CN104243007B

CN104243007B - 一种基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法

Info

Publication number: CN104243007B
Application number: CN201410475783.9A
Authority: CN
Inventors: 杨海芬; 丁宁; 李广军
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2017-10-17
Anticipated expiration: 2034-09-17
Also published as: CN104243007A

Abstract

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。

Description

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

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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1bit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1bit控制信息的1bit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,”inProc.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1bit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1bit信息的处理，改进之后充分利用了反馈的1bit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 P.M.Grant,“Improving the one-bit feedbackalgorithm for distributed beamforming,”in Proc.IEEE Wireless Communicationsand 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

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1bit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。

本发明的技术方案如下：

一种基于方向扰动的1bit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＝0，θ_i[m]＝θ_i,init，ε_i[m]＝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R_best[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x[n],n＝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θ_i[m]，则得到的新的发送相位值为θ_i[m]+ε_i[m]+δ_i[m]，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[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R_best[m]对比，若R[m]＞R_best[m]，则向协作节点广播1bit控制信息1，若R[m]≤R_best[m]，则向协作节点广播1bit控制信息0；

步骤5：各协作节点接收反馈的1bit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+1]＝θ_i[m]+ε_i[m]+δ_i[m]，方向因子的值保持不变，即ε_i[m+1]＝ε_i[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θ_i[m+1]＝θ_i[m]，同时方向因子的值更新为ε_i[m+1]＝-δ_i[m]；

步骤6：接收节点根据R_best[m+1]＝max(R_best[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R_best[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[n]，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。

用数学表达式来表示所述基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法，对于发送节点i有

对于接收节点有

R_best[m+1]＝max(R_best[m],R[m]) (3)

本发明的有益效果为：本发明提出了一种通过1bit反馈实现的分布式方法，相对于权值计算的协作波束赋形方法，本发明提供的方法更易实现，对协作节点的硬件以及能量要求更低；相对于背景技术提出的两种1bit反馈的方法，本发明采用方向性扰动的方式来实现权值的扰动，使得权值扰动的效率更高，算法的收敛速度更快。

附图说明

图1为本发明系统的示意图。

图2为本发明实施例和对比例的收敛特性对比曲线。

图3为本发明实施例和对比例的扰动权值的对比曲线。

图4为本发明实施例相对于对比例的增益。

具体实施方式

下面对本发明的实施案例做详细说明，本实施案例在本发明技术方案为前提下实施，给出了详细的实施方式和具体的过程，但本发明的实施范围不只限于描述的场景。

本实例采用了传感节点数为101，基站数目为1的无线传感网(WSN)，所有的传感节点都为单天线且每次发送都有1个发送节点和100个协作节点即N＝100，每个协作节点的权值扰动都满足等概率的二值分布；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。

针对本实施例，本发明提供的基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法，主要包括以下步骤：

步骤1：初始化参数：将迭代次数m清0；每个协作节点的初始最优权值都设为0，即θ_i[m]＝θ_i,init＝0,i＝1,2...,N；每个协作节点的方向因子设置为0，即ε_i[m]＝0,i＝1,2,...,N；接收端的接收信号强度(RSS)的最大值初始化为0，即R_best[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：发送节点产生新的单位能量的发送信息x[n],n＝1,2,...,L，并将该发送信息在所有协作节点间共享，其中，L为发送信息数据的长度；

步骤3：各协作节点产生一个随机扰动值，该扰动值可以为任一双边随机分布，此处使随机扰动值都取等概率的二值分布，即δ_i[m]＝±δ₀，其中，δ₀为随机扰动的幅度，除了相位扰动，每个协作节点还会产生一个方向因子ε_i[m]，通过方向因子修正随机扰动的扰动方向，对于节点i，它的已知最优权值为θ_i[m]，则得到的新的发送相位值为θ_i[m]+ε_i[m]+δ_i[m]，其中，i＝1,2,...,N，N为协作节点的数目，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[n]的副本；

步骤5：接收节点根据接收到的各个协作节点发送的x[n]的副本经过信道和噪声的影响产生的y[n]：

公式(4)中，y[n]为接收节点接收到的基带信号；表示从第i个协作节点到接收节点信道造成的幅度和相位的变化，在协作波束赋形的应用中信道的幅度一般都是慢变的，即认为在整个传输过程中a_i[n]保持不变且ψ_i[n]保持不变，因此取a_i[n]＝1，ψ_i[n]＝ψ_i，此时信道的表达式简化为ω[n]为均值为0、方差为的复加性高斯白噪声；φ_i[m]是协作节点i发送信号的相位偏移，它由两部分构成：

φ_i[m]＝r_i+θ_i[m] (5)

公式(5)中，r_i表示协作节点i的自身相位偏移，此处认为该偏移值是在[0,2π)上均匀分布的；θ_i[m]表示协作节点i发送时附加的相位权值，其中，m表示调整相位权值的迭代次数以及发送接收交互的时隙个数，当m＝0时，θ_i[m]＝θ_i[0]＝θ_i,init，θ_i,init为节点i的初始相位权值；

接收节点接收到的RSS的计算表达式为：

根据上式(6)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]＞R_best[m]，则向协作节点广播1bit控制信息1，若R[m]≤R_best[m]，则向协作节点广播1bit控制信息0；

步骤6：各协作节点接收反馈的1bit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+1]＝θ_i[m]+ε_i[m]+δ_i[m]，若反馈1则说明选定的方向因子使得接收信号强度增加，故方向因子的值保持不变，即ε_i[m+1]＝ε_i[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θ_i[m+1]＝θ_i[m]，若反馈0说明选定的方向因子使得接收信号强度减小，故同将方向因子的值更新为ε_i[m+1]＝-δ_i[m]；

步骤7：接收节点根据R_best[m+1]＝max(R_best[m],R[m])更新最大RSS的值，同时检测最大RSS值R_best[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[n]，则向所有协作节点广播确认信息ACK；

步骤8：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的数据，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。

本发明借鉴了背景技术中提到的John S.Thompson的文章中的“如果一个权值扰动值使得接收信号的RSS减弱，那么这个扰动值的负值有可能会使得RSS增强”的思想，当发送端的协作节点在时隙m中接收到0，则表明使得接收端的RSS减小，但对应的方向可能会使RSS增加，即向那个方向前进应该会使各节点的最优权值更接近理想的相位权值。

对于接收节点有

R_best[m+1]＝max(R_best[m],R[m])

其中，R_best[m]表示在第m次迭代中接收端接收到的最大RSS值，当m＝0时，R_best[m]＝R_best[0]＝0。

图1为本发明提供的协作波束赋形方法采用的系统的示意图，图1中较小的空心节点表示协作节点，共有N个，较小的实心节点表示发送节点，每次发送只有一个发送节点，它负责向协作节点广播发送的信息x[n]，发送节点和协作节点随机分布在一个半径为_r的圆形区域内，用短虚线表示；较大的实心节点表示远端接收节点，它与协作节点所在的圆形区域的距离为D＞＞r；长虚线表示的是协作节点形成的波束图案的示意图。

在图1所示的系统示意图上实施本实例可以统计出三种不同方法达到不同门限RSS值所需的最小迭代次数，即m的值，图2中给出了三种不同的1bit反馈协作波束赋形在给定RSS门限下所需的最少的迭代次数(即接收端反馈次数)，其中迭代次数与收敛速度成反比，迭代次数越少收敛速度越快。之所以称为最小迭代次数是因为扰动值的大小δ₀不同时所需的迭代次数不同，根据对比例2可知对某一种方法可以找出一个确定的δ₀使其迭代次数最小，图3中展示的就是图2中最小迭代次数所对应的δ₀值。其中对比例1为背景技术中U.Madhow等在“Scalable feedback control for distributed beamforming in sensornetworks”文章中提出的1bit反馈方法；对比例2为背景技术中John S.Thompson等在“Improving the One-bit Feedback Algorithm for Distributed Beamforming”文章中提出的1bit反馈方法。

由图2可知，本发明达到给定RSS门限值所需的最小迭代次数最小，也即本发明的收敛速度最快，为了更直观的看出本发明的性能改进可以根据公式(7)，近似算出本发明相对对比例1和对比例2在收敛速度上的增益：

其中公式(7)中，v₁(RSS)、v₂(RSS)和v₃(RSS)分别表示本发明实施例、对比例2和对比例1的收敛速度，ρ₁(RSS)和ρ₂(RSS)表示的是本发明相对于对比例2和对比例1的收敛速度的增益，它们与对应的收敛所需的最小迭代次数和成反比，即

本发明实施例相对于对比例1和对比例2的方法收敛速度的增益如图4所示，其中ρ₁(RSS)表示本发明实施例相对于对比例2方法的收敛速度的增益，ρ₂(RSS)表示本发明实施例相对于对比例1方法的收敛速度的增益。由图4可知，RSS在70到99之间，本发明提出的方法相对于对比例2的方法增益至少为10％最大接近30％，增益基本是随着RSS的门限值的增加而递增的，本发明方法相对于对比例1的方法的增益至少为35％最高可达55％。

Claims

1.一种基于方向扰动的1bit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＝0，θ_i[m]＝θ_i,init，ε_i[m]＝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的最大值初始化为0，即R_best[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个协作节点发送的x[n]的副本经过信道和噪声的影响产生的y[n]：

<mrow> <mi>y</mi> <mo>&lsqb;</mo> <mi>n</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>=</mo> <mi>x</mi> <mo>&lsqb;</mo> <mi>n</mi> <mo>&rsqb;</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>h</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&lsqb;</mo> <mi>n</mi> <mo>&rsqb;</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <msub> <mi>j&phi;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&lsqb;</mo> <mi>m</mi> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <mi>&omega;</mi> <mo>&lsqb;</mo> <mi>n</mi> <mo>&rsqb;</mo> </mrow>

其中，y[n]为接收节点接收到的基带信号；表示从第i个协作节点到接收节点信道造成的幅度和相位的变化，ω[n]为均值为0、方差为的复加性高斯白噪声；φ_i[m]是协作节点i发送信号的相位偏移，它由两部分构成：φ_i[m]＝r_i+θ_i[m]，其中，r_i表示协作节点i的自身相位偏移，θ_i[m]表示协作节点i发送时附加的相位权值；

接收节点接收到的信号强度的计算表达式为：

<mrow> <mi>R</mi> <mo>&lsqb;</mo> <mi>m</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>L</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi> </munderover> <mo>|</mo> <mi>y</mi> <mo>&lsqb;</mo> <mi>n</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&psi;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&lsqb;</mo> <mi>m</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msup> <mo>|</mo> </mrow>

根据上式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]＞R_best[m]，则向协作节点广播1bit控制信息1，若R[m]≤R_best[m]，则向协作节点广播1bit控制信息0；

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。