性，可将无限求和转化为有限求和，简化积分运算。当波束宽参量趋近于0时，复源点转变为实源点，则基于惠更斯原理的计算方法便转变为惠更斯-菲涅尔积分，当波束宽度参量趋近于∞，复源点场即变化为平面波场，计算方法转变为波谱积分。

2.2实践应用

目前，基于复射线理论的通信技术已有了一定的研究成果，包括复杂环境下的电波传播、目标扩散特性分析、地震波的监测、复杂介质性质分析，采用复射线法，可用于某些水声场分析。

2.2.1指向性

声场的复射线分析声辐射器、散射体、噪声源都有一定的指向性，故研究指向性的声场在分层介质传播便有重要的实践意义。复源点场本身具有定向辐射特性，选择复源点参量，便能够在最大辐射区域内，近似表示给定声源特性，利用复射线近轴近似法，能够延拓到复空间，求得指向性声场的传播特性参数。

2.2.2散射场计算

利用复射线开展开法将射波分解为一组定向复源点场，可输入目标特性或入射波特性，然后分别进行射线追踪、复射线展开法分析，计算复射场，当入射波为平面波时，便能够求得目标雷达的参数。结语我国复射线研究已达到国际先进水平，但其更多的是应用于电磁波与电子技术、激光与光纤技术，在水声学的应用较少。随着高速水声正交多载波调制（OFDM）通信系统的构建，水声信道出传输技术有了跨越式的发展，该技术能够有效的抵抗多径时延优势，复射线理论开始遇冷。近年来，水声通信研究内容较少，复射线理论开始遇冷，今后可尝试将复射线与非相干水声通信、相干水声通信、扩频水声通信相结合，以提高水声波的空间分辨率、提高波束形成算法的稳健性、提高波束形成的抗干扰能力。

参考文献：

多波束形成的基本原理篇3

【关键词】TD-SCDMA智能天线广播波束赋形网络优化

1引言

中国移动TD-SCDMA在湖南长沙正式放号商用已过去一年半。一年多以来，得益于TD网络优化工作的持续深入，TD网络质量得到了明显的改善。TD无线网络优化，主要是通过调整各种相关的无线网络工程参数和无线资源参数，提高系统的关键无线网络指标。其中工程参数优化主要是通过调整天线的倾角、方向角和挂高等或者更换天线类型来达到控制小区的覆盖范围、减少导频污染、控制系统内干扰水平的目的；无线资源参数优化主要是通过调整各种相关的无线资源参数，使得网络的接入成功率、切换成功率和掉话率等指标维持在一个运营商和客户都满意的水平上。

智能天线是TD的关键技术之一，它提高了接收灵敏度，抑制干扰信号，提高了系统容量，这都是智能天线的显著优点。除此之外，智能天线还具有一个相对普通天线最大的优点――智能天线广播波束赋形，这一特点可以给优化工作带来很大的灵活性和便利性。

2智能天线广播波束赋形基本原理

智能天线本质上是一种多阵元天线系统，通过对各阵元赋予激励信号不同的相位和幅度（也称权值）可以产生不同的波束宽度或半功率角以及半功率角的水平偏移，即形成不同的波束赋形，可以是业务波束的赋形，也可以是广播波束的赋形。

业务波束是在建立具体的通话链路后形成的。智能天线首先对有用信号及干扰信号的方向进行预测，根据预测结果对每一个用户形成一个跟踪波束，自适应地将跟踪波束的主瓣方向对准用户信号方向，同时波束的零点方向对准干扰信号方向，从而降低干扰，扩大小区半径，提高系统容量。

广播波束是在广播时隙TS0和下行导频时隙DwPTS中形成的。智能天线广播波束赋形的原理可以参考图1。

在广播时隙或下行导频时隙，基带输出信号通过功分器分发到智能天线的N个激励单元，每个激励单元对通过本分路的信号施以相应的激励（也称为权值）Wi（i=1,2,…,N），包括对幅度的激励和对相位的激励。经过激励的各分路信号经过射频组件后从各自的天线单元发射出去，而智能天线的广播波束赋形图即是各天线单元辐射场图的合成。其合成方向图的数学表示为：

（1）

其中，i表示第i个单元，k为波数，dx为相邻单元的间距，θ为离阵面法线方向的偏离角。|Wi|为单元激励权值Wi的幅度部分，φi为Wi的相位部分。fi(θ)为第i个单元在阵中的有源方向图（以第i个单元的相位中心为相对坐标原点），F(θ)为合成的阵列方向图。

在天线仿真或实际的天线测量中，通常容易获得第i个单元在阵中的有源方向图fi’(θ)，其与fi(θ)的对应关系为：

（2）

因此，合成方向图F(θ)也可以表示为：

（3）

由式（3），F(θ)也可进一步表示为fi’(θ)的复权值叠加：

（4）

式（4）中，由于fi’(θ)已经获得（可以是测量得到或从天线厂家得到），通过试探改变复权值Wi的设置，就可以不断地调整合成方向图F(θ)，从而尽可能地逼近所期望合成的广播波束方向图Fdest(θ)。最终，把能够实现F(θ)与Fdest(θ)最佳逼近的一组权值（W1,W2,…,Wn）作为智能天线的广播波束权值输入，就可以得到与期望广播覆盖效果的最佳逼近。这就是智能天线广播波束赋形的基本原理。

通过多种方式对广播波束的赋形，可以实现对广播信号覆盖的控制，如：（1）改变波束宽度，需要注意的就是旁瓣的抑制问题；（2）改变波束的指向，使得广播波束可以根据负载的变化改变扇区的指向；（3）改变波束的形状，形成特殊场景需要的覆盖形状，比如马鞍形。图2给出了广播波束赋形的一种效果，通过赋形使方向图成为马鞍形（图2右），这种效果可以应用于一些特殊场景。

3智能天线广播波束赋形在优化工作中的应用

TD智能天线的高可调谐性决定了TD无线网络的优化模式必然与GSM无线网络有着显著区别：前者主要是通过对智能天线各阵元的权值参数调整来实现，而后者主要通过对2G天线的机械调整来实现。具体的区别如表1所示：

表1TD智能天线和GSM天线在网络优化中的差异

主要区别点智能天线2G常规天线

基站覆盖的优化手段权值调整和机械调整机械调整（调整倾角和方位角）、更换天线类型（调整天线的增益和半功率角）

天线半功率角的大小需通过权值参数来控制广播波束宽度，波束宽度可根据需求灵活配置出厂固定配置，有30度、65度、90度、120度等类型，属硬件特性

方位角的

调整可通过调整权值来实现波束水平偏移机械调整

覆盖形状的

调整通过权值调整可灵活地调整小区的覆盖形状，尤其适用于特殊场景的优化无法灵活调整

在日常优化过程中，可以利用智能天线广播波束赋形的特点来实施网络优化，通过修改天线权值即可改变广播波束宽度或波束形状，甚至方位角。这里给出利用广播波束赋形实施TD无线网络优化的流程，如图3所示。

（1）采用路测的方法（也可以基于用户投诉），采集目标小区的覆盖数据；

（2）对数据进行分析，找出弱覆盖、覆盖盲区或导频污染区等问题区域；

（3）结合电子地图和基站分布情况，确定问题区域最合理的主覆盖小区，进而确定该小区的覆盖边界和覆盖区域形状；

（4）将所希望的小区覆盖边界和形状输入到中国移动开发的智能天线广播波束赋形软件中，得到本小区多阵元天线的广播波束赋形参数文件，通过OMCR端配置对应小区天线的广播波束赋形参数从而对问题区域进行优化；

（5）每次调整完广播波束的赋形参数，按照原有路线再次路测，采集新的数据来验证优化效果是否达到预期的水平，循环往复，直到整个网络的指标达到满意的程度。

在上述优化流程中，比较关键的环节是步骤（4），该环节可以通过中国移动开发的智能天线广播波束赋形软件实现。该软件能够基于给定的广播波束赋形图，通过人工辅助调节的方式得到一组最佳权值，用该组权值作为智能天线的输入而产生的实际广播波束赋形能够实现与目标广播波束赋形尽可能地逼近。图4所示为该软件界面。

4结束语

利用TD智能天线广播波束赋形特点，同时借助于智能天线广播波束赋形软件，通过修改智能天线的权值数据从而改变广播波束宽度或波束形状甚至方位角，可以高效实施网络覆盖优化。这种优化方式在工程建设阶段的网络优化中，可减少工程参数调整的工程实施难度，降低施工危险，加快网络覆盖优化的速度；在维护阶段的网络优化中，可大大减少日常网络优化上天面调整天馈系统的工作量，很大程度地降低由于反复上站造成的站址业主反感度，有利于协调移动公司和业主的关系。

相比目前所采用的人工调整工程参数的方法，调整广播波束的方法具有精度高、调整方便、调整前后对比方便、可以网络化操作等特点，有利于网络优化向集中化、信息化、标准化、智能化方向发展。

参考文献

[1]李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准（第1版）[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[2]彭木根,王文博.TD-SCDMA移动通信系统（第2版）[M].北京:机械工业出版社,2007.

[3]黄小实.浅谈TD-SCDMA智能天线基本原理和测试方法[J].电子设计应用,2009(10):10-11.

【作者简介】

多波束形成的基本原理篇4

关键词：波束成形算法；智能天线；认知无线电

随着不断优化的无线通信技术的高速发展，可利用的无线频谱资源也日益减少，鉴于这种资源的不可再生性，促使越来越多的开发者想到更优化的利用方式。传统的的频段的分配方式是将频段分配给固定的用户，但这种方式的不科学在于某些频段的利用率极低，严重的导致的频段资源的使用不平衡。这种方式也不能适应高速发展的无线电技术。基于这些原因，认知无线电（cognitiveradio，CR）应运而生。主要原理为设定主用户（primaryuser，PU）和次用户（secondaryuser，SU），次用户是非授权用户，能够感知到空间中的空闲信道，当主用户不占用信道时，次用户在对主用户不造成干扰的情况下对其空闲的注册信道进行信息传输。认知无线电是一种智能软化无线电，其具有频谱感知能力。当周围电磁环境存在频谱空穴时，能自动感知到，同时通过规定的通信协议和相关的算法将发射接收信号的参数调整到最佳状态。由此可见，认知无线电不仅具有通信功能，而且还需具备频谱探测能力，具有多功能特征，必须借助于软件无线电来实现。认知无线电已成为目前无线通信领域的一大研究热点。

1认知无线电的智能天线波束形成理论

智能天线系统的主要部分为天线阵列、波束形成单元和自适应控制单元。天线阵列是对发射和接收机信号处理的辐射部分，波速的形成部分是由这部分的天线单元感知的空间信号相加权得到的。智能天线的重要部分是自适应控制单元，主要的功能是在相应的算法和优化准则下，能适应周围电磁环境的变化，利用数字信号处理的技术，调节阵元的加权幅度和相位，使空间定向波束动态地产生，从而跟踪用户信号的到达方向，最大可能的抑制干扰，提高信噪比。

2智能天线中LMS自适应波束形成算法的研究

同样众多的研究者将目光放在LMS算法上，这种基本的算法是将天线方向图的主瓣对准特定方向，而零陷对准干扰信号。和传统的天线相比，自适应天线的特定是调整阵列波束以期望得到最大输出功率，因此自适应天线阵列实时的自动调整权值来实现主波束的优化。一般来说，在某种准则下达到最优的主波束的算法，研究的最多的准则有最小均方误差准则（MMSE），最大信噪比（MaxSNR），最小方差（MV）准则等。在一定的最优准则基础上，形成了自适应波束算法，学者们也都对此进行了大量的研究工作，就现在提出的各类自适应波束形成算法而言，主流的分类包括非盲算法和盲算法两个大类。对于非盲算法是将发射信号指定为已知信号，利用发射信号来形成波束的算法。而对于非盲算法有最小均方误差算法（LMS）等，由于LMS算法具有计算复杂度低、在平稳环境中的收敛性好等一些特点，近年来成为自适应算法中应用最广泛的算法。

3改进的LMS算法

在基本LMS算法中，采用变步长的方法来解决基本LMS中收敛速度慢和有小稳态误差的问题。基本的算法思路为在刚开始迭代的时候，选择大的步长，从而可以获得非常快的收敛速度，而在趋近wopt附近时，逐步使迭代步长减小，从而获得小的稳态误差。使步长随着稳态误差逐步趋近于零。这样看来，采用变步长的方法实际上是寻找一条变化曲线，要求在零点附近能最大限度的达到平衡。

4OFDM系统中时域和频域波束形成的比较

近几年来，新一代移动通信的核心技术OFDM被普遍的研究。将智能天线和其相结合能进一步提高频谱利用率和系统的容量。在此系统中，智能天线算法可分为时域波束和频域波束的形成。事实上，Post-FFT性能优于Pre-FFT（以算法复杂度为代价），通过仿真得出，两种方法在不同情况下分别优于对方。这对于不同系统参数和信道情况下时两种算法的选择有着重要意义。

5加入扩频序列的SMI-LSCMA算法

SMI-LSCMA算法[5]是一种多波束赋形算法，由协方差矩阵求逆（SMI）和最小二乘恒模（LSCMA）构成。

在真实的无线通信环境中，由于众多的用户量和外界的干扰很强。单纯使用恒模算法不能完全恢复用户的信号。正是基于这个原因，将SMI算法和LSCMA算法结合。将SMI算法来确定横模阵列的初始权，权向量的更新用LSCMA方法。由于得到稳定的算法并能捕获特定信号，付出的代价是计算量的增大。和认知无线电结合之后，利用TD-SCDMA系统的扩频序列作为权值更新以及最后收敛的相关信息，加入扩频序列的SMI-LSCMA算法。就理论分析而言，假设系统已知的情况下，如果加入特定接收的信号的扩频序列信息，使算法通过多级对消系统捕获特定接收信号的过程。利用智能天线锁定此扩频接收信号，可以更加快速，准确的收敛于特定的用户信号，这正是该算法的理论依据。

[参考文献]

[1]RobertAMonzingoandThomsWMiller.Intro-ductiontoadaptivearrays[M].JohnWileyandSons，Inc.1980.

[2]ERFerrara.FastimplementationofLMSadaptivefilters[J].IEEETrans.OnASSP，1980，28（4）：474-475.

[3]DMansourandAHGray.Unconstrainedfrequen-cy-domainadaptivefilter[J].IEEETrans.onAS-SP.1982，30（5）：726-734.

多波束形成的基本原理篇5

【关键词】TD-LTEMIMOTM8双流波束赋形

1引言

TD-LTE在R9阶段新增了双流波束赋形技术，共八种传输模式，每种模式对应了不同的MIMO（Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出）传输形式，其中模式7、模式8又是针对TDD系统所特有的波束赋形技术[1]，模式7的波束赋形技术在一阶段测试时，已经较为充分地验证了其性能的优越性。针对边缘用户以及无线环境不理想的情况下，TM7（单流波束赋形）对于改善无线环境、提高用户感知、提升小区的整体吞吐量有着较为重要的作用。TM3（开环空间复用）目前采用的2*2MIMO，可以针对同一个用户传输双流，理论上翻倍地提高了单用户的峰值吞吐量，直接体现了TD-LTE系统的性能优越性[2]。正是基于此，TM8（双流波束赋形）同时取纳了开环空间复用与单流波束赋形的优点，将空间复用与波束赋形有机地结合起来，这样在改善无线环境的同时又能尽量合理地提高用户的吞吐量。

2TM8原理简介

双流波束赋形技术应用于信号散射体比较充分的条件下，是智能天线波束赋形技术和MIMO空间复用技术的有效结合，在TD-LTE系统中，利用TDD信道的对称性，同时传输两个赋形数据流来实现空间复用，并且能够保持传统单流波束赋形技术广覆盖、提高小区容量和减少干扰的特性，既可以提高边缘用户的可靠性，还能有效提升小区中心用户的吞吐量[3]。

根据多天线理论可知，接收天线数不能小于空间复用的数据流数。8天线双流波束赋形技术的使用，接收端至少需要有2根天线。根据调度用户的情况不同，双流波束赋形技术可以分为单用户双流波束赋形技术和多用户双流波束赋形技术。

2.1单用户

单用户双流波束赋形技术：由基站测量上行信道，得到上行信道状态信息后，基站根据上行信道信息计算两个赋形矢量，利用该赋形矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形。采用单用户双流波束赋形技术，使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输，同时获得赋形增益和空间复用增益，从而可以获得比单流波束赋形技术更大的传输速率，进而提高系统容量。

2.2多用户

多用户双流波束赋形技术：基站根据上行信道信息或者UE反馈的结果进行多用户匹配，多用户匹配完成后，按照一定的准则生成波束赋形矢量，利用得到的波束赋形矢量为每一个UE、每一个流进行赋形。

多用户双流波束赋形技术利用了智能天线的波束定向原理，实现多用户的空分多址。

2.3应用场景

8天线双流波束赋形技术是TD-LTE建网的主要技术，应用于室外场景的宏小区覆盖，可以有效地增加空间隔离度，降低数据流之间的干扰。利用4+4双极化天线，使用双流波束赋形技术可实现室外宏小区覆盖。

2.4双流波束赋形的参考信号时频图

LTER9版本中对于DM-RS（DemodulationReferenceSignal，解调参考信号）参考信号的引入不是R8解调参考信号的简单延伸，而是一个新的结构。如果基于R8的DM-RS结构，将难以实现，因而R9版本引入了一个新的、更加面向未来的结构，而不是扩展R8结构以支持两个参考信号。如图1所示，在双流波束赋形的传输模式下，采用12个资源块对的参考信号，这12个资源块均为两个参考信号所用，参考信号之间的干扰是通过给连续的参考符号对使用相互正交的模式来处理，即正交覆盖代码（OCC），除了相互正交的模式，还可以给这些参考符号使用一个伪随机序列[4]。该序列对这两个参考信号相同，因此不会影响传输参考信号之间的正交性。相反，伪随机序列是为了在所谓的MU-MIMO传输的情况下区分给不同终端的解调参考。

3TM8性能探讨

3.1提高单用户吞吐量

双流波束赋形既采用了双流来提高吞吐量，又采用了波束赋形来抗干扰。由于赋形技术更适合边缘用户，因此相较于开环空间复用，双流波束赋形更适合应用于中点、差点等相关位置。如图2所示：

分别定义好点、中点、差点的SINR范围，为了使对比更加明显，在好点、中点、差点分别采用开环空间复用（TM3）和双流波束赋形（TM8）对单个用户的吞吐量进行测量。从图2可以发现，在好点，TM3的性能与TM8相差无几，基本持平；在中点以及差点，TM8的赋形增益逐渐较好地体现出来，由部分实验结果可知，在中点TM8较TM3的性能提升约40%，在差点TM8的性能体现得更为明显，性能提升约70%。

以上分析均为TM8相较于TM3的性能体现，下面对比一下TM8相较于TM7的性能优劣，如图3所示：

由图3分析可以得出，TM8相较于TM7在好点、中点、差点的性能增益的提高趋势，与TM8跟TM3的增益趋势截然相反。在好点TM3的增益较TM7约为50%，在中点约为25%，在差点TM8的性能与TM7相差无几，基本持平。归其原因，笔者认为：在好点，由于TM8大多采用了双流，速率会成倍提高；在中点，由于信道环境不如好点理想，因而TM8双流与单流均有采用，但整体上会比单流波束赋形速率高；在差点，TM8也大多采用单流，所以与TM7的性能基本持平。

综合各种相关因素，笔者认为TM8更适合应用于无线环境较好的中点环境，相较于TM3、TM7两种常采用的传输模式，性能均有较大提升，从而整体上提高用户的感知。

3.2提升小区吞吐量

对于小区吞吐量的提升效果验证，通过在全小区采用开环空间复用（TM3）、全小区采用单流波束赋形（TM7）、全小区采用模式3/7自适应、全小区采用TM8四种情况下进行对比测试。测试条件均为单小区20MHz带宽，2：2时隙配置。如图4所示：

由图4可见，TM3、TM7以及TM3/7自适应三种情况下，各自对应的小区吞吐量为TM3/7自适应最高、TM3次之、TM7最低。同时也印证了模式自适应较固定模式的优势，由于TM7始终为单流，因而小区吞吐量最低。这三种情况相较于TM8模式，无论是小区采用开环空间复用还是单流波束赋形的小区吞吐量均不如双流波束赋形的高，TM8对于小区吞吐量的抬升较为明显。统计数据显示，TM8对于小区吞吐量的提升有10%～30%的增益。

3.3双流波束赋形抗小区间干扰

双流波束赋形由于其赋形特性，对于小区边缘用户间的干扰具有很强的协调作用，从而降低了小区间的干扰。对于小区间的干扰直接体现为SINR指标的抬升，如图5所示：

可以推知在全网平均SINR值以及边缘用户的SINR平均值，TM8模式均较TM7、TM3两种模式的性能有所提升，从而优化了全网的无线环境，实现小区间的干扰协调作用。

4总结

结合上述分析结果不难发现，双流波束赋形技术无论是在技术实现原理层面还是在现网的实验结果层面，均有一定的技术优势，尤其是对于单用户小区吞吐量的抬升、全网吞吐量的抬升以及无线环境的优化和抗干扰方面均有其自身特点。因此，双流波束赋形是R9阶段TD-LTE不可或缺的一项创新，为推动TD-LTE技术的发展起着较为重要的作用。

参考文献：

[1]沈嘉，索士强，全海洋.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[2]王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3]郭建光，李寿鹏.TD-LTE传输模式性能分析[A].2011TD-LTE网络创新研讨会论文集[C].2011.

多波束形成的基本原理篇6

行水下隐蔽工程检测的关键技术环节和解决方法；并依托某坝体工程，研究了多波束系统的具体工程检测效果。

关键词：水下隐蔽工程检测多波束

水下隐蔽工程的质量一直是水运工程检测行业关注的焦点，其检测工作中主要存在着地质复杂，水流紊乱以及检测范围狭小等难题。作为常规检测方法的水下探摸、侧扫声纳、水下机器人等均存在测试范围狭小、精度低、速度慢等缺陷，影响了水下检测的质量。因此，有必要引进一种新的技术，提高水下隐蔽工程的检测效果。

多波束检测技术采用了广角度和多信道定向接收技术，能够精确快速测出沿航线一定宽度范围内水下目标的大小、形状和高低变化，从而比较可靠地描绘出水下物体的精细特征。因此研究如何把多波束系统应用于水下隐蔽工程检测具有十分重要的意义。

多波束系统

多波束系统的工作原理主要是利用水下声纳模块发射和接受脉冲声波。多波束系统是由多个子系统组合而成的综合系统，多波束系统大体上可分为多波束声学系统、多波束数据采集系统、数据处理系统、辅助传感器和成果输出系统五个部分。

工程实例应用

某混凝土面板堆石坝于2007年建成后，坝体一直在沉降，个别面板处渗流比较大，因此需检查面板是否存在空洞和不均匀沉降。但是由于地质条件复杂，检测的手段有限。因此考虑尝试利用多波束系统对面板水下部分进行检测，以判断面板是否存在不均匀沉降变形。

本次检测采用丹麦Reson公司SeaBat7125多波束系统。

1、测区布置

主要从横向和纵向全方位对主板面板进行大范围的立体扫测。主坝面板检测主要集中在面板周围30m，该区域即为测线布置区域。

2、多波束系统调试

多波束系统调试最主要是进行船体坐标系统的建立、设备安装和校准，该环节的工作质量将直接影响最终的检测精度。

在仪器安装定位后，进行船体坐标系的建立，以确定水底测点的空间关系，实现多波束的空间位置转化。并建立一个当地坐标系，实现水深数据到大地坐标系的转换。

坐标系建立后，分别量取GPS天线、罗经、声纳探头相对于参考点的位置，往返各量一次，取其中值。

船体坐标系建立完成后，还需对Seabat7125多波束系统进行安装校准，即测定声纳测头、罗经和运动传感器的安装偏差（roll，pitch，yaw）。

3、多波束原始数据的采集和选取

根据主坝面板特点，对面板进行区域划分。将整个面板沿坝体长度方向划分纵断面，并以某确定断面为起点，右边面板依次标记为R1～R5，左边面板依次标记为L1～L9；将整个坝面沿与坝体垂直方向划分横断面，于基准高程为10m、20m、30m、40m、50m处依次标记为H1～H5（见图1）。

图1某大坝主面板分块标记示意图

本次检测共采集到3345个侧扫剖面的原始数据，每个剖面均包含某处面板由江侧至坝侧的256个数据。选择具有代表性的第2015侧扫剖面数据进行分析，其中每个侧扫剖面含有256个数据，获得侧扫剖面数据的水深与波束序号的关系如图2所示。

图2侧扫剖面深度与波束关系图

图2反映了水深和波束序号的关系，从图中可以看出测船是沿着大坝面板斜面在航行，曲线的形状表示的是大坝面板形状，从测船发射的波束扫描范围为水下6m到1m左右。

4、数据的声速改正

利用多波束系统测得的声速数据对原始数据进行改正。根据声速跟踪法进行声速改正，既可得出相应的声速改正曲线图。其声速改正图如图3所示。

图3剖面声速改正后对比图

从图3可以看出，声速改正后的数据比原始数据略微要小一点，而且这个特点在深度越深的地方越明显，由此可以得知，随着水深的增加，原始数据会出现偏差。

5、数据的涌浪改正

涌浪改正主要是修正涌浪对多波束系统的影响。涌浪改正选用GPS验潮的线性内插值法，进行涌浪数据插值，然后对各水深值进行涌浪改正。

将声速改正后的数据进行涌浪改正，涌浪改正后剖面与深度关系图如图4所示。

图4剖面涌浪改正后对比图

由图4可知，经过涌浪改正和声速改正后的剖面深度数据与原始数据相差不大。

图5中两两曲线之间的空隙即为声速和波浪对多波束系统检测时造成的影响。由图可知，声速的改变和涌浪的误差较小。

图5剖面深度波束关系图

蓝色表示原始数据波束曲线

红色表示声速改正后波束曲线

绿色代表涌浪改正后的波束曲线

6、断面结果分析

将采集到的数据，全部通过声速改正和涌浪改正之后，各水深数据将不再与时间有关而是与坐标系相关，并且将船坐标系统转化到了大地坐标系，然后再进行多波束探头的横摇、侧摇以及纵摇的修正，就可以得出断面图（见图6）。通过深度和高程坐标的关系可以得出14个检测断面的斜率，根据斜率情况，既可判断大坝的面板是否发生了变形和沉降。

图6断面深度距离关系图

由14个断面的断面图可直接得出每一块面板的高程与水深深度关系。根据高程与水深深度关系可直接计算出14个断面的斜率，结果见表1所示。

表1断面斜率结果

由于该面板的设计斜率为1：1.4，由表3可知，坝体面板测试区域内的14个断面的斜率与设计斜率基本一致。

7、三维图像分析

为更直观反映检测结果，可利用检测数据直接生成三维成像图，如图7所示。

图7某大坝三维投影平面图

该图反映了该坝上游面板及水下地形情况，从图7中可以看出，面板测试范围内（L9断面到R5断面）均未出现大的变形及空洞现象，面板深度方向变化均匀，未见不均匀沉降现象。因此可判定该坝面板表面并未发生变形、沉降及空洞，满足设计及使用要求。