Spatial smoothing for localized correlated sources – Its effect on different localization methods in the nearfield

The spatial smoothing (SS) technique has been proved to be effective in decorrelating coherent signals by restoring the rank of the signal covariance matrix R. Averaging the covariance matrices of subarrays of the original array, is a technique which increases the rank of the smoothed matrix R_SS. Algorithms like MUSIC or Capon, which rely on the use of the signal covariance matrix R and fail in the case of correlated sources, can be applied to scenarios with correlated sources after spatial smoothing.However, SS is most practically applied to uniformly spaced arrays or to arrays which have a translational symmetry.In addition the formulation is strictly applicable only to such farfield conditions, where the incoming waves are plane waves and the steering vectors to the sources of the different subarrays are identical. These conditions are not fulfilled in the nearfield.Spatial smoothing is now applied with an acoustic camera in the nearfield and it is shown that up to some limits this technique is applicable. Effects/limitations are studied using simulation and measurements with several Beamforming algorithms (MUSIC, Capon and Orthogonal Beamforming) are carried out.The results demonstrate the benefits of SS even in the nearfield up to some limits, which are given through the distance of the different subarrays in comparison to the spatial resolution of the Beamforming algorithm. Especially at lower frequencies SS in connection with MUSIC- or Capon-Beamforming give better resolution in comparison to D + S Beamforming.     

智能反射表面辅助的非正交多址接入系统用户分组、波束赋形与相移的优化

该文研究智能反射表面(IRS)辅助的多天线非正交多址接入(NOMA)网络中用户分组、发送波束赋形、相移等的联合优化问题。系统中1个分组分配1个波束并在组内进行连续干扰消除检测。该文提出一种不依赖于发送波束赋形和IRS相移的用户分组配对策略,将用户分组与其他优化分离,显著降低了优化问题求解的难度和计算复杂度。进一步,联合优化基站发送波束赋形、功率分配和IRS相移矩阵,最小化基站的总发送功率。原始优化问题是一个多变量相互耦合的非凸优化问题,利用松弛变量、连续凸逼近、半定松弛、交替迭代优化等方法将原问题转化为凸问题并求解。仿真结果显示,相较于1个用户1个波束的方案,所提方案在基站天线数较少时性能更优,而在天线数较多时也与该对比方案非常接近,但所提方案的优化计算复杂度更低。而对比采用不同分组算法、随机IRS相移方案、最大比发射方案,以及无IRS的方案,所提方案的性能始终更优。     

基于公平效用函数的多波束卫星通信下行链路波束成形算法

为了更好地平衡多波束卫星通信系统的频谱效率和能量效率,以及保证多用户服务场景下的用户服务公平性,该文提出一种基于公平效用函数的波束成形(BF)方案。具体而言,首先在同时考虑卫星发射功率最小化准则以及系统和速率最大化准则的前提下,建立一个多目标优化问题,并在最大化系统频谱效率的同时利用$\alpha $公平效用函数提升用户间的服务公平性。然后利用加权和方法对复杂的多目标问题进行转换处理,并提出一种联合使用循环坐标上升(CCA)方法以及回溯直线搜索(BLS)方法的波束成形方案,从而求得最优的波束成形权矢量以及最优的帕累托解集。最后计算机仿真结果验证了所提方案的用户服务公平性,以及分析一些典型参数对公平性能的影响。并通过与其他传统方案相比,验证所提方案能够获得更高的系统频谱效率。     

一种新的相干信号波束形成方法

存在相干信号情况下的常规波束形成器,由于相干信号的相对信号强度估计误差、天线阵导向矢量扰动误差和采样协方差矩阵估计误差的存在,会产生波束畸变及信号相消,输出信干噪比会明显下降。该文提出一种基于量子信号处理中内积成形算法的波束形成器,并分析了波束形成器的性能,通过仿真比较验证了新的波束形成器的有效性。分析和实验表明,新波束形成器作为一种鲁棒性波束形成器,在上述应用环境中,通过适当调整影响因子,可以得到比传统波束形成器更稳定的性能输出。     

基于二次型约束的鲁棒自适应波束形成算法

针对期望信号方向向量存在偏差会导致自适应波束形成算法的性能急剧下降这一问题,该文提出了一种基于二次型约束的鲁棒自适应波束形成算法。通过对期望信号波达方向附近范围内的方向向量的误差模值进行约束,来提高算法的鲁棒性,并在此约束条件下对权重向量进行优化求解,且优化解中的参数能够准确求出。该算法可有效地控制波束主瓣区域内信号的畸变,并能够抑制方向向量偏差所带来的影响,提高了系统的鲁棒性,同时使干扰和噪声的功率输出最小,保证了对干扰信号的抑制能力,改善了阵列输出的信干噪比,使其更接近最优值。仿真结果验证了所提算法的有效性与优越性。     

相干环境下LCMV自适应阵列抗干扰问题研究

相干干扰环境下,自适应阵列性能会急剧下降,常用的处理方法是空间平滑。然而,采用常规均匀空间平滑的自适应阵列对相干干扰的抑制能力较差,而且会损失阵列孔径。该文提出一种改进的相干干扰抑制方案：首先,提出了一种自适应的加权空间平滑(Weighted Spatial Smoothing, WSS)算法,它将各子阵的相关矩阵进行加权平均,可以最大程度地解相干;然后,在WSS基础上,利用线性约束最小方差(LCMV)准则得到子阵波束形成器最佳权矢量;最后,提出了一种利用子阵间的相位关系对全阵做波束形成的方法。该方案大大提高了阵列对抗相干干扰的能力,同时避免了一般空间平滑后阵列的孔径损失。理论分析和仿真结果说明了方法的有效性和稳健性。     

用于自适应波束形成语音增强的球谐域掩蔽函数估计方法

提出一种用于球形阵列自适应波束形成的掩蔽函数估计方法。该方法利用包含空间信息的球谐系数提取低维空间向量,并采用复高斯混合模型和深度学习两种方案来估计掩蔽函数,最终利用估计的掩蔽函数设计最小方差无失真响应波束形成器,以达到空域滤波的效果。理论分析和仿真实验证明,对于相同时长的声信号,球谐域掩蔽函数估计方法的计算复杂度比传统阵元域估计方法低了一个数量级。并且在大部分声场环境中,尤其在低信噪比情况下,所提方法的语音质量感知评估测度得分、分段信噪比和短时客观可懂度明显高于阵元域方法,三者最高分别可提升1.31 dB,4.54 dB和35%。另外,实际声学环境的测量实验也验证了所提方法在不影响可懂度的条件下比传统阵元域方法具备更高的降噪量。     

旋转运动声源的频率波动修正波束形成方法

针对前飞状态的旋翼气动噪声信号频率存在周期性波动,且频域波束形成方法只能应用于稳态声源的问题,提出一种频率波动声源的波束形成方法。该方法利用已知的声源频率变化规律进行频率修正,在时域将频率波动信号等效为单频信号,基于该单频信号进行波束形成声源定位,实现了旋转运动的频率波动声源准确定位。数值仿真结果表明,提出的方法能够在频率波动幅值为127 Hz的情况下准确呈现出声源分布情况。在旋翼模型的风洞试验中,利用提出的频域波束形成方法其声成像结果中声源最大能量位置均在旋转轨迹上,而未进行频率修正的波束形成方法结果无法准确呈现出声源的位置。该方法扩展了频域波束形成方法中的单频声源假设,实现了旋转运动声源在频率波动状态下的波束形成,适用于前飞状态下旋翼气动噪声源的声源定位。     

方向不变恒定束宽波束图数值综合

该文提出了方向不变恒定束宽波束形成算法。该算法在主瓣控制思想的基础上,以某一指向上的波束主瓣为参考主瓣,用平移参考主瓣的方式构造主瓣位置能随波束指向变化的参考波束,旁瓣高度采用自适应方式调整。在整个观察区域内设置若干虚拟干扰源,用迭代方式不断调整干扰源强度,使任意波束指向上的波束主瓣都与相应的参考波束主瓣吻合,最终获取方向不变恒定束宽波束图。仿真实验表明,该算法能够在主波束指向60范围内形成有效的恒定束宽波束。     

有限反馈MISO-OFDM系统中最大化容量的波束成形

该文提出了一种在有限反馈条件下多输入单输出正交频分复用(MISO-OFDM)系统中基于最大化容量的波束成形方案。将OFDM符号的所有子载波分成若干簇,从码本中选择能够最大化该簇每个子载波平均容量的码字,作为该簇的波束成形向量。在低信噪比区域,求出了最优波束成形向量的闭合解;鉴于在高信噪比区域无法求出闭合解,基于簇内不同子载波信道频响之间的相关性提出了一种简化的次优算法以降低搜索最优解时的计算复杂度。仿真结果表明,在典型参数设置下,所提方案能够取得比其他已有方案更高的容量和更低的误码率。