一种分布式波束成形方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种分布式波束成形方法和系统，该方法包括：a）N个网络A源节点SoA和网络B目的节点DoB接收并估计网络A目的节点DoA广播的第一参考信号；b）N个SoA接收并估计DoB广播的第二参考信号；c）各SoA向其余SoA广播其通信状态信息，并筛选出最终参与波束成形的K个网络A源节点SoAK(m)（m=1～K）；d）按SoAK(1)→SoAK(K)的顺序发送下行传递信号；e）按SoAK(K)→SoAK(1)的顺序发送上行传递信号；f）SoAK(m)根据对各信号的估计计算出做波束成形时所用载波信号的特征量的值，并以此值形成载波进行波束成形。本方法中波束成形信号对DoB干扰小且到DoA时功率大。
【专利说明】一种分布式波束成形方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信【技术领域】，具体地，涉及一种分布式波束成形方法及系统。特别地，本发明适用于传感器网络、认知无线网络。
【背景技术】
[0002]波束成形是这样一种技术，在该技术中，多个天线联合起来形成天线阵列，对同一信号进行发送，通过调节每根天线的波束成形加权系数，使得某些位置的接收端信号强度增加。波束成形技术可以提高信噪比、增加安全性、扩大通信范围。具体说，若保持信噪比相同，则N根全向天线在载波同步的情况下做波束成形所消耗的总能量仅为单根全向天线直接发送信号所消耗能量的1/N，因此采用波束成形技术能够大大地节省能量。或者说，在消耗相同总能量情况下，做波束成形能使信噪比提高N倍。在很多无线网络(如GSM网络、CDMA网络、LTE网络、传感器网络)中，通信终端通常很小且由电池供电，对能量消耗很敏感，因此，做波束成形是非常合适的。例如，在传感器网络中，由于通信终端非常小且功率受限，单个通信终端有时甚至不能将信号发送到较远的基站，需要多个通信终端做波束成形才能把信号发送给这些基站。
[0003]波束成形分为集中式波束成形和分布式波束成形。在集中式波束成形中，做波束成形的多个天线处于一个设备上。例如，一个手机可配置多根天线来做波束成形。这种方法的优点是多个天线发送的信号具有相同的载波，很容易实现载波的同步，缺点是由于手机物理尺寸的限制，在单个手机上配置多个天线很难实现。在分布式波束成形中，做波束成形的多个天线处于不同的设备上。例如，一个手机可配置一根天线，将一群分散的手机联合起来形成虚拟的天线阵列来做波束成形。这种方法的优点是，每个设备只需要一根天线，很容易实现。但问题是，从每根天线发送的信号的载波并不相同，于是这些信号到达接收端时可能会相互抵消，从而降低信号接收端的接收信号强度。因此，在分布式波束成形中，需要考虑发送信号的设备的产生信号载波的本地时钟的同步问题。
[0004]做分布式波束成形的各个通信设备的本地时钟不是全同的，这些本地时钟给出的时间彼此之间有偏差。具体说，做分布式波束成形的通信设备的本地时钟的时间可以表示为t=i3 (tfA)，其中，h为标准时钟的时间，β为该设备的本地时钟相对于标准时钟的偏差系数，Λ为该设备的本地时钟相对于标准时钟的固定偏差(参见E.Baghdady，R.Lincoln, and B.Nelinj uShort-term frequency stability:Characterization,theory,and measurement”，Proc.1EEE, Vol.53，N0.7，pp.704-722，Jul.1965)。这里，可以设任一参考设备的时钟为标准时钟，并且当通信时间很短时，△可以视为不随时间变化的常数。[0005]非专利文献I (D.R.Brown III and H.Y.Poor, ^Time-slotted round-tripcarrier synchronization for distributed beamforming〃，IEEE Trans, on SignalProcessing, Vol.56，N0.1I，pp.5630-5643，November2008)提出了一种分布式波束成形的载波同步方法，图1示意地示出了该分布式波束成形的载波同步方法。具体地说，图1示出了一个网络A，网络A中的N个通信设备SoA1~SoAn联合起来做分布式波束成形，这些通信设备为网络A源节点(source node of network A, SoA),而网络A中接收波束成形信号的通信设备DoA为网络A目的节点(destination node of network A,DoA)。为了使SoA1~SoAn发出的信号在到达DoA时形成相干叠加,在SoA1~SoAn发射信号之前,需要对信号载波进行同步。
[0006]在图1所示的分布式波束成形的载波同步方法中，首先，在第一阶段，在时隙I中，DoA向所有的SoA (即SoA1~SoAn)广播一个参考信号,其中，DoA的时钟可设为
标准时钟，其时间用h表示，ωρφ?)分别为参考信号在该时钟系统下的频率和相位。SoAi(i=l~N)接收到该参考信号后根据自己的本地时钟JtfAi)估计出该参考信号的频率和相位ωη、<Ρ--，并将其存储起来。
[0007]接着，在第二阶段，在时隙2中，SoA1根据其对所述参考信号估计出的频率Q11和相位《PU形成下行传递信号并将其发送给SoA2, SoA2收到该信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ω22和相位<p22，并存储起来。接着，在时隙3中，SoA2根据频率ω22和相位Φ22形成新的下行传递信号并将其发送给SoA3, SoA3收到该下行传递信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ω32和相位f32，并存储起来。如此按SoA1 — SoA2 —…
—SoAn的顺序进行下去，在时隙N中，SoAim根据频率ω (Ν_1)2和相位fp-l)2形成新的下行传递信号并将其发送给SoAn，SoAn收到该信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ωΝ2和相位ΦΝ2*并存储起来。
[0008]然后，在第三阶段，在时隙(N+1)中，SoAn根据其对所述参考信号所估计出的频率ωΝ1和相位fW形成上行传递信号并将其发送给S0An_1; SoAim收到该信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ω(Ν_1)3和相位并存储起来。接着，在时隙(Ν+2)中，SoAh根据频率ω (N-1 )3和相位形成新的上行传递信号并将其发送给SoAn_2，SoAn_2收到该信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ω (Ν_2)3和相位Φ(Ν—2)3，并存储起来。
如此按SoAn — SoA^1 —------ SoA1的顺序进行下去，在时隙2Ν-1中，SoA2根据频率ω23和相
位Φ23形成新的上行传递信号并将其发送给SoA1, SoA1收到该信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ω13和相位φ13，并存储起来。
[0009]经过上述三个阶段的通信后，每个SoA保存有三组频率和相位，即，SoAiG=I~N)保存有估计出的所述参考信号的频率Qil和相位(Pu、所述下行传递信号的频率ω?2和相位fi2、以及所述上行传递信号的频率《i3和相位《Pb。各个SoA根据这三组频率和相位可以计算出其进行波束成形时所使用载波的频率和相位。最后，在时隙2Ν中，SoAi (i=l~N)进行波束成形。
[0010]上述方法的优点是，接收波束成形信号的DoA只需向发送波束成形信号的SoA1~SoAn发送一个参考信号，就可使SoA1~SoAn在彼此通信的基础上确定做波束成形时所使用的载波的频率和相位。当DoA与SoA1~SoAn之间通信代价远大于SoA1~SoAn彼此之间的通信代价时(例如前面提到的传感器网络的情形)，采用这种方法进行载波同步是非常合适的。
[0011]在更为复杂的情形中，做分布式波束成形时不仅要考虑使波束成形信号在某些位置处强度增加，同时还要考虑使波束成形信号在另一些位置处强度减弱。例如，在传统无线通信网络和认知无线网络并存的网络中，传统无线通信网络构成主网络(称为网络B)，认知无线网络构成次网络(例如上述网络A)。为了有效地利用频谱资源，认知无线网络要与传统无线通信网络共享频谱资源。通常，共享频谱资源的方法有两种，一种方法称作机会频谱接A (Opportunistic Spectrum Access, OSA),即，次网络寻找主网络暂不使用的频谱资源，并利用这些闲置的频谱资源来通信；另一种方法称作并行频谱接入(Concurrent SpectrumAccess, CSA)，即，次网络和主网络使用共同的频谱，但次网络对主网络的干扰必须小于规定的值。在上述CSA情形中，既要求次网络(例如上述网络A)中的做分布式波束成形的通信设备(例如上述SoAl~SoAN)能够与该网络中接收波束成形信号的通信设备(例如上述DoA)实现正常的通信，并且尽可能减少能量消耗，又要求次网络的通信尽量避免干扰主网络，例如，要求SoAl~SoAN发出的波束成形信号在到达网络B中接收波束成形信号的通信设备(可称作网络B目的节点(DoB, destination node of network B))时强度较小。然而，上述非专利文献I中的分布式波束成形的载波同步方法不能够用于这种情形中。
【发明内容】
[0012]本发明是为了解决现有技术中存在的上述技术问题而做出，其目的在于，提供一种分布式波束成形方法及系统，使得网络A中的DoA和网络B中的DoB只需广播一个参考信号，就可使网络A中做波束成形的SoA1~SoAn在彼此通信的基础上确定做波束成形时所使用的载波的频率、相位和幅度，并且使用这样确定的载波进行波束成形时，波束成形信号对DoB的干扰较小，同时波束成形信号在到达DoA时功率较大，另外各个SoA的发送功率都要小于其最大发射功率。
[0013]根据本发明的一个方面，提供一种分布式波束成形方法，该方法包括:a)网络A目的节点DoA向要做分布式波束成形的N个网络A源节点SoAJi=I~N)以及向网络B目的节点DoB广播第一参考 信号，SoAi (i=l~N)和DoB接收到第一参考信号后根据自己的本地时钟分别估计出该第一参考信号的特征量的值；b) DoB根据自己估计出的第一参考信号的特征量的值形成第二参考信号，并向SoAi (i=l~N)广播第二参考信号，SoAi (i=l~N)接收到第二参考信号后根据自己的本地时钟分别估计出该第二参考信号的特征量的值；c)SoAi (i=l~N)中的每个SoA根据自己估计出的第一参考信号和第二参考信号的特征量的值形成自己的通信状态信息，并向其余的SoA广播该通信状态信息，每个SoA根据获得的所有SoA的通信状态信息按照同一算法筛选出最终参与波束成形的K个网络A源节点SoAkw(m=l~K，K≤N) ；d) SoA κ(1)根据自己估计出的第二参考信号的特征量的值形成下行传递
信号，并将该下行传递信号发送给SoA κω，然后，按SoAKra — SoAkw —----- SoAkqm)的顺
序，每个SoA接收上一个SoA发送的下行传递信号、根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量的值、根据该下行传递信号的特征量的值形成新的下行传递信号并将该新的下行传递信号发送给下一个SoA，最后SoAkgo接收SoA k(k_d发送的下行传递信号，并根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量的值；e) SoA κ(κ)根据自己估计出的第二参考信号的特征量的值形成上行传递信号，并将该上行传递信号发送给SoA k(k_d，然后，按
SoAk(k_d — SoAk(k_2) —----- δοΑκω的顺序,每个SoA接收下一个SoA发送的上行传递信号、根
据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量的值、根据该上行传递信号的特征量的值形成新的上行传递信号并将该新的上行传递信号发送给上一个SoA，最后SoAK(1)接收SoAΚ(2)发送的上行传递信号，并根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量的值；f)SoAK(m) (m=l~K)中的每个SoA根据自己在步骤a)、b)、d)、e)中获得的各信号的特征量的值计算出做波束成形时所用载波信号的特征量的值，并根据该载波信号的特征量的值形成载波来进行波束成形。
[0014]其中，SoAi (i=l~N)的本地时钟可以为Jt。+Ai)，DoB的本地时钟可以为tB= β B (t0+ Λ B)，其中，h为DoA的时钟，β i为SoAi的本地时钟相对于DoA时钟的偏差系数，Δ i为SoAi的本地时钟相对于DoA时钟的固定偏差，β B为DoB的本地时钟相对于DoA时钟的偏差系数，ΛΒ为DoB的本地时钟相对于DoA时钟的固定偏差。
[0015]优选地，SoAK(m) (m=l~K)在步骤a)、b)、d)、e)中获得的各信号的特征量的值至少可以包括:SoAK(m)所估计出的第一参考信号的相位(PKlra)l的值、第二参考信号的频率ωκ(ηι)2、相位Φ_:β和幅度a KW2的值、下行传递信号的频率ωκ(ηι)4和相位φ_:)4的值、上行传递信号的频率ωκω5和相位fKW5的值，进一步优选地，SoAkw (m=l~K)做波束成形时所用载波信号的特征量可以包括频率ωκ(π)、相位φΚ(ΙΒ>和幅度aK(m)，其值可以通过下述公式计算:
[0016]ω K(m)= (ωκ(ηι)4+ωκ(ηι)5)_ω K (ill) 2
[001 7] Ψκ?η? = + Ψκ?ηφ — Ψκ(.、2^ ' I I! 一 Ψκ{η?Ζ 叙 ^ 露)时 ^
[0018]φκ(η?) = φ_ + φκ{,η)5 — φ紙.+π (当{φΚ{Μ)χ — φκ{,η?2 ).:t值 G [-^,θ)时)
[0019]aK(m)=l/ aK (ill) 2
[0020]另外，优选地，SoAi (i=l~N)在步骤a)、b)中所估计出的第一参考信号和第二参考信号的特征量的值可以至少包括:第一参考信号的相位的值、第二参考信号的相位Ψ?2和幅度a i2的值，并且SoAiG=I~N)根据物、<Pi2和a i2形成自己的通信状态信息。
[0021]进一步优选地，如果％ <1/#，其中，Pi为SoAi的最大发射功率，则SoAi将自己
的通信状态可设为第一通信状态；如果％ I '/诉且(φη 主值e [O, π ),则SoAi将自
己的通信状态可设为第二通信状态；如果A2 ^ 且(? -fe)主值e ^ , O),则SoAJf自己的通信状态可设为第三通信状态。
[0022]再进一步优选地，SoAi (i=l~N)形成自己的通信状态信息可以包括将自己的通信状态进行编码。
[0023]优选地，SoAi (i=l~N)筛选出最终参与波束成形的K个网络A源节点SoAkw(m=l~K, K≤N)的算法可以包括:去除具有第一通信状态的SoA。
[0024]进一步优选地，SoAi (i=l~N)筛选出最终参与波束成形的K个网络A源节点SoAK(m) (m=l~K，K≤N)的算法还可以包括:在具有第二通信状态的一类SoA和具有第三通信状态的一类SoA中，去除数目较多的一类SoA中的若干SoA，使得两类SoA的数目相等。
[0025]所述网络A可以为传感器网络或认知无线网络，所述网络B可以为传统无线网络。
[0026]根据本发明的另一方面，提供一种分布式波束成形系统，其包括:做分布式波束成形的N个网络A源节点(SoA)、网络A目的节点(DoA)和网络B目的节点(DoB)，其中，N为自然数，DoA配置有第一发送单元，DoB配置有第二发送单元、第二接收单元、第二信号特征量估计单元，每个SoA配置有第三发送单元、第三接收单元、第三信号特征量估计单元、通信状态信息形成单元、筛选单元、计算单元，并且，
[0027]DoA的第一发送单元向要做分布式波束成形的N个SoA以及向DoB广播第一参考信号，DoB的第二接收单元和各个SoA的第三接收单元接收到第一参考信号后，DoB的第二信号特征量估计单元和各个SoA的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟分别估计出该第一参考信号的特征量的值；
[0028]DoB的第二发送单元根据DoB的第二信号特征量估计单元估计出的第一参考信号的特征量的值形成第二参考信号，并向各个SoA广播第二参考信号，各个SoA的第三接收单元接收到第二参考信号后，各个SoA的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟分别估计出该第二参考信号的特征量的值；
[0029]N个SoA中的每个SoA的通信状态信息形成单元根据该SoA的第三信号特征量估计单元估计出的第一参考信号和第二参考信号的特征量的值形成自己的通信状态信息，并通过该SoA的第三发送单元向其余的SoA广播该通信状态信息，每个SoA的筛选单元根据该SoA获得的所有SoA的通信状态信息按照同一算法筛选出最终参与波束成形的K个SoAk(m) (m=l ~K, K < N);
[0030]SoA κω的第三发送单元根据第三信号特征量估计单元估计出的第二参考信号的特征量的值形成下行传递信号，并将该下行传递信号发送给SoA κ(2)，然后，按SoAk(2) — SoAk(3)—…一SoAk_)的顺序，每个SoA的第三接收单元接收上一个SoA的第三发送单元发送的下行传递信号、该SoA的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量的值、该SoA的第三发送单元根据该下行传递信号的特征量的值形成新的下行传递信号并将该新的下行传递信号发送给下一个SoA，最后SoAkgo的第三接收单元接收SoA k(k_d的第三发送单元发送的下行传递信号，并且SoAK(K)的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量的值；
[0031]SoA κ(κ)的第三发送单元根据第三信号特征量估计单元估计出的第二参考信号的特征量的值形成上行传递信号，并将该上行传递信号发送给SoA k(k_d，然后，按SoAk(k_d — SoAk(k_2)—…一SoAk(2)的顺序，每个SoA的第三接收单元接收下一个SoA的第三发送单元发送的上行传递信号、该SoA的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量的值、该SoA的第三发送单元根据该上行传递信号的特征量的值形成新的上行传递信号并将该新的上行传递信号发送给上一个SoA，最后SoAK(1)的第三接收单元接收SoA κ(2)的第三发送单元发送的上行传递信号，并且SoAK(1)的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量的值；
[0032]SoAK(m) (m=l~K)中的每个SoA的计算单元根据在上述过程中获得的各信号的特征量的值计算出做波束成形时所用载波信号的特征量的值，并且该SoA的第三发送单元根据该载波信号的特征量的值形成载波来进行波束成形。
[0033]本发明所述的分布式波束成形的载波同步方法的优点是，网络A中的DoA和网络B中的DoB只需广播一个参考信号，就可使网络A中做波束成形的SoA1~SoAn在彼此通信的基础上确定做波束成形时所使用的载波的频率、相位和幅度，在DoA或DoB与SoA之间不需要反馈信息。特别地，做波束成形的SoA1?SoAn根据DoA和DoB广播的参考信号可以筛选出适合于最终参与波束成形的SoA。这些筛选出的SoA在做波束成形时，波束成形信号到达DoB时强度可以接近零，从而大大降低了对主网络接收端的干扰。同时，由于这些SoA在做波束成形时发送的信号在到达DoA时，频率一致，相位集中在[0，π)或[-π，0)中，因此可以呈现相长叠加的态势，从而使波束成形信号在到达DoA时功率较大。另外，这些筛选出的SoA的发射功率均小于其最大发射功率。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]根据下述参照附图进行的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加显而易见。在附图中:
[0035]图1是示意图，示出了非专利文献I所述的分布式波束成形的载波同步方法；
[0036]图2是示意图，示出了一个传统无线通信网络和做波束成形的认知无线网络并存的网络；
[0037]图3是流程图，示出了本发明的一个实施例所述的分布式波束成形方法；
[0038]图4a_4f分别示出了本发明的一个实施例所述的分布式波束成形方法中第一阶段到第六阶段中的信号走向图；
[0039]图5是示意图，示出了本发明的一个实施例所述的筛选出最终参与波束成形的K个SoA的算法；
[0040]图6是方框图，示出了本发明的一个实施例所述的分布式波束成形系统；
[0041]图7是仿真结果图，示出了采用本发明所述的波束成形方法时，网络A平均波束成形功率增益随时间的变化；
[0042]图8是仿真结果图，示出了采用本发明所述的波束成形方法时，SoA波束成形信号对DoB的平均干扰功率随时间的变化。
[0043]在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
【具体实施方式】
[0044]在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。另外，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
[0045]在本说明书和权利要求书中，表达语句“向SoAi发送信号”实际上是指发送供SoAi接收的信号。另外，序数词第一、第二和第三等仅用来区别类似的装置、单元、信号以及物理量等，并非表示这些装置、单元、信号以及物理量等的重要性或次序。
[0046]图2示出了一个传统无线通信网络和做分布式波束成形的认知无线网络并存的网络，其中，为了简单计，认知无线网络A只示出了 N个做分布式波束成形的网络A源节点(SoA1?SoAn)和接收波束成形信号的网络A目的节点DoA，传统无线通信网络B则只示出了接收波束成形信号的网络B目的节点DoB。
[0047]图3是流程图，示出了本发明的一个实施例所述的分布式波束成形方法。图4a_4f示出了所述分布式波束成形方法的第一阶段到第六阶段中的信号走向图。如图3所示，本发明的一个实施例所述的分布式波束成形方法包括如下步骤:[0048]首先，在第一阶段中，在步骤SlO中，网络A目的节点(DoA)向要做分布式波束成形的N个网络A源节点SoAi (i=l~N)以及向网络B目的节点(DoB)广播第一参考信号。SoAi (i=l~N)是编了号的，其序号根据约定事先确定，并使得参与通信的各方均知道该序号。所述第一参考信号可以表不为例如其中，DoA的本地时钟可设为标准时钟，其时间用t(i表不，ωο> 分别为第一参考信号在该时钟下的频率和相位。
[0049]SoAi ( i=l~N)接收到第一参考信号后根据自己的本地时钟t= β i (t0+ Δ 分别估计出第一参考信号的特征量的值。下文中，载波同步期间所发送的各种信号的特征量可以包括频率、相位和幅度。这里，SoAi (i=l~N)至少估计出第一参考信号的相位φπ (其中，下标i表示SoAi,下标I表示第一阶段)并将其存储起来。同时，DoB接收到第一参考信号后根据自己的本地时钟Ib=PbUc^Ab)估计出第一参考信号的特征量的值，至少包括频率ωΒ和相位fB的值。图4a示意地示出了该过程，该过程为本方法的第一阶段，该阶段发生在时隙I中。
[0050]接着，在第二阶段中，在步骤S20中，DoB根据自己估计出的第一参考信号的频率ωΒ和相位ΦΒ形成第二参考信号，并向SoAi (i=l~N)广播第二参考信号，第二参考信号可以表示为,其中，tB为DoB的本地时钟的时间，a为第二参考信号的幅度。
[0051]SoAi (i=l~N)接收到第二参考信号后根据自己的本地时钟UfAi)分别估计出第二参考信号的特征量的值，包括频率ω?2、相位fii和幅度a i2的值(这里，下标i表示SoAi,下标2表示第二阶段)，并将其存储起来，其中，ai2=a*bBi，bBi为从DoB到SoAi的信道对信号的幅度衰减因 子。图4b示意地示出了该过程，该过程为本方法的第二阶段，该阶段发生在时隙2中。
[0052]经过第一和第二阶段后，SoAi得到一组估计值φη、ω?2、物和a i2 (i=l~N)。然后，在第三阶段中，在步骤S30中，SoAi可以根据自己估计出的第一和第二参考信号的特征量(包括和、物2和a i2)的值形成自己的通信状态信息，并向其余的SoA广播该通信状态息。于是，每个SoA均可以获得SoA1~SoAn的通彳目状态彳目息。
[0053]一般地，从波束成形信号对DoB影响的角度来考虑，可以将SoA1~SoAn的通信状态分为距DoB较远和距DoB较近两大类,例如，当ai2较小时,则SoAi距DoB较远，当ai2较大时,则SoAi距DoB较近；而距DoB较近的SoA又可按％ -的主值的正负分成两小类,在本文中，相位或相位差的主值是指相位或相位差的无穷多个相差(k为整数)的角度值中
位于[-JI，Ji)中的那个角度值。在一个实施例中，如果cl/#，其中，Pi为SoAi的最大发射功率，则SoAi可以将自己的通信状态设为第一通信状态；如果％ > ?/?且(?, -φ?2}—.主值e [O, π),则SoAi可以将自己的通信状态设为第二通信状态；如果％且
{φ,ι -熟2)主值e [-JI ,0),则SoAi可以将自己的通信状态设为第三通信状态。进一步,SoAi
(i=1~N)可以通过将自己的通信状态进行编码来形成自己的通信状态信息。在上述实施例中，由于有三种状态需要编码，因此可以采用2个比特来编码。例如，可以将第一通信状态编码为00，将第二通信状态编码为11，将第三通信状态编码为10。应当注意，上述通信状态的编码不是唯一的，只要SoA1~SoAn根据事先的约定能够由编码信号区分出这些通信状态即可。
[0054]每个SoA根据获得的所有SoA的通信状态信息按照同一算法筛选出最终参与波束成形的K个网络A源节点SoAkwU=I~K，K≤N)。这个过程实际上是从SoA1~SoAn中排除一些SoA，使得剩下的SoA在做波束成形时发射信号的功率小于最大发射功率，并且所发送的波束成形信号对DoB的干扰很小,而该波束成形信号在到达DoA时则功率较大。由于每个SoA所获得的所有SoA的通信状态信息是相同的，筛选的算法也是相同的，因此，SoA1~SoAn中的每个SoA都可以知道筛选出的最终参与波束成形的SoA。图4c示意地示出了该过程，该过程为本方法的第三阶段，该阶段发生在时隙3至时隙N+2中。
[0055]下面参考图5以示例的方式说明筛选出最终参与波束成形的K个SoA的算法。图5是示意图，示出了本发明的一个实施例所述的筛选出最终参与波束成形的K个SoA的算法。如图5所示，首先，可以从SoA1~SoAn (这里，N=Il)中去除具有第一通信状态的SoA(例如，图5中编码为00的SoA1和SoA5)。这些SoA距离DoB较远，如果要参与波束成形的话，需要以更大的能量发射信号，这样会超过该SoA的最大发射功率，因此需要去除。
[0056]接着，在具有第二通信状态(fc -熟2)主值e [O, JI ))的一类SoA和具有第三通信
状态(?'φη - φ?2)主值e [-^ ,0))的一类SoA中，去除数目较多的一类SoA中的若干SoA，使
得两类SoA的数目相等。这里，去除的规则是预定的，例如，图5中的预定的去除规则是，按SoA的编号从大到小的顺序去除，但本发明不限于此。在图5所示的例子中，具有第二
通信状态((φη 主值e [O, η )，编码为11)的SoA比具有第三通信状态主值
e [- Ji , O),编码为10)的SoA多一个，因此,从具有第二通/[目状态的SoA中去除编号最大的一个SoA (即SoAltl),使得两类SoA数目相等。应当注意，从后面的说明可知，当所述两类SoA的数目相等时，它们做波束成形时对DoB的干扰为零。
[0057]最后，对剩下的SoA按预定的规则进行重新编码，形成最终参与波束成形的K个网络A源节点SoAkw (m=l~K，K≤N)。SoAkw的含义是，剩下的K个SoA中编号为m的SoA0在图5的例子中，剩下8个SoA，编号分别为SoAsa)~SoA8te)。
[0058]返回图2，在筛选出最终参与波束成形的K个SoAkwU=I~K)后，在第四阶段中，在步骤S40中，SoA κω根据自己估计出的第二参考信号的特征量(包括频率ωκ(1)2和相位
φκ<?)2)的值形成下行传递信号#~"#—,并将该下行传递信号发送给SoA κ(2)。其中，
ω Mm= ωκω2，物这里，下标K(I)表示SoAK(1),下标4表示第四阶段。
[0059]然后,按SoAk(2) — SoAk(3) —----- SoAk(k_d的顺序,每个SoA接收上一个SoA发送的
下行传递信号、根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量(包括频率和相位)的值、根据该下行传递信号的特征量的值形成新的下行传递信号并将该新的下行传递信号发送给下一个SoA。即SoAkw接收SoAkg^1)发送的下行传递信号~…，并根据自己的本地时钟?κω=βκω (VAkw)估计中该下行传递信号的频率ωΚ(πι)4和相位
然后以该频率和相位形成新的下行传递信号,并将其发送给SoAK(m+1)。
[0060]最后SoAkqo接收SoA κ(κ_υ发送的下行传递信号，并根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量(包括频率ωκ(κ)4和相位ωκ(κ)4)的值。图4d示意地示出了上述过程，该过程为本方法的第四阶段，该阶段发生在时隙(N+3)至时隙(N+K+1)中。
[0061]然后，在第五阶段，在步骤S50中，SoA κ(κ)根据自己估计出的第二参考信号的特征
量(包括频率ωκ(κ)2和相位φκ(κ)2 )的值形成上行传递信号,并将该上行传递信号发送给 SoA K(K-D，其中，ωκ(κ)5=ωκ(κ)2, φκ(Κ)5=ψΚ(Κ}2，这里，下标 K (K)表示 SoAk(κ)，下标5表示第五阶段。
[0062]然后,按SoAk(k_d — SoAk(k_2) —----- SoAk(2)的顺序,每个 SoA 接收下一个 SoA 发送
的上行传递信号、根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量(包括频率和相位)的值、根据该上行传递信号的特征量的值形成新的上行传递信号并将该新的上行传递信号发送给上一个SoA。即SoAkw接收SoAK(m+1)发送的上行传递信号，并根据自己的本地时钟?κω=β KW (t0+AK(m))估计中该上行传递信号的频率ωκω5和相位<pK〖m)5，然后以该频率和相位形成新的上行传递信号，并将其发送给SoAk^)。
[0063]然后SoAK(1)接收SoA κ(2)发送的上行传递信号，并根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量(包括频率ωκ(1)5和相位ωκ(1)5)的值。图4e示意地示出了上述过程，该过程为本方法的第五阶段，该阶段发生在时隙(N+K+2)至时隙(N+2K)中。
[0064]如上所述，在经过上述第一至第五阶段的通信后，SoAkw (m=l~K)获得的各信号的特征量的值至少包括:SoAK(m)所估计出的第一参考信号的相位的值、第二参考信号的频率ωκ(ηι)2、相位和幅度a K(m)2的值、下行传递信号的频率ωκω4和相位φκ(時I的值、上行传递信号的频率ωκ(π)5和相位φκ(_的值。
[0065]然后，在步骤S60中，SoAkw (m=l~K)中的每个SoA根据自己所获得的上述各信号的特征量的值计算出做波束成形时所用载波信号的特征量(包括频率ωκ(π)、相位φΚ(ηι):和幅度aK(m))的值，并根据该载波信号的特征量的值形成载波来进行波束成形。图4f示意地示出了上述过程，该过程为本方法的第六阶段。
[0066]在一个实施例中，SoAkw (m=l~K)做波束成形时所用载波信号的频率ωκ(ηι)、相位<PK_和幅度aK(m)可以通过下述公式计算:
[0067]
【权利要求】
1.一种分布式波束成形方法,包括: a)网络A目的节点DoA向要做分布式波束成形的N个网络A源节点SoAi(i=l~N)以及向网络B目的节点DoB广播第一参考信号，SoAi (i=l~N)和DoB接收到第一参考信号后根据自己的本地时钟分别估计出该第一参考信号的特征量的值； b)DoB根据自己估计出的第一参考信号的特征量的值形成第二参考信号，并向SoAi(i=l~N)广播第二参考信号，SoAi (i=l~N)接收到第二参考信号后根据自己的本地时钟分别估计出该第二参考信号的特征量的值； c)SoAi (i=l~N)中的每个SoA根据自己估计出的第一参考信号和第二参考信号的特征量的值形成自己的通信状态信息，并向其余的SoA广播该通信状态信息，每个SoA根据获得的所有SoA的通信状态信息按照同一算法筛选出最终参与波束成形的K个网络A源节点 SoAK(m) (m=l ~K，K ≤ N); d)SoAκω根据自己估计出的第二参考信号的特征量的值形成下行传递信号，并将该下行传递信号发送给SoA κ⑵,然后,按SoA1^2) — SoAkw —----- SoAk的顺序,每个SoA接收上一个SoA发送的下行传递信号、根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量的值、根据该下行传递信号的特征量的值形成新的下行传递信号并将该新的下行传递信号发送给下一个SoA，最后SoAk(κ)接收SoA k(k_d发送的下行传递信号，并根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量的值； e)SoAκ(κ)根据自己估计出的第二参考信号的特征量的值形成上行传递信号，并将该上行传递信号发送给SoA k(k_d,然后,按SoAK(k_d — SoAk(k_2) —----- δοΑκω的顺序,每个SoA接收下一个SoA发送的上行传递信号、根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量的值、根据该上行传递信号的特征量的值形成新的上行传递信号并将该新的上行传递信号发送给上一个SoA，最后SoAK(1)接收SoA κ(2)发送的上行传递信号，并根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量的值； f)SoAK(ffl) (m=l~K)中的每个SoA根据自己在步骤a)、b)、d)、e)中获得的各信号的特征量的值计算出做波束成形时所用载波信号的特征量的值，并根据该载波信号的特征量的值形成载波来进行波束成形。
2.如权利要求1所述的分布式波束成形方法，其中，SoAi(i=l~N)的本地时钟为te β i (tQ+Λ )，DoB的本地时钟为tB=PB(tQ+AB)，其中，t0为DoA的时钟，β j为SoAi的本地时钟相对于DoA时钟的偏差系数，Δ i为SoAi的本地时钟相对于DoA时钟的固定偏差，β Β为DoB的本地时钟相对于DoA时钟的偏差系数，Ab为DoB的本地时钟相对于DoA时钟的固定偏差。
3.如权利要求2所述的分布式波束成形方法,其中，SoAK(m)(m=l~K)在步骤a)、b)、d)、e)中获得的各信号的特征量的值至少包括:SoAK(m)所估计出的第一参考信号的相位<Ρκ?ι的值、第二参考信号的频率 ω K Cm) 2、
相位φΚ(ηι)2和幅度aK (ill) 2 的值、下行传递信号的频率ωκ(ηι)4和相位φκ(—的值、上行传递信号的频率ωκ(ηι)5和相位φκ_的值，并且SoAkw做波束成形时所用载波信号的特征量包括频率ωκ(π)、相位<!>_>和幅度aK(m)，其值通过下述公式计算:
ω K(m厂(ω K(m)4+ W K(111)5) ~~ W K(111) 2
4.如权利要求2所述的分布式波束成形方法，其中，SoAi(i=l~N)在步骤a)、b)中所估计出的第一参考信号和第二参考信号的特征量的值至少包括:第一参考信号的相位fil的值、第二参考信号的相位fi2和幅度a i2的值，并且SoAi (i=l~N)根据φ?1、《Pa和a i2形成自己的通信状态信息。
5.如权利要求4所述的分布式波束成形方法，其中，如果a,2<l/#，其中，PiSSoAJA最大发射功率，则SoAi将自己的通信状态设为第一通信状态；如果％乏l/#且-φ?2):主值e [O, 31),则SoAi将自己的通信状态设为第二通信状态；如果％ ^ '/诉且fe, -φη\主值e [- Ji, O),则SoAi将自己的通信状态设为第三通信状态。
6.如权利要求5所述的分布式波束成形方法,其中，SoAi(i=l~N)形成自己的通信状态信息包括将自己的通信状态进行编码。
7.如权利要求5所述的分布式波束成形方法，其中，SoAi(i=l~N)筛选出最终参与波束成形的K个网络A源节点SoAkw (m=l~K，K≤N)的算法包括:去除具有第一通信状态的SoA。
8.如权利要求7所述的分布式波束成形方法，其中，SoAi(i=l~N)筛选出最终参与波束成形的K个网络A源节点SoAkw (m=l~K，K≤N)的算法还包括:在具有第二通信状态的一类SoA和具有第三通信状态的一类SoA中，去除数目较多的一类SoA中的若干SoA，使得两类SoA的数目相等。
9.如权利要求1所述的分布式波束成形方法，其中，所述网络A为传感器网络或认知无线网络，所述网络B为传统无线网络。
10.一种分布式波束成形系统，包括:做分布式波束成形的N个网络A源节点(SoA)、网络A目的节点(DoA)和网络B目的节点(DoB)，其中，N为自然数，DoA配置有第一发送单元，DoB配置有第二发送单元、第二接收单元、第二信号特征量估计单元，每个SoA配置有第三发送单元、第三接收单元、第三信号特征量估计单元、通信状态信息形成单元、筛选单元、计算单元，并且， DoA的第一发送单元向要做分布式波束成形的N个SoA以及向DoB广播第一参考信号，DoB的第二接收单元和各个SoA的第三接收单元接收到第一参考信号后，DoB的第二信号特征量估计单元和各个SoA的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟分别估计出该第一参考信号的特征量的值； DoB的第二发送单元根据DoB的第二信号特征量估计单元估计出的第一参考信号的特征量的值形成第二参考信号，并向各个SoA广播第二参考信号，各个SoA的第三接收单元接收到第二参考信号后，各个SoA的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟分别估计出该第二参考信号的特征量的值；N个SoA中的每个SoA的通信状态信息形成单元根据该SoA的第三信号特征量估计单元估计出的第一参考信号和第二参考信号的特征量的值形成自己的通信状态信息，并通过该SoA的第三发送单元向其余的SoA广播该通信状态信息，每个SoA的筛选单元根据该SoA获得的所有SoA的通信状态信息按照同一算法筛选出最终参与波束成形的K个SoAkwCm= I ~K, K ≤ N); SoA κω的第三发送单元根据第三信号特征量估计单元估计出的第二参考信号的特征量的值形成下行传递信号，并将该下行传递信号发送给SoA κ(2)，然后，按SoAk(2) — SoAk(3)—…一SoAk_)的顺序，每个SoA的第三接收单元接收上一个SoA的第三发送单元发送的下行传递信号、该SoA的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量的值、该SoA的第三发送单元根据该下行传递信号的特征量的值形成新的下行传递信号并将该新的下行传递信号发送给下一个SoA，最后SoAkgo的第三接收单元接收SoA k(k_d的第三发送单元发送的下行传递信号，并且SoAK(K)的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量的值； SoA κ(κ)的第三发送单元根据第三信号特征量估计单元估计出的第二参考信号的特征量的值形成上行传递信号，并将该上行传递信号发送给SoA k(k_d,然后，按SoAk(k_d — SoAk(k_2)—…一SoAk⑵的顺序，每个SoA的第三接收单元接收下一个SoA的第三发送单元发送的上行传递信号、该SoA的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量的值、该SoA的第三发送单元根据该上行传递信号的特征量的值形成新的上行传递信号并将该新的上行传递信号发送给上一个SoA，最后SoAK(1)的第三接收单元接收SoA κ(2)的第三发送单元发送的上行传递信号，并且SoAK(1)的第三信号特征量估计单元根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量的值； SoAK(ffl) (m=l~K)中的每个SoA的计算单元根据在上述过程中获得的各信号的特征量的值计算出做波束成形时所用载波信号的特征量的值，并且该SoA的第三发送单元根据该载波信号的特征量的值形成载波来进行波束成形。
【文档编号】H04W84/18GK103840866SQ201410067293
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】郭莉, 张超 申请人:北京邮电大学