一种基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法，属于通信【技术领域】。该方法将随机选择的扰动改进为具有一定方向性的随机扰动，权值扰动的效率更高，收敛速度更快，相比现有的方法，该方法更易实现，对协作节点的硬件以及能量要求更低。
【专利说明】一种基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信【技术领域】，特别涉及一种基于方向扰动的lbit反馈协作波束赋 形的方法。
【背景技术】
[0002] 波束赋形技术是一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术，其主要原理是利 用空间信道的强相关性，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向图的 主瓣自适应地指向用目标方向，从而提高信噪比，提高系统容量和覆盖范围。波束赋形技术 可应用于蜂窝小区的基站，通过空分多址来区分一个小区内（或多个小区之间的）多个用 户，使其共享相同的时频资源。例如，3GPP长期演进（Long Term Evolution，LTE)为了满 足高数据率和高系统容量的需求，支持下行波束赋形。
[0003] 波束赋形技术要求发送端的天线数至少为2,且天线数越多产生的方向图的指向 性越强，但在一些应用场景中由于成本或者体积等方面的约束使得发送信息的无线节点的 天线数为1，如在无线传感网（Wireless Sensor Network, WSN)中，此时，发送过程不能使 用波束赋形技术，因此需要多个发送节点协作来实现波束赋形，这就是协作波束赋形技术。
[0004] 协作波束赋形技术是利用多个无线节点的天线来形成一个虚拟的多天线，并通过 协作建立和协作发射两个步骤进行协同工作。在协作建立过程中确定发送信息的发送节点 以及参与协作发射的协作节点，并为每个节点分配一个权值；在协作发射过程中发送节点 将发送的信息共享给各个协作节点，并进行协作发射。
[0005] 协作波束赋形技术使各无线节点之间以协作的方式进行波束赋形，它能有效应用 于WSN、第三代移动通信（3G)、第四代移动通信（4G)及太空通信中，使用该技术可以最小化 网络的能耗、增加网络的可靠性以及增加系统的吞吐量。关于波束赋形的研究主要包括协 作波束赋形的方向图的分析、网络生存时间的分析、旁瓣抑制算法以及协作权值的计算等。 协作权值的计算是协作波束赋形中的难点，因为波束赋形的权值计算需要全局的信道状态 信息（CSI),而在协作波束赋形的场景中每个节点只能获知本地的信道状态信息，这就为权 值的计算带来了很大的挑战。
[0006] 目前，协作权值计算的方法主要有两种：第一种是通过分布式计算的方法来实 现权值的计算；第二种是通过所有参与协作发送的节点与接收节点的交互来动态调整本 地的权值使其收敛。其中，第一种计算方法中协作节点间的交互信息量过大、开销过高以 及对信道信息要求过高而导致其难以实现。第二种计算方法对节点和信道信息的要求不 高，更具有可行性，其中研究较多的是基于lbit反馈的协作波束赋形方法。U. Madhow等 第一次提出了通过协作节点在权值上增加一个随机扰动，目标节点测量信号能量并反馈 lbit控制信息的lbit反馈协作波束赋形方法（R. Mudumbai, J. Hespanha, U. Madhow, and G.Barriac, "Scalable feedback control for distributed beamforming in sensor networks，，'in Proc. International Symposium on Information Theory, Adelaide, SA，Sept. 2005, pp. 137 - 141.)。但是这种方法没有充分利用反馈回的lbit信息，只在 目标节点反馈1的时候才对权值的扰动进行确定，从而导致收敛的速度很慢。2010年， John S. Thompson等提出了一种针对上述方法的改进，这种改进集中在对反馈的lbit信 息的处理，改进之后充分利用了反馈的lbit信息，即目标节点反馈0和1时都会对权值 的扰动进行确认（S. Song, J. S. thompson, P. J. Chung, and Ρ· M. Grant, " Improving the one-bit feedback algorithm for distributed beamforming，，'in Proc.IEEE Wireless Communications and Networking Conference, Sydney, Australia, Apr. 2010.),但是，该方 法的权值扰动仍然没有方向性，虽然改进的方法在收敛性上有了一定的提升但仍有很大的 提升空间。
【发明内容】
[0007] 本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提出了一种基于方向扰动的lbit反馈协作波 束赋形的方法，该方法将随机选择的扰动改进为具有一定方向性的随机扰动，大幅度提高 了收敛速度。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] -种基于方向扰动的lbit反馈协作波束赋形的方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤 1 :设置初始化参数：设置 m = 0, Θ Jrn] = Θ i;init，ε Jm] = ε i;init，i = 1，2. . .，N其中Θ i init为协作节点i的初始相位权值，ε i init为协作节点i的初始方向因子， 接收端的接收信号强度（Received Signal Strength，RSS)的最大值初始化为0,即Rbest[m] =〇,其中m为调整相位权值的迭代次数或者发送接收交互的时隙个数，N为协作节点的数 目；
[0011] 步骤2 :发送节点发送信息数据χ[η]，η = 1，2, . . .，L，其中L表示发送信息数据的 长度，将该发送信息在所有协作节点间共享；
[0012] 步骤3:各协作节点产生一个随机扰动值SJrn]和一个方向因子ei[m]，并将各 自的扰动值和方向因子加在已知的最优相位权值上，得到一个新的发送相位值，对于协作 节点i，它的已知最优权值为ejm]，则得到的新的发送相位值为ejnj+ejnj+sjm]，其 中，i = 1，2, ...，N，N表示协作节点的数目，然后每个协作节点使用新的发送相位进行这个 时隙的协作发送；
[0013] 步骤4 :各协作节点发送带有各自发送相位值的x[n]的副本，接收节点根据接收 到的各协作节点发送的x[n]的副本计算出接收信号强度（Received Signal Strength, RSS)，采用R[m]表示在时隙m中的接收信号强度，并将此时隙的R[m]与Rbest[m]对比，若 R[m] > Rbest[m]，则向协作节点广播lbit控制信息1，若R[m] < Rbest[m]，则向协作节点广 播lbit控制信息0 ;
[0014] 步骤5 :各协作节点接收反馈的lbit控制信息，若反馈的控制信息为1，则将最优 权值更新为本次的发送相位值，对节点i，有Θ i[m+l] = Θ 4111]+ε J11J+δ Jm]，方向因子的 值保持不变，即ejm+l] = ei[m];若反馈的控制信息为0,则最优权值保持不变，对节点 i，有Qi[m+1] = θ?Μ，同时方向因子的值更新为ejm+l] ;
[0015] 步骤6 :接收节点根据Rbest[m+1] = max(Rbest[m]，R[m])更新最大接收信号强度的 值，同时检测最大接收信号强度值Rbest [m+1]是否达到系统要求的最低工作门限，若达到系 统要求的最低工作门限且接收端能正确解码出发送信息X [η]，则向所有协作节点广播确认 信息ACK ;
[0016] 步骤7 :迭代次数m加 1，并判断是否收到接收节点的确认信息ACK，若收到ACK说 明接收节点已经正确接收本次发送数据，可以发送新的数据，因此返回步骤2执行；若没有 收到ACK说明最大接收信号强度没有达到系统要求的门限或者接收端解码错误，需要重传 数据，因此返回步骤3执行。
[0017] 用数学表达式来表示所述基于方向扰动的lbit反馈协作波束赋形的方法，对于 发送节点i有
【权利要求】
1. 一种基于方向扰动的lbit反馈协作波束赋形的方法，包括以下步骤： 步骤 1 :设置初始化参数：设置m = Ο, Θ Jm] = Θ i;init，ε Jm] = ε i;init，i = 1，2. · ·，N 其中9iiinit为协作节点i的初始相位权值，ei init为协作节点i的初始方向因子，接收端 的接收信号强度的最大值初始化为〇,即Rbest [m] = 0,其中m为调整相位权值的迭代次数或 者发送接收交互的时隙个数，N为协作节点的数目； 步骤2 :发送节点发送信息数据χ[η]，η = 1，2,. . .，L，其中L表示发送信息数据的长 度，将该发送信息在所有协作节点间共享； 步骤3 :各协作节点产生一个随机扰动值δ i [m]和一个方向因子ε i [m]，并将各自的扰 动值和方向因子加在已知的最优相位权值上，得到一个新的发送相位值，对于协作节点i， 它的已知最优权值为ejm]，则得到的新的发送相位值为ejnj+ejnj+sjm]，其中，i = 1，2, ...，N，N表示协作节点的数目，然后每个协作节点使用新的发送相位进行这个时隙的 协作发送； 步骤4 :各协作节点发送带有各自发送相位值的X[η]的副本，接收节点根据接收到的 各协作节点发送的x[n]的副本计算出接收信号强度，采用R[m]表示在时隙m中的接收信 号强度，并将此时隙的R[m]与R best[m]对比，若R[m] >Rbest[m]，则向协作节点广播lbit控 制信息1，若R[m] < Rbest[m]，则向协作节点广播lbit控制信息0 ; 步骤5 :各协作节点接收反馈的lbit控制信息，若反馈的控制信息为1，则将最优权值 更新为本次的发送相位值，对节点i，有0 i[m+l] = Θ汀111]+ε J11J+δ Jm]，方向因子的值保 持不变，即^[!!1+1]= ei[m];若反馈的控制信息为0,则最优权值保持不变，对节点i，有 9i[m+l]= Qjm]，同时方向因子的值更新为eJm+IJz-SJm]; 步骤6 :接收节点根据Rbest[m+1] =maX(Rbest[m]，R[m])更新最大接收信号强度的值，同 时检测最大接收信号强度值Rbest [m+1]是否达到系统要求的最低工作门限，若达到系统要 求的最低工作门限且接收端能正确解码出发送信息X [η]，则向所有协作节点广播确认信息 ACK ； 步骤7 :迭代次数m加1，并判断是否收到接收节点的确认信息ACK，若收到ACK，则返回 步骤2执行；若没有收到ACK，则返回步骤3执行。
【文档编号】H04B7/06GK104243007SQ201410475783
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】杨海芬, 丁宁, 李广军 申请人:电子科技大学