一种基于可变步长的一比特反馈协作波束成形方法
【专利摘要】本发明提供一种基于可变步长的一比特反馈协作波束成形方法，充分利用可变步长对扰动幅值和校正因子大小进行调整，加快系统收敛速度。当协作节点间相位差较大时，保持扰动幅值；当相位差小于扰动幅值时，及时减小扰动幅值；当随机扰动成功时，校正因子加大校正力度，加快收敛速度；当随机扰动失效时，校正因子更新为上一时隙随机扰动的相反值，用于纠正扰动方向。本发明通过机动性控制扰动幅值和校正因子的步长，加快系统的收敛速度，使扰动的正确率更高。
【专利说明】
一种基于可变步长的一比特反馈协作波束成形方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信技术，特别涉及基于可变步长的一比特反馈协作波束成形技 术。 技术背景
[0002] 波束成形是天线技术与数字信号处理技术的结合，目的用于定向信号传输或接 收。在信号的接收或发送端，通过对多天线阵元的各路信号加权合成，形成所需要的理想信 号。从天线方向图（pattern)角度看，相当于形成了指定方向上的波束。对天线阵元反馈进 行幅度与相位的调整，形成所需形状的方向图。
[0003] 波束成形适用于多天线系统，尤其在MM0系统中。尽管MM0技术已被认为是新一 代无线通信的关键技术之一，然而在多数实际无线通信系统中，只在基站端配置多跟天线。 移动便携终端、自组织网络节点等受自身尺寸、功率和其他实现因素的限制，难以配置较多 的天线单元。因此，MHTO技术广泛应用受到很大程度的限制。从而分布式多天线系统，8卩"协 作通信"成为了一个很有效的代替技术。
[0004] 协作波束成形也被称为分布式波束成形(Distributed Beamforming)或网络波束 成形(Network Beamforming)。协作波束成形的基本思想是当链路的全局CSI已知时，通过 调整协作节点发送信号的复权值来形成一个对准目的节点的虚拟波束，从而获取协作分 集。协作权值计算是协作波束成形技术的重点与难点。
[0005] 目前，协作波束成形中的权值算法主要有两种:一种是通过分布式计算的方法来 实现权值的计算，即协作节点间的信息交互;另一种是利用反馈机制实现权值的计算，即通 过所有参与波束成形的节点与目标节点的交互来动态调整本地的权值并使其收敛。第一种 方法由于协作节点间交互的信息量过大、开销过高以及对信道信息要求过高而导致实现难 度较大。第二种方法对协作节点和信道信息的要求不高，可行性更高，其中基于一比特反馈 的协作波束成形是研究得比较多的一种方法。
[0006] 下列文献介绍了现有的基于一比特反馈协作波束成形方法：
[0007] [1]Mudumbai R,Hespanha J,Madhow U,et al.Scalable feedback control for distributed beamforming in sensor networks[C]//Information Theory,2005.ISIT 2005.Proceedings.International Symposium on.IEEE,2005:137-141.
[0008] [2]Song S,Thompson J S,Chung P J,et al.Improving the one-bit feedback algorithm for distributed beamforming[C]//Wireless Communications and Networking Conference(WCNC),2010IEEE.IEEE,2010:1-6.
[0009] [3]Song S,Thompson J S.One-bit feedback algorithm with decreasing step size for distributed beamforming[C]//Cognitive Wireless Systems (UKIWCffS),2010Second UK-India-IDRC International Workshop on.IEEE,2010:1-5.
[0010] [4]专利"一种基于方向扰动的lbit反馈协作波束赋形的方法中国专利，公开 号：CN104243007A，公告日：2014-12-24.
[0011] 文献[1]第一次提出通过在协作节点的权值相位加一个随机扰动，从而实现相位 对齐，使目的节点的RSS(接收信号强度)达到最大。扰动为根据反馈信息，在原相位基础上 添加的一个修正值。目的节点每次反馈给协作节点lbit信息，但只有反馈1时协作节点才对 权值扰动操作，从而导致收敛速度过慢。文献[2]与文献[4]对上一种方法进行了改进，收敛 速度得到很大提升，但对随机扰动的幅值要求比较大，当相位差较小时，大幅值的扰动反而 会降低收敛速度甚至阻止收敛进程。文献[3]对扰动步长进行了研究，通过实时监测反馈信 息来调整随机扰动幅值的大小，尤其相位差变小时，减小扰动幅值有利于正确的扰动，存在 的问题是收敛速度过慢。
【发明内容】
[0012] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种加快系统的收敛速的基于可变步长的一 比特反馈波束成形方法。
[0013] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于可变步长的一比特反 馈协作波束成形方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤1时隙n协作节点i使用自适应相位权值巾i[n]参与波束成形，并向目标节点 发送波束；自适应相位权值为巾i[n] = 0i[n]+5i[n]+Ti[n] ;0i[n]为协作节点i在时隙n的相 位权值、S i [ n ]为协作节点i在时隙n的扰动幅值、t i [ n ]为协作节点i在时隙n的校正因子;之 后，进入步骤2;
[0015] 步骤2时隙n协作节点i根据接收目标节点反馈的控制信息来更新连续失败扰动的 次数&，若反馈的控制信息表示扰动成功，设置连续失败扰动的次数& = 0,调整下一个时隙 n+1的相位权值0i[n+l]=巾i[n]与校正因子Ti[n+l] = (l/RD) ? Ti[n]，Rd表示缩放因子，0彡 Rd< 1;之后，进入步骤3;
[0016] 若反馈的控制信息表示扰动失败，Cf = Cf+l;连续失败扰动的次数Cf更新后，将连 续失败扰动的次数与连续失败扰动的上限C t进行比较，当Cf<Ct，则保持当前扰动幅值不 变，当Cf多Ct时，更新扰动幅值s Q = RD ? So后，再更新连续失败扰动的次数Cf为0;调整下一个 时隙11+1的相位权值01[11+1] = 1[11]与校正因子1^[11+1]=-51[11];之后，进入步骤3;
[0017] 步骤3是否收到目标节点发送的确认信息，如是，协作节点保持当前状态并发送后 续数据信息，否则更新时隙n = n+l，返回步骤1。
[0018] 本发明充分利用可变步长对扰动幅值和校正因子大小进行调整，加快系统收敛速 度。当协作节点间相位差较大时，保持扰动幅值；当相位差小于扰动幅值时，及时减小扰动 幅值;当随机扰动成功时，校正因子加大校正力度，加快收敛速度;当随机扰动失效时，校正 因子更新为上一时隙随机扰动的相反值，用于纠正扰动方向。
[0019] 本发明的有益效果是，通过机动性控制扰动幅值和校正因子的步长，加快系统的 收敛速度，使扰动的正确率更高。尤其相位差较小时，减小扰动幅值和调整校正因子对加快 收敛具有显著效果。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明的系统模型图；
[0021] 图2是本发明实施例和对比例在Sq = jt/25收敛速度对比图；
[0022] 图3是本发明实施例和对比例在Sq = jt/200收敛速度对比图；
[0023] 图4是本发明实施例和对比例收敛最小时隙对比图；
[0024] 图5是本发明实施例和对比例相对于文献[1]增益对比图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明基于可变步长的一比特反馈协作波束成形的方法包含以下步骤：
[0026]步骤1:模型建立:设共有N+1个节点，其中协作节点数为N，目标节点数为1。
[0027] 步骤2:系统参数初始化:设n代表时隙，初始时隙n = runit，且0i [n] = 0i-init，Si [n] =土 S〇，Ti[n] = ，RSS[I1] = RSSi-init 多 0，其中Ilinit，9i-init，Ti-init，RSSi-init均为初始{直 〇 ejn]是协作节点i在时隙n的相位权值;SJn]是协作节点i在时隙n的扰动幅值，且等概率取 值±SQ;Tl[n]是协作节点i在时隙n的校正因子;RSS[n]是目的节点在时隙n的接收信号强度 (Received Signal Strength)。
[0028]步骤3:比例参数设定:Cf表示连续失败扰动的次数，Ct表示连续失败扰动的上限， Rd表不缩放因子，用于调整扰动幅值与校正因子的大小，其中，0<Rd<1。
[0029] 步骤4:时隙n，协作节点i使用自适应后的相位权值参与波束成形，自适应相位权 值为巾 i[n] = 9i[n]+5i[n]+Ti[n]。
[0030] 步骤5:时隙n，目标节点接收到协作节点发送的波束信号并计算接收信号强度，记 为RSS[n]，并将其与本地记录的最大接受信号强度值RSS best[n]比较。若RSS[n]>RSSbest [n]，表明该时隙成功扰动，目的节点给所有协作节点反馈lbit控制信息1;若RSS[n]彡 RSSbest[n]，目的节点给所有协作节点反馈lbit控制信息0。
[0031]步骤6:协作节点接收反馈的控制信息，Cf记录连续失败扰动的次数。若反馈的控 制信息为l，Cf = 0;若反馈的控制信息为0，Cf = Cf+l。当Cf彡Ct时，扰动幅值更新为5q = Rd* 8〇,并且Cf置为0。
[0032] 步骤7:协作节点接收时隙n的反馈信息，并根据反馈信息调整时隙n+1的相位权值 与校正因子。若反馈的控制信息为1，则相位权值更新为上一时隙的自适应相位权值，即 [n+l]= <i> i[n] = 9i[n]+5i[n]+Ti[n];校正因子更新为上一时隙的 1/Rd倍，即Ti[n+l] = (l/ Rd) ? Ti[n]。若反馈的控制信息为0,协作节点的相位权值保持不变，有0i[n+l] = 0i[n];校 正因子更新为上一时隙扰动幅值的相反数，有^[n+lli-Sdn]。
[0033] 步骤8:目标节点更新接收信号强度的最大值，数学表达式为RSSbest[n+l] =max (RSS[n]，RSSbe5St[n])，同时检测接收信号强度的最大值RSSbe5St[n+l]是否达到系统最低工作 门限。如果满足系统接收信号强度的最低门限值，则向所有协作节点广播确认信息ACK，协 作节点保持当前状态并发送后续数据信息。否则，时隙n自动加1，并重复步骤4-7。
[0034] 以上步骤可以用数学表达式表示，如下：
[0035]发射端，第i (i = 1，2…，N)个协作节点： m r] \m = O^n] -f ^[?] 4- Ti[n] RSS[n] > RSShi，M]
[0036] + /A'mce r I
[ 0 \n] RSS[n\ s /?.S5,vv/[?j ⑴ (2) (3)
(4)
[0040] 接收端，目的节点：
[0041] RSSbest[n+l ] =max(RSS[n] ,RSSbest[n]) (5)
[0042]为了更好的理解本发明，下面将结合附图，以技术方案为基准，详细描述方案实施 的步骤，但本发明的实施范围不只限于描述的场景。
[0043] 本案例共有101个节点，系统模型如图1所示，其中协作节点100个，目的节点1个， 1〇〇个协作节点随机分布在半径R的圆形区域内，目的节点距离圆形区域中心为D=100;x [n]是协作节点共享数据信息;虚线表示协作节点形成的波束图案。
[0044] 协作节点随机分布在半径R = 4的圆形区域，且区域中心与目的节点的距离D = 1〇〇;信道为慢变信道，在整个过程中只考虑信道带来的相位影响。同时，所有协作节点的发 送功率相同并且归一化。
[0045] 为了使描述更接近实际，假设开始时隙为0;协作节点的初始相位权值为0,即0:
[n] = 9i-init = 0，i = l，2,…100;协作节点的校正因子初始值为0,即Ti[n] = Ti-init = 〇，i = 1，2，…100;协作节点的随机扰动值有心[n] = ± ，i = 1，2，…100;目的节点接受信号强度 最大值为〇,即RSSbest=0。
[0046] 比例参数取值是否恰当，关系整个系统的收敛速度的快与慢。通过若干次仿真与 实际操作，此案例中Ct与Rd的取值分别为:Ct = 11，Rd = 0.8。
[0047] 至此系统搭建完毕，下面将提供基于可变步长的一比特反馈波束成形方法的实施 步骤，如下：
[0048] 步骤1:协作节点生成自适应相位权值。各个协作节点产生一个随机扰动值和一个 校正因子。随机扰动值SJnLiilJ，…100,且等概率取值±5〇。根据上一时隙反馈的控制 信息生成校正因子Ti[n]，i = l，2,…100。于是，自适应相位权值为巾i[n] = 0i[n]+5i[n]+Ti [n]，i = 1，2，…100，各个协作节点将其作为该时隙的发送相位。
[0049] 步骤2:协作节点共享数据信息x[n]，并携带各自的权值发送，最终各协作节点发 送的信息为；气I.二 1，:2-. .100。
[0050] 步骤3:目的节点接收经过高斯信道的波束信号r[n]: 100
[0051 ] /?[/?] = !，b[l，]]An\ + 〇j\n\ (6)
[0052]公式(6)中，r[n]为目的节点接收到带有高斯白噪声的信号;％ 表示协作节 点i到目的节点的渐变信道，其中al表示信道幅度，约表示信道相位；yl表示非理想同步的 相位影响；co[n]表示高斯白噪声信号，且《[n]~N(0,〇 2)。因此与单天线相比，波束成形的 信号增益可表示为：
(7)
[0054]实际上我们用信道增益等效接收信号的强度，时隙n时有RSS[n]=R[n]。 巾,[?]=广+奶+為= l,U〇〇表示协作节点i到目标节点的相位偏移。当相位偏移 满足① i[n] = C>2[n] =…=C>itx)[n]时，接收信号强度值最大：
(:8)
[0056] 由于系统信道为渐变信道，y :与釣可看作固定的未知参量，所以我们通过调整发 送相位并找出最优的^[n]，使接收信号强度最强。
[0057] 步骤4:时隙n，目的节点计算接受信号强度RSS[n]，并与RSSbest[n]比较:若RSS[n] >RSS be5St[n]，表明该时隙扰动成功，目的节点向协作节点广播lbit控制信息1;若RSS[n]彡 RSSbe5St[n]，表明该时隙扰动失败，目的节点向协作节点广播lbit控制信息0。
[0058]步骤5:协作节点接收反馈的控制信息，Cf记录连续失败扰动的次数。若反馈的控 制信息为1，Cf = 0;若反馈的控制信息为0，Cf = Cf +1。当Cf彡11时，扰动幅值更新为5 〇 = 〇. 8 ? 8〇,并且Cf置为0。
[0059] 步骤6:协作节点接收时隙n的反馈信息，并根据反馈信息调整时隙n+1的相位权值 与校正因子。若反馈的控制信息为1，则相位权值更新为上一时隙的自适应相位权值，即 [n+1]=巾 i[n] = 9i[n]+5i[n]+Ti[n];校正因子变为上一时隙的1/Rd倍，即 Ti[n+1] = (1/ Rd) ? Ti[n]。若反馈的控制信息为0,协作节点的相位权值保持不变，有0i[n+l] = 0i[n];校 正因子更新为上一时隙扰动幅值的相反数，有^[n+lli-Sdn]。步骤7:目标节点更新接收 信号强度的最大值，数学表达式为RSS be5St[n+l]=maX(RSS[n]，RSSbe5St[n])，同时检测接收信 号强度的最大值RSS b(5St[n+l]是否达到系统最低工作门限。如果满足系统接收信号强度的 最低门限值，则向所有协作节点广播确认信息ACK，协作节点保持当前状态并发送后续数据 信息。否则，时隙n自动加1，并重复步骤1 -6。
[0060] 图2与图3给出了 5种不同的lbit反馈协作波束成形方法在不同扰动幅值下的收敛 过程：当80 = 31/25时，本发明在500个时隙后的收敛速度明显好于其他四种方法，并且最先 达到系统门限值；当SQ = Vl〇〇时，本发明从初始时隙就表现出较快的收敛速度。所以，不论 是扰动幅值较大的快速调节，还是扰动幅值较小的精确调节，本发明在收敛速度上都远远 快于其他四种方法。
[0061] 图4刻画了在给定不同收敛门限值时的最小时隙数。显而易见，本发明到达不同收 敛门限值的时隙数最小，尤其当趋于系统门限值时，本发明的最小时隙数至少比其他方法 小了 2000个。
[0062] 图5展示了文献[2]、文献[3]以及本发明相对于文献[1]中原始方法的收敛速度增 益。如图所示，文献[2]相比于原始方法的收敛速度增益在30%左右;文献[3]相比于原始方 法的收敛速度增益在70 %左右;本发明相比于原始方法的收敛速度增益在90 %左右，最高 可达93 %。
【主权项】
1. 一种基于可变步长的一比特反馈协作波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1时隙η协作节点i使用自适应相位权值(^[n]参与波束成形，并向目标节点发送波 束；自适应相位权值为<i>i[n] = 0i[n]+5i[n]+T：i[n] ;0i[n]为协作节点i在时隙η的相位权值、 Wn]为协作节点i在时隙η的扰动幅值、τι[η]为协作节点i在时隙η的校正因子;之后，进入 步骤2; 步骤2时隙η协作节点i根据接收目标节点反馈的控制信息来更新连续失败扰动的次数 Cf，若反馈的控制信息表示扰动成功，设置连续失败扰动的次数Cf = 0,调整下一个时隙n+1 的相位权值9i[n+l]= Φ i[n]与校正因子Ti[n+l] = (l/RD) · Ti[n]，Rd表示缩放因子，(XRd < 1;之后，进入步骤3; 若反馈的控制信息表示扰动失败，Cf = Cf+Ι;连续失败扰动的次数Cf更新后，将连续失 败扰动的次数与连续失败扰动的上限Ct进行比较，当CKCt，则保持当前扰动幅值不变，当C f 多Ct时，更新扰动幅值Sq = Rd · δ〇后，再更新连续失败扰动的次数Cf为0;调整下一个时隙n+1 的相位权值91[11+1] = 91[11]与校正因子1^[11+1]=-51[11];之后，进入步骤3 ; 步骤3是否收到目标节点发送的确认信息，如是，协作节点保持当前状态并发送后续数 据信息，否则更新时隙n = n+l，返回步骤1。2. 如权利要求1所述一种基于可变步长的一比特反馈协作波束成形方法，其特征在于， 协作节点i在时隙η的相位权值0i[n]的初值为0、S i [η]为协作节点i在时隙η的扰动幅值为± So、协作节点i在时隙η的校正因子Ti[n]为〇。3. 如权利要求1所述一种基于可变步长的一比特反馈协作波束成形方法，其特征在于， 连续失败扰动的上限Ct = 11，缩放因子Rd = 0.8。4. 如权利要求1所述一种基于可变步长的一比特反馈协作波束成形方法，其特征在于， 目标节点反馈的控制信息的方法是： 时隙η目标节点接收到协作节点发送的波束信号并计算接收信号强度RSS[n]，将接收 信号强度RSS[n]与本地记录的最大接收信号强度值RSSbe3St[n]比较，若RSS[n]>RSS be3St[n]， 目的节点给所有协作节点反馈控制信息1表示扰动成功;若RSS[n]彡RSSbest[n]，目的节点 给所有协作节点反馈控制信息〇表示扰动失败。5. 如权利要求4所述一种基于可变步长的一比特反馈协作波束成形方法，其特征在于， 时隙η目标节点接收到发送波束后，更新下一个时隙n+1接收信号强度的最大值为RSS b(3St[n + 1] =max(RSS[n]，RSSbest[n])，max表示取最大值，同时检测接收信号强度的最大值RSSbest [n+1]是否达到系统最低工作门限，如是，则向所有协作节点广播确认信息，否则，更新时隙 n = n+l 〇
【文档编号】H04B7/02GK105959042SQ201610267956
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】刘冬, 杨海芬, 范禹涛
【申请人】电子科技大学