本发明属于无线通信，特别是涉及一种基于大规模阵列系统的自适应波束形成抗干扰方法。
背景技术：
1、近年来，随着移动互联网和物联网的蓬勃发展，新技术和业务层出不穷。第五代移动通信系统的快速发展使得大规模阵列系统在满足无线数据快速增长需求方面扮演着关键角色。然而，大规模阵列系统在实际应用中需要部署大量天线，每个天线配置独立的射频链路，包括昂贵的数模和模数转换器，从而产生了昂贵的硬件成本。随着通信的进一步发展，干扰问题变得日益突出，必须寻找有效的抑制干扰的方法。因此，实现低成本的抗干扰成为大规模阵列系统需要考虑的问题。
2、波束形成可以实现抗干扰，其主要目的是为了保证期望信号同时抑制干扰信号和噪声，通过调整每个天线处信号的幅度和相位来实现抗干扰。但在实际场景中，波束形成算法可能会受到很多因素的影响，会导致波束形成性能的严重下降。而稳健波束形成算法可以克服这些影响，确保在复杂环境中依然能够有效运行。
3、而传统的数字波束形成需要大量的天线和收发链路，硬件成本和功耗很高。随着大规模阵列技术的发展，装配在接收机上的天线数越来越多，因此需要的硬件成本也越来越高。混合波束形成技术可以减少硬件成本，降低功耗。混合波束形成中包含模拟波束形成器和数字波束形成器。模拟波束形成器在粗略方向上引导阵列的主波束，通常采用移相器来组成，调节信号的相位。经过模拟波束形成器之后进入数字波束形成器。混合波束形成可以减少射频链的数量和系统的功耗。因此，有必要研发一种能够实现低成本的自适应波束形成抗干扰方法。
技术实现思路
1、本发明目的为了解决在大规模阵列系统下的接收机抗干扰的成本问题，提出一种低成本的自适应波束形成抗干扰方法。所提出的自适应波束形成方法可以实现在全数字域上完成很好的干扰抑制效果，同时保证所构建的低成本的波束形成器能够逼近其抗干扰效果。
2、为了实现本发明目的，本发明公开了一种基于大规模阵列系统的自适应波束形成抗干扰方法，具体包括以下步骤：
3、步骤一、分析大规模阵列系统下的接收机，接收机配置nr根天线，构建全数字域下的信号模型；
4、步骤二、研究模数混合波束形成代替全数字波束形成，减少射频通道，表述模数混合波束形成的信号模型；
5、步骤三、为了实现抗干扰效果，在全数字域中将波束形成抗干扰问题表述成一个优化模型，保证期望信号不失真，干扰信号及旁瓣抑制效果；
6、步骤四、针对干扰方向扰动，执行零点扩展，实现干扰信号来向零陷扩展的抗干扰效果；
7、步骤五、将全数字域得到的权矢量作为模数混合波束形成构建的最优权矢量，利用omp算法设计模拟波束矩阵和数字波束形成权矢量。
8、进一步地，步骤一中，全数字域下的信号模型具体为：
9、接收机中具有nr个天线，天线均匀排列，天线间距为d；假设一个窄带期望信号从θ0方向入射到接收天线阵列上，而p个窄带干扰从不同的方向θj(j＝1,2,...,p)到达，则阵列接收到的数据向量表示为
10、
11、其中sj(t),j＝0,1,...,p是不相关的源信号，a(θ0)表示的是期望信号的阵列流形向量，a(θj)表示的是第j个干扰信号的阵列流形向量，是阵列噪声矢量，噪声功率为对于阵列流形向量a(θ)表示为
12、
13、在全数字域上阵列输出数据表示为
14、y(t)＝whx(t)
15、其中表示的是全数字域波束形成器权重矢量。
16、进一步地，步骤二中，模数混合波束形成的信号模型具体为：
17、在混合波束形成中，接收数据会先通过模拟波束形成，模拟波束形成采用移相器实现，只改变信号的相位，结合数字波束形成构成整体的混合波束形成；在混合波束形成当中，阵列输出表示为
18、y＝wbbwrfx
19、在其中，wrf表示的是模拟波束形成矩阵，其维度为m×nr，m表示的是射频通道数目，wbb表示的是数字波束形成权矢量，其维度为1×m。
20、进一步地，步骤三中，优化模型构建过程具体为：
21、波束形成器要在干扰方向产生凹槽来抑制干扰，为了实现在干扰产生抑制效果，保证在期望信号方向θs上的信号无失真的输出，而使得阵列输出的平均功率最小；最小方差无失真响应mvdr波束形成算法的波束形成权矢量的优化问题表述为
22、minwwhrxw
23、s.t.wha(θs)＝1
24、在其中，w表示的是该波束形成器的权矢量，表示的是接受数据的协方差矩阵，a(θs)表示的是期望信号的阵列流形向量；而对于旁瓣约束，要求旁瓣区域个离散方位的波束响应幅度小于某一设定值，能够实现波束形成器更高的增益，优化问题重新表述为
25、minwμ
26、s.t.wha(θs)＝1
27、whrxw≤μ
28、|b(θsl)|≤ε
29、其中，b(θsl)＝[b(θ1),...,b(θj),...,b(θj)],θj∈θsl表示的是旁瓣波束响应向量；θsl为包含干扰信号来向的旁瓣方位区域，ε为设定的旁瓣幅度的约束值；通过优化问题求解得到在干扰信号产生零陷的效果的波束形成器的权矢量系数，完成抗干扰功能。
30、进一步地，步骤四中，零陷扩展的具体过程为：
31、在干扰运动情况下，干扰入射方向变化较快，自适应波束形成方法不能够实现在干扰方向产生较好的凹槽来抑制干扰，因此需要扩展零陷的范围，保证在干扰在一定角度内变换时，依旧能够产生抑制干扰效果。对于存在随机扰动向量z，导致接收机中接收到的干扰存在一定的方向扰动，引起响应向量产生相位扰动，该相位扰动向量表示为
32、
33、其中为零均值均匀分布随机变量，满足δ表示变量的波动范围；其协方差矩阵为
34、
35、将原接收数据协方差矩阵rx替换成包含扰动之后的协方差矩阵rx⊙t，完成对于零点的展宽，实现在存在方向扰动时的干扰抑制。
36、进一步地，步骤五中，模数混合波束形成权矢量的具体构建过程为：
37、基于正交匹配追踪算法的模数混合波束形成器的构建，首先利用上述过程求解得到全数字域下的最优权矢量，之后将其作为当前模数混合波束形成所要去逼近的最优量；对于模拟波束形成矩阵，构建角度区域内根据移相器位数所能达到的角度精度的方向矢量作为字典空间，模拟波束形成矩阵当中的每一列向量都是恒定幅度的相位矢量；通过数字域波束形成器的权矢量与模拟波束形成的结合去逼近全数字域下的最优权矢量，该问题表述为
38、
39、其中wopt表示的是全数字域的经过所述问题求解得到的最优权矢量，γrf表示为构造的字典空间；
40、基于正交匹配追踪算法的模数混合波束形成器的构建，求解所述问题。
41、进一步地，基于正交匹配追踪算法的模数混合波束形成器的构建，求解所述问题的具体过程为：
42、第一步，初始化标签集表示字典中选中的哪一列来构造模拟波束形成矩阵，初始化残差向量r0＝wopt，令其等于全数字域下的计算得到的最优权矢量wopt；
43、第二步，在字典矩阵当中寻找与残差向量最强相关的列：
44、jk∈argminj|<rk-1,γrf,j>|
45、ωk＝ωk-1∪{jk}
46、第三步，求解模数混合波束矩阵逼近全数字域最优权矢量的最小化问题：
47、
48、第四步，更新残差
49、第五步，更新迭代次数k＝k+1，重复第二步至第四步，直到完成模拟波束矩阵的全部构建之后停止迭代。
50、与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)本发明通过全数字波束形成器构建模数混合波束形成器来实现经济高效且对抗干扰性能影响有限的解决方案；2)本发明针对干扰方向扰动时的情况，通过利用零点展宽，实现全数字域的稳健自适应波束形成器的权矢量的设计，之后通过正交匹配追踪算法完成模数混合波束形成器权矢量的构建，减少射频链路数量的同时不会对抗干扰性能产生太大影响；3)本发明显著削减了实际阵列系统的经济成本，同时保证了系统的抗干扰性能及稳健性。
51、为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。
1.一种基于大规模阵列系统的自适应波束形成抗干扰方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于大规模阵列系统的自适应波束形成抗干扰方法，其特征在于，步骤一中，全数字域下的信号模型具体为：
3.根据权利要求1所述的一种基于大规模阵列系统的自适应波束形成抗干扰方法，其特征在于，步骤二中，模数混合波束形成的信号模型具体为：
4.根据权利要求1所述的一种基于大规模阵列系统的自适应波束形成抗干扰方法，其特征在于，步骤三中，优化模型构建过程具体为：
5.根据权利要求1所述的一种基于大规模阵列系统的自适应波束形成抗干扰方法，其特征在于，步骤四中，零陷扩展的具体过程为：
6.根据权利要求1所述的一种基于大规模阵列系统的自适应波束形成抗干扰方法，其特征在于，步骤五中，模数混合波束形成权矢量的具体构建过程为：
7.根据权利要求6所述的一种基于大规模阵列系统的自适应波束形成抗干扰方法，其特征在于，基于正交匹配追踪算法的模数混合波束形成器的构建，求解所述问题的具体过程为：
