CN105827296A - 一种基于2bit反馈协作波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于2bit反馈协作波束成形方法，充分利用反馈控制信息对接收信号强度的监控与扰动幅值的选取，最大化加快系统收敛速度。当RSS较小时，即距离系统要求值较远时，扰动步长取大值Λ₁，有利于加快收敛速度；当RSS增大后，即距离系统要求值较小时，扰动步长取小值Λ₂，有利于减少错误扰动的次数。同时当随机扰动失效时，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。本发明通过加强对RSS的监控来选择不同的扰动步长，使收敛过程更具智能性，需要快速收敛的地方加快收敛，需要精确控制的地方加大力度，使得该2bit反馈算法适用于多种场景，反馈系统的收敛速度显著提高。

Description

一种基于2bit反馈协作波束成形方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及基于2bit反馈协作波束成形技术。

技术背景

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。

波束成形适用于多天线系统，尤其在MIMO系统中。尽管MIMO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，MIMO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，即“协作通信”成为了一个很有效的代替技术。

协作波束成形也被称为分布式波束成形(DistributedBeamforming)或网络波束成形(NetworkBeamforming)。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。

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，其中基于有限反馈的协作波束成形是研究得比较多的一种方法。

下列文献介绍了现有的基于有限反馈协作波束成形方法：

[1]MudumbaiR,HespanhaJ,MadhowU,etal.Scalablefeedbackcontrolfordistributedbeamforminginsensornetworks[C]//InformationTheory,2005.ISIT2005.Proceedings.InternationalSymposiumon.IEEE,2005:137-141.

[2]SongS,ThompsonJS,ChungPJ,etal.Improvingtheone-bitfeedbackalgorithmfordistributedbeamforming[C]//WirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC),2010IEEE.IEEE,2010:1-6.

[3]SongS,ThompsonJS.One-bitfeedbackalgorithmwithdecreasingstepsizefordistributedbeamforming[C]//CognitiveWirelessSystems(UKIWCWS),2010SecondUK-India-IDRCInternationalWorkshopon.IEEE,2010:1-5.

[4]专利“一种基于方向扰动的1bit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.

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1bit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

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2bit反馈波束成形方法。

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2bit反馈协作波束成形方法，包括以下步骤：

步骤1：时隙n协作节点i使用自适应相位权值φ_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φ_i[n]＝θ_i[n]+δ_i[n]+τ_i[n]；θ_i[n]为协作节点i在时隙n的相位权值、δ_i[n]为协作节点i在时隙n的扰动幅值、τ_i[n]为协作节点i在时隙n的校正因子；之后，进入步骤2；

步骤2：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RSS[n]，并将其分别与本地记录的最大接收信号强度值RSS_best[n]、系统要求中间值Γ进行比较，若RSS[n]>RSS_best[n]，表明该时隙成功扰动，目的节点给所有协作节点反馈1bit第一控制信息b₀＝1；若RSS[n]≤RSS_best[n]，目的节点给所有协作节点反馈1bit第一控制信息b₀＝0；若RSS[n]>Γ，表明RSS快达到系统要求的值，此时目的节点给所有协作节点反馈1bit第二控制信息b₁＝1；若RSS[n]≤Γ，表明RSS距离系统要求的值较远，此时目的节点给所有协作节点反馈1bit第二控制信息b₁＝0，Γ取值在系统要求值与0之间；之后，进入步骤3；

步骤3：协作节点接收时隙n的反馈的控制信息，并根据第一控制信息调整时隙n+1的相位权值θ_i[n+1]与校正因子τ_i[n+1]，同时根据第二控制信息选取随机扰动的步长δ₀：根据反馈的第一控制信息b₀更新下一时隙n+1的相位权值，若b₀＝1，相位权值θ_i[n+1]更新为上一时隙的自适应相位权值，即θ_i[n+1]＝φ_i[n]＝θ_i[n]+δ_i[n]+τ_i[n]，校正因子τ_i[n+1]赋值为0；若b₀＝1，相位权值保持不变θ_i[n+1]＝θ_i[n]，校正因子更新为上一时隙扰动幅值的相反数，即τ_i[n+1]＝-δ_i[n]；同时根据反馈第二控制信息b₁来选取随机扰动的步长，若b₁＝1，随机扰动步长δ₀＝Λ₂；若b₁＝0，随机扰动步长δ₀＝Λ₁，Λ₁>Λ₂；之后，进入步骤4；

步骤4：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+1，返回步骤1。

本发明充分利用反馈控制信息对接收信号强度的监控与扰动幅值的选取，最大化加快系统收敛速度。当RSS较小时，即距离系统要求值较远时，扰动步长取大值Λ₁，有利于加快收敛速度；当RSS增大后，即距离系统要求值较小时，扰动步长取小值Λ₂，有利于减少错误扰动的次数。同时当随机扰动失效时，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。

本发明的有益效果是，通过加强对RSS的监控来选择不同的扰动步长，使收敛过程更具智能性，需要快速收敛的地方加快收敛，需要精确控制的地方加大力度，使得该2bit反馈算法适用于多种场景，反馈系统的收敛速度显著提高。

附图说明

图1是本发明的系统模型图；

图2是本发明实施例和对比例在δ₀＝π/25收敛速度对比图；

图3是本发明实施例和对比例在δ₀＝π/100收敛速度对比图；

图4是本发明实施例和对比例在δ₀＝π/200收敛速度对比图；

具体实施方式

本发明基于2bit反馈协作波束成形的方法包含以下步骤：

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。

步骤2：系统参数初始化：设n代表时隙，初始时隙n＝n_init，且θ_i[n]＝θ_i-init，δ_i[n]＝±δ₀，τ_i[n]＝τ_i-init，RSS[n]＝RSS_i-init≥0，其中n_init，θ_i-init，τ_i-init，RSS_i-init均为初始值。θ_i[n]是协作节点i在时隙n的相位权值；δ_i[n]是协作节点i在时隙n的扰动幅值，且等概率取值±δ₀；τ_i[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(ReceivedSignalStrength)。

步骤3：调节参数设定：目标节点设置最大接受信号强度值RSS_best[n]与系统要求中间值Γ，Γ设置在系统要求值与0之间；协作节点随机扰动幅值δ₀两个选择，即δ₀∈{Λ₁,Λ₂|Λ₁>Λ₂}反馈信息含2bit信息，即b₁b₀，其中b₀表示本次扰动是否成功，b₁表示RSS所处的阶段；本实施例中因为每个协作节点对接收信号强度RSS的贡献值为1，所以系统要求值等于系统中协作节点的总个数。

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φ_i[n]＝θ_i[n]+δ_i[n]+τ_i[n]。

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，同时判断此时RSS[n]所处阶段。若RSS[n]>RSS_best[n]，表明该时隙成功扰动，目的节点给所有协作节点反馈1bit控制信息b₀＝1；若RSS[n]≤RSS_best[n]，目的节点给所有协作节点反馈1bit控制信息b₀＝0；若RSS[n]>Γ，表明RSS快达到系统要求值，此时目的节点给所有协作节点反馈1bit控制信息b₁＝1；若RSS[n]≤Γ，表明RSS距离系统要求值较远，此时目的节点给所有协作节点反馈1bit控制信息b₁＝0。

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。根据反馈的控制信息b₀来更新下一时隙的相位权值，若b₀＝1，相位权值更新为上一时隙的自适应相位权值，即θ_i[n+1]＝φ_i[n]＝θ_i[n]+δ_i[n]+τ_i[n]，校正因子赋值为0；若b₀＝0，协作节点的相位权值保持不变，有θ_i[n+1]＝θ_i[n]，校正因子更新为上一时隙扰动幅值的相反数，有τ_i[n+1]＝-δ_i[n]。同时根据反馈控制信息b₁来选取随机扰动的步长值，若b₁＝1，随机扰动步长δ₀＝Λ₂；若b₁＝0，随机扰动步长δ₀＝Λ₁。

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_best[n+1]＝max(RSS[n],RSS_best[n])，同时检测接收信号强度的最大值RSS_best[n+1]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4-6。

以上步骤可以归纳如下：

接收端：

1、目标节点测量RSS并更新RSS_best：

如果RSS[n]>RSS_best[n]，则RSS_best[n+1]＝RSS[n]；

如果RSS[n]≤RSS_best[n]，则RSS_best[n+1]＝RSS_best[n]；

2、目标节点更新2bit控制信息b₀，b₁：

如果RSS[n]>RSS_best[n]，则b₀＝1；否则，b₀＝0；

如果RSS[n]>Γ，则b₁＝1；否则，b₁＝0；

发送端：

3、协作节点根据反馈信息b₀调整发射相位权值：

如果b₀＝1，则θ_i[n+1]＝φ_i[n]＝θ_i[n]+δ_i[n]+τ_i[n]，τ_i[n]＝0；

如果b₀＝0，则θ_i[n+1]＝θ_i[n]，τ_i[n+1]＝-δ_i[n]；

4、协作节点根据反馈信息b₁调整随机扰动步长：

如果b₁＝1，则随机步长δ₀＝Λ₂；

如果b₁＝0，则随机步长δ₀＝Λ₁；

以时隙为单位重复以上步骤。

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。

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，100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。

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＝100；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。

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θ_i[n]＝θ_i-init＝0,i＝1,2,…100；协作节点的校正因子初始值为0，即τ_i[n]＝τ_i-init＝0,i＝1,2,…100；协作节点的随机扰动值有δ_i[n]＝±δ₀,i＝1,2,…100；目的节点接受信号强度最大值为0，即RSS_best＝0。

调节参数对系统的整体性能有至关重要的作用，因此必须慎重选取。通过若干次仿真与实际操作，此案例中系统要求中间值Γ＝80，随机扰动步长取值{Λ₁,Λ₂}＝{π/25,π/100}。

至此系统搭建完毕，下面将提供基于2bit反馈波束成形方法的实施步骤，如下：

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δ_i[n],i＝1,2,…100，且等概率取值±δ₀。根据上一时隙反馈的控制信息生成校正因子τ_i[n],i＝1,2,…100。于是，自适应相位权值为φ_i[n]＝θ_i[n]+δ_i[n]+τ_i[n],i＝1,2,…100，各个协作节点将其作为该时隙的发送相位。

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i＝1,2…100。

步骤3：目的节点接收经过高斯信道的波束信号r[n]：

公式(1)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a_i表示信道幅度，表示信道相位；γ_i表示非理想同步的相位影响；ω[n]表示高斯白噪声信号，且ω[n]～N(0,σ²)。因此与单天线相比，波束成形的信号增益可表示为：

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]。i＝1,2…100表示协作节点i到目标节点的相位偏移。当相位偏移满足Φ₁[n]＝Φ₂[n]＝…＝Φ₁₀₀[n]时，接收信号强度值最大：

$R\[n\]=\left|\underset{i=1}{\overset{100}{\Σ}}{a}_i{e}^{{\mathrm{j\Φ}}_i\[n\]}\right|\≤\underset{i=1}{\overset{100}{\Σ}}{a}_i---\left(3\right)$

由于系统信道为渐变信道，γ_i与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θ_i[n]，使接收信号强度最强。

步骤4：时隙n，目的节点计算接受信号强度RSS[n]，并与RSS_best[n]比较：若RSS[n]>RSS_best[n]，表明该时隙扰动成功，目的节点向协作节点广播1bit控制信息b₀＝1；若RSS[n]≤RSS_best[n]，表明该时隙扰动失败，目的节点向协作节点广播1bit控制信息b₀＝0。同时目的节点比较接收信号强度RSS[n]与系统要求中间值Γ的大小，若RSS[n]>Γ，表明RSS接近系统要求值，此时目的节点给所有协作节点反馈1bit控制信息b₁＝1；若RSS[n]≤Γ，表明RSS距离系统要求值较远，此时目的节点给所有协作节点反馈1bit控制信息b₁＝0。

步骤5：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。根据反馈的控制信息b₀来更新下一时隙的相位权值，若b₀＝1，相位权值更新为上一时隙的自适应相位权值，即θ_i[n+1]＝φ_i[n]＝θ_i[n]+δ_i[n]+τ_i[n]，校正因子赋值为0；若b₀＝0，协作节点的相位权值保持不变，有θ_i[n+1]＝θ_i[n]，校正因子更新为上一时隙扰动幅值的相反数，有τ_i[n+1]＝-δ_i[n]。同时根据反馈控制信息b₁来选取随机扰动的步长值，若b₁＝1，随机扰动步长δ₀＝Λ₂；若b₁＝0，随机扰动步长δ₀＝Λ₁。

步骤6：目标节点更新接收信号强度的最大值，数学表达式为RSS_best[n+1]＝max(RSS[n],RSS_best[n])，同时检测接收信号强度的最大值RSS_best[n+1]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1-5。

上述案例属于众多场景中的一种情况，下面将以此为基础并对附图加以说明：

图1是本发明的系统模型图，100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示意图；b₁b₀是反馈的2bit控制信息。

图2给出了2bit算法与四种不同1bit反馈协作波束成形机制在随机扰动幅值δ₀＝π/25的收敛过程，观察可知，本发明在500个时隙后的收敛速度明显好于四种1bit算法，并且最先到达系统最低要求。

图3给出了2bit算法与四种不同1bit反馈协作波束成形机制在随机扰动幅值δ₀＝π/100的收敛过程，观察可知，在100时隙附近本发明的收敛速度优势就较为明显，并且最先达到系统的最低要求。

图4给出了2bit算法与四种不同1bit反馈协作波束成形机制在随机扰动幅值δ₀＝π/200的收敛过程，观察可知，几乎在0时隙本发明的收敛速度就领先其它四种算法，并且最先到达系统最低要求。

综上所述，本发明适用场景比较广泛，既适用于1bit反馈机制下较大的随机扰动，又适用于1bit反馈机制下较小的随机扰动，克服了不同场景下对随机扰动步长调整的麻烦，同时收敛性能明显好于已有四种1bit算法，所以本发明相比于现有算法的优势是收敛速度快和适用范围广。

Claims (4)

1.一种基于2bit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n协作节点i使用自适应相位权值φ_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φ_i[n]＝θ_i[n]+δ_i[n]+τ_i[n]；θ_i[n]为协作节点i在时隙n的相位权值、δ_i[n]为协作节点i在时隙n的扰动幅值、τ_i[n]为协作节点i在时隙n的校正因子；之后，进入步骤2；

步骤2：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RSS[n]，并将其分别与本地记录的最大接收信号强度值RSS_best[n]、系统要求中间值Γ进行比较，若RSS[n]>RSS_best[n]，表明该时隙成功扰动，目的节点给所有协作节点反馈1bit第一控制信息b₀＝1；若RSS[n]≤RSS_best[n]，表明该时隙扰动失败，目的节点给所有协作节点反馈1bit第一控制信息b₀＝0；若RSS[n]>Γ，表明RSS快达到系统要求值，此时目的节点给所有协作节点反馈1bit第二控制信息b₁＝1；若RSS[n]≤Γ，表明RSS距离系统要求的值较远，此时目的节点给所有协作节点反馈1bit第二控制信息b₁＝0，Γ取值在系统要求值与0之间；之后，进入步骤3；

步骤3：协作节点接收时隙n的反馈的控制信息，并根据第一控制信息调整时隙n+1的相位权值θ_i[n+1]与校正因子τ_i[n+1]，同时根据第二控制信息选取随机扰动的步长δ₀：根据反馈的第一控制信息b₀来更新下一时隙n+1的相位权值，若b₀＝1，相位权值θ_i[n+1]更新为上一时隙的自适应相位权值，即θ_i[n+1]＝φ_i[n]＝θ_i[n]+δ_i[n]+τ_i[n]，校正因子τ_i[n+1]赋值为0；若b₀＝0，相位权值保持不变θ_i[n+1]＝θ_i[n]，校正因子更新为上一时隙扰动幅值的相反数，即τ_i[n+1]＝-δ_i[n]；同时根据反馈第二控制信息b₁来选取随机扰动的步长，若b₁＝1，随机扰动步长δ₀＝Λ₂；若b₁＝0，随机扰动步长δ₀＝Λ₁，Λ₁>Λ₂；之后，进入步骤4；

步骤4：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+1，返回步骤1。

2.如权利要求1所述一种基于2bit反馈协作波束成形方法，其特征在于，协作节点i在时隙n的相位权值θ_i[n]的初值为0、δ_i[n]为协作节点i在时隙n的扰动幅值为±δ₀、协作节点i在时隙n的校正因子τ_i[n]为0。

3.如权利要求1所述一种基于2bit反馈协作波束成形方法，其特征在于，目标节点接收信号强度检测值Γ＝80，扰动幅值{Λ₁,Λ₂}＝{π/25,π/100}。

4.如权利要求1所述一种基于2bit反馈协作波束成形方法，其特征在于，时隙n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_best[n+1]＝max(RSS[n],RSS_best[n])，max表示取最大值，同时检测接收信号强度的最大值RSS_best[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+1。