CN102638878B - 基于闭环频偏控制的分布式波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于闭环频偏控制的分布式波束形成方法，其特征在于：包括下述步骤：(1)初始化时接收基站广播射频载频，所有节点进行相位矫正，发射信号在接收基站在短时间内相干叠加，功率增益达到最大值；(2)有效通信的同时接收基站向所有节点广播反馈信号，各点随机调整各自载波相位。通过以上方法达到控制各节点频偏的作用，从而保持了接收基站的增益，达到长时间稳定通信的目的。

Description

基于闭环频偏控制的分布式波束形成方法

技术领域

本发明涉及一种通过闭环控制节点簇内各节点频率偏差，从而保持基站接收功率增益，达到长时间稳定通信效果的方法。该方法可应用于无线传感器簇的分布式波束形成远距离传输系统中。

背景技术

分布式波束形成的最突出特点在于不同源节点的本振是互相独立的。大多数的本振是由节点的本地晶振通过上混频来得到。而本地晶振的频偏几乎是不可能避免的，通过上混频后，晶振的频偏会被放大。而这样的频偏对节点间的协作通信是致命的，因为这意味着节点间的相位在通信过程中不断漂移，使得信号无法保持相干叠加，甚至形成反向抵消造成负增益。所以，传统的波束形成方法的第一要务就是进行节点间的频率同步，从而减少节点间本振频差。

传统分布式波束形成分为两种方法进行频率同步，第一种是用锁相环的方法(PPL)。所有节点对接收到的同一个载波信号，通过锁相环，来进行跟踪。从而达到所有节点的本振都与接收到的统一载波同频同相的目的。然而，当通信载波在很高频率时，传统的锁相环是没有能力来完成这样的锁相任务的。所以，在高频载波时，锁相环的方法是不适用的。

第二种是通过载波频偏估计进行补偿的方法。所有节点对接收到的同一个载波进行下混频后，得到载波与本振的频差。然后在上混频时对本振进行补偿，使得所有节点的发射载波频率相同。这种方法通常意味着较复杂的数字端信号处理。因为节点基带需要对混频后的频差进行估计，然后再通过这个估计频差来生成补偿所需要的频率波形，从而不断对本振进行补偿。

载波频偏估计进行补偿的方法需要面对两个问题，一是很难估计出极小的频率偏差。因为这意味在频率同步时，需要较高的信噪比对周期很长的波形进行采集，然后估计其频率，才能保证对频差估计的准确性，从而导致频率同步效率很低。而且尽管是很小的频率偏差，也会造成无法进行长时间的可靠通信。二是节点晶振存在频率漂移，即使在频率同步阶段各节点都已对本地本振进行了准确的同步。但是在通信过程中，节点的晶振频率仍然是在缓慢变化的，造成新的频差，使得长时间的可靠通信变得十分困难。

解决这两个问题的传统方法是不断的进行频率和相位同步。在一次节点到接收基站的通信中，需要每隔一段时间，就重新对所有的节点的频率与相位进行同步，以使一次通信能够顺利完成，而这无疑会带来极高的复杂度和通信效率的降低。

本发明提出的闭环控制系统可以保证在频率差不大于某特定值的情况下，功率增益仍然保持在极值点附近变化，使基站接收功率保持稳定。

发明内容

为了解决背景技术所述传统载波频偏估计补偿方法所存在的问题，本发明提出一种使用闭环的方法来控制节点频偏的波束形成方法。

为了达到以上，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

基于闭环频偏控制的分布式波束形成方法，其特征在于：

包括下述步骤：

(1)初始化直接收敛过程：

基站与节点间分配两个通信频点，分别为通信频点，反馈频点；

时间段11)基站在通信频点广播射频载频信号e^-jωt

2)节点i在通信频点接收到信号

节点i本地载波

3)节点i的基带得到信号

时间段21)基站在通信频点广播反向的射频载频信号e^jωt

2)节点i在通信频点接收到信号

节点i本地载波

3)节点i的基带得到信号

(注：应为频偏Δω_i很小，可以认为Δω_it短时间内可以忽略，

时间段3节点i估计相位差和传播时延

$a_1\·a_2=e^{2j(\mathrm{\ω}{\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\θ})}$

$a_1\·a_2^{*}=e^{2\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_i}$

变换得到相位差： $e^{2j(\mathrm{\ω}{\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\θ})}\→e^{j(\mathrm{\ω}{\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\θ})}$

变换得到传播时延： $e^{2\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_i}\→e^{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_i}$

时间段4节点i在通信频点发射信号，其载波为

$e^{-j(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_i)(t-{\mathrm{\θ}}_i)}\·e^{-j(\mathrm{\ω}{\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\θ})}\·e^{-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_i}$

$=e^{-\mathrm{j\ω}(t+{\mathrm{\τ}}_i)}\·e^{-\mathrm{j\Δ}{\mathrm{\ω}}_{i}t}\≈e^{-\mathrm{j\ω}(t+{\mathrm{\τ}}_i)}$

初始化直接收敛完成，为了保持所有节点发射信号的功率增益，系统进入闭环频率控制过程；

(2)闭环频率控制过程：

时间段1基站在通信频点接收到所有节点发射的信号

基站判断该信号信噪比的变化

y[n]＝1 if SNR[n]≥SNR[n-1]

y[n]＝0 if SNR[n]＜SNR[n-1]

时间段2基站在反馈频点向所有节点广播反馈信号y[n]

时间段3节点i在反馈频点接收到反馈信号y[n]

若y[n]＝0节点取消第n-1次的相位调整Δφ_i(n-1)

若y[n]＝1节点保持第n-1次的相位调整Δφ_i(n-1)

时间段4节点i根据概率分布P(Δφ)调整其本地载波相位Δφ_i

时间段5节点i使用调整后的本地载波相位在通信频点发射信号；

当第n次随机相位调整完成后，进行第n+1次随机相位调整。

上述方法中，当节点i的频率差Δω_i为5000～30000弧度/秒时，节点i的相位调整量Δφ_i0.02～0.14弧度

本发明与传统方法相比，其优点是：

1)系统控制了节点的频偏，消除了节点晶振极小频差、频率漂移、接收基站缓慢移动等对功率增益造成的影响。从而可以建立长时间节点簇向接收基站的不中断可靠通信。

2)初始化可以使得节点簇的发射信号在接收基站直接收敛，达到最大增益。从而免去了缓慢的收敛过程。且初始化同步过程复杂度低，所有节点同时进行相位估计，因而同步时间快，且与节点数目无关。

3)初始化同步过程与接收基站反馈过程中，均不需要节点发射功率。节点所有的发射功率均用在通信中，从而降低了节点的非通信能耗。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为5个节点协作通信，节点间最大频差为500HZ时，基站得到的功率增益。其中：图1a为未加入闭环频率控制前的增益随时间变化情况；图1b为本发明加入闭环频率控制后的增益随时间闭环情况。

图2为5个节点协作通信，节点间最大频差为2000HZ时，基站得到的功率增益。其中：图1a为未加入闭环频率控制前的增益随时间变化情况；图1b为本发明加入闭环频率控制后的增益随时间闭环情况。

图3为采用本发明方法后，系统保持在稳态(增益基本保持不变)的判决线。当参数落在判决线上方时，系统能够保持稳态。当参数落在判决线下方时，系统无法保持稳态。其中N为节点数目。

图4为采用本发明方法后，系统增益波动的最小方差。其中N为节点数目。

具体实施方式

本发明的发明构思为：

1、给反馈信号分配新的频点。所有节点对基站的通信与基站对节点簇的反馈能够同时进行，得到实时的闭环反馈系统对频偏进行控制。达到所有节点与接收基站的通信过程中，保持全程反馈控制的目的；

2、初始化完成时所有节点发射的信号直接在基站处完成同向叠加。为了达到直接找到系统的一个极值点的目的，让系统在初始情况下即在极值点附近变化，从而绕过系统缓慢的收敛过程。可以通过接收基站向所有节点广播射频载频来完成。因为节点本地载波频率差通常较小，所以在短时间内可以认为该频率差不会对节点载波相位造成新的影响。所以各个节点只需各自补偿自己的载波相位差与到基站的传播时延，即可达到在基站处信号同向叠加的效果。

3、将所有节点作为一个整体。基站仅仅对所有节点进行反馈，对于单个节点来说这相当于接收基站进行了广播式的反馈。接收基站无需获知每个节点的状态，只需获知整个节点簇的状态即可，即基站接收到的总功率；

本发明具体包括下述步骤：

1、初始化直接收敛过程

基站与节点间分配两个通信频点，分别为通信频点，反馈频点；

时间段11)基站在通信频点广播射频载频信号e^-jωt

2)节点i在通信频点接收到信号

节点i本地载波

3)节点i的基带得到信号

时间段21)基站在通信频点广播反向的射频载频信号e^jωt

2)节点i在通信频点接收到信号

节点i本地载波

3)节点i的基带得到信号

(注：应为频偏Δω_i很小，可以认为Δω_it短时间内可以忽略，

时间段3节点i估计相位差和传播时延

$a_1\·a_2=e^{2j(\mathrm{\ω}{\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\θ})}$

$a_1\·a_2^{*}=e^{2\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_i}$

变换得到相位差： $e^{2j(\mathrm{\ω}{\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\θ})}\→e^{j(\mathrm{\ω}{\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\θ})}$

变换得到传播时延： $e^{2\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_{\text{i}}}\→e^{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_i}$

时间段4节点i在通信频点发射信号，其载波为

$e^{-j(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_i)(t-{\mathrm{\θ}}_i)}\·e^{-j(\mathrm{\ω}{\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\θ})}\·e^{-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_i}$

$=e^{-\mathrm{j\ω}(t+{\mathrm{\τ}}_i)}\·e^{-j{\mathrm{\Δ\ω}}_{i}t}\≈e^{-\mathrm{j\ω}(t+{\mathrm{\τ}}_i)}$

(注：载波只在短时间内满足此式，在接收节点处达到同相叠加的效果)

基站通过广播射频载频的方式，达到所有节点初始化直接收敛的目的，初始化直接收敛完成后，为了保持所有节点发射信号的功率增益，系统进入闭环频率控制过程。其中：ω为射频载频频率，τ_i为信号从基站的节点i的传播时延，θ_i为节点i的初始时间差，Δω_i为节点i的频率差，i＝1、2、3、...，

2、闭环频率控制过程

时间段1基站在通信频点接收到所有节点发射的信号

基站判断该信号信噪比的变化

y[n]＝1  if SNR[n]≥SNR[n-1]

y[n]＝0  if SNR[n]＜SNR[n-1]

时间段2基站在反馈频点向所有节点广播反馈信号y[n]

时间段3节点i在反馈频点接收到反馈信号y[n]

若y[n]＝0节点取消第n-1次的相位调整Δφ_i(n-1)

若y[n]＝1节点保持第n-1次的相位调整Δφ_i(n-1)

时间段4节点i根据概率分布P(Δφ_i)调整其本地载波相位Δφ_i

时间段5节点i使用调整后的本地载波相位在通信频点发射信号；

当第n次随机相位调整完成后，进行第n+1次随机相位调整。

其中：y[n]为第n次的反馈信号，SNR[n]为第n次基站接收到信号的信噪比。

基站通过广播反馈信号的方式，达到闭环控制的目的。

以上实施例中，相位调整Δφ_i必须大于特定值才能保证基站接收功率保持稳定。图3列出了本发明方案中，不同节点个数时，基站接收功率保持稳定所需要的最小相位调整量Δφ_i。以7个节点例，最小相位调整量Δφ_i需满足：

最大频率偏差Δωi(弧度/秒)	最小相位调整量Δφi(弧度)
		5000	0.024
10000	0.047
		15000	0.069
20000	0.092
		25000	0.115
30000	0.137

图4列出了采用本发明方法后，基站接收到的功率变化的最小方差(波动大小)。可看出基站接收到的功率变化的出最小方差随着频差Δω减小而减小。也随着节点个数的减少而减小。

从图1、图2中可看出，在未采用本发明方法之前，基站接收到的功率随着时间的变化，周期性的减小一倍之多。而在采用本发明方法之后，基站接收到的功率基本不随时间的变化而改变，且保持在最大值附近。

从初始化直接收敛过程可看出，本发明方案的初始化同步过程复杂度低，所有节点同时进行相位估计，因而同步时间快，且与节点数目无关。

从初始化直接收敛过程与闭环频率控制过程可看出，本发明方案的同步与控制过程均不需要节点发射功率。节点所有的发射功率均用在通信中，从而降低了节点的非通信能耗。

Claims (2)

1.一种基于闭环频偏控制的分布式波束形成方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）初始化直接收敛过程：

基站与节点间分配两个通信频点，分别为通信频点，反馈频点；

时间段1  1)基站在通信频点广播射频载频信号e^-jωt

2)节点i在通信频点接收到信号节点i本地载波

3)节点i的基带得到信号

时间段2  1）基站在通信频点广播反向的射频载频信号e^jωt

2）节点i在通信频点接收到信号

节点i本地载波

3）节点i的基带得到信号 $a_2=e^{j(-{\mathrm{\ω\τ}}_i-{\mathrm{\Δ\ω}}_{i}t+{\mathrm{\ω\θ}}_i+{\mathrm{\Δ\ω}}_i{\mathrm{\θ}}_i)}$

时间段3  节点i估计相位差和传播时延

$a_1\·a_2=e^{2j({\mathrm{\ω\θ}}_i+{\mathrm{\Δ\ω}}_i\mathrm{\θ})}$

$a_1\·a_2^{*}=e^{2j{\mathrm{\ω\τ}}_i}$

变换得到相位差： $e^{2j({\mathrm{\ω\θ}}_i+{\mathrm{\Δ\ω}}_i\mathrm{\θ})}\→e^{j({\mathrm{\ω\θ}}_i+{\mathrm{\Δ\ω}}_i\mathrm{\θ})}$

变换得到传播时延：

时间段4  节点i在通信频点发射信号，其载波为

$\begin{array}{c}{e}^{-j(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\Δ\ω}}_i)(t-{\mathrm{\θ}}_i)}\·e^{-j({\mathrm{\ω\θ}}_i+{\mathrm{\Δ\ω}}_i\mathrm{\θ})}\·e^{-j{\mathrm{\ω\τ}}_i}\\ =e^{-\mathrm{j\ω}(t+{\mathrm{\τ}}_i)}\·e^{-j{\mathrm{\Δ\ω}}_{i}t}\≈e^{-\mathrm{j\ω}(t+{\mathrm{\τ}}_i)}\end{array}$

初始化直接收敛完成，为了保持所有节点发射信号的功率增益，系统进入闭环频率控制过程；其中：ω为射频载频频率，τ_i为信号从基站的节点i的传播时延，θ_i为节点i的初始时间差，Δω_i为节点i的频率差，i=1、2、3、…；

（2）闭环频率控制过程：

时间段1  基站在通信频点接收到所有节点发射的信号

基站判断该信号信噪比的变化

y[n]=1   if SNR[n]≥SNR[n-1]

y[n]=0   if SNR[n]<SNR[n-1]

时间段2  基站在反馈频点向所有节点广播反馈信号y[n]

时间段3  节点i在反馈频点接收到反馈信号y[n]

若y[n]=0节点取消第n-1次的相位调整Δφ_i(n-1)

若y[n]=1节点保持第n-1次的相位调整Δφ_i(n-1)

时间段4  节点i根据概率分布P(Δφ)调整其本地载波相位Δφ_i

时间段5  节点i使用调整后的本地载波相位在通信频点发射信号；

当第n次随机相位调整完成后，进行第n+1次随机相位调整。

2.如权利要求1所述的基于闭环频偏控制的分布式波束形成方法，其特征在于，当节点i的频率差Δω_i为5000～30000弧度/秒时，节点i的相位调整量Δφ_i为0.02～0.14弧度。

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