CN113242074A - 一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法，属于通讯技术领域。N个节点相位初始化使接收端计算信号强度；将节点相位替换为多个离散相位值并分别发送公共信息到接收端，获取当前信号强度，若信号增强则更新信号强度和节点相位值；采用不同的扰动因子步长和方向因子发送公共消息到接收端，接收端计算信号强度和方向评分，基于强度阈值和方向评分调整方向因子和扰动，直至迭代满足指定次数或者信号强度满足设定条件，可以在较少迭代间隙内完成协作波束形成的相位同步，使得不同位置的协作节点发送公共消息到接收端的相位实现一致，保持优质的接收端信号强度。

Description

一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法。
背景技术
波束成形技术是用于通信网络中信号的定向发送和接收，其最初来源于多天线技术，并与数字通信技术结合，可以通过多天线阵列发送相同的信息，在接收端经过处理后将多路信号进行合成，得到所需的理想数据信号，因而这种技术很好的利用了空间分集和冗余性，能实现高能效的数据传输。分布式协作波束形成(Distributed Collaborativebeamforming,DCBF)技术就是应用在无线传感器网络中。
分布式协作波束成形(DCBF)是协作通信的一个分支，基本思想是：随机放置的独立节点彼此协作以在无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)中形成虚拟天线阵列。DCBF是一个相对较新的研究课题，在过去的十年中只引起了无线通信研究人员的兴趣。与点对点传输相比，DCBF在接收到的信噪比(SNR)中提供增益。在每个天线元件(称为协作节点)处具有固定的辐射功率的情况下，具有N个协作节点的理想DCBF将导致目标接收功率的N2倍增益。相反，对于固定的接收功率阈值，接收功率可以减小1/N2。无线传感器网络中的协作通信可以延长传感器节点的使用寿命，这一优点使得DCBF对于具有关键资源和电池寿命低的传感器非常有用，特别是对于一些网络部署在难以更换或为电源充电的地方的应用中。而且DCBF有助于缓解WSN的一个短板：在不适合布局汇聚节点和多跳传输的情况下的长距离传输限制。
异步协作波束成形，即由于传输节点的不同在频率、时间、相位上存在偏差而采用的波束成形。每个传输节点是作为单独的发送端进行同时发送的，这样容易使不同节点发送的相位到接收端不一致，使得信号减弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法，旨在解决不同节点发送的相位到接收端不一致会使信号减弱的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法，包括：N个节点相位初始化使接收端计算归一化信号强度NRSSmax；
将节点相位替换为多个离散相位值并分别发送公共信息到接收端，获取当前信号强度NRSS，若信号增强则更新信号强度和节点相位值；
采用不同的扰动因子步长和方向因子发送公共消息到接收端，接收端计算信号强度NRSS和方向评分J，基于强度阈值NRSSlimit和方向评分J调整方向因子和扰动，直至迭代满足指定次数或者信号强度满足设定条件，其中方向评分公式为：
Figure BDA0003002100340000021
其中，所述N个节点相位初始化使接收端计算信号强度NRSSmax的具体步骤是：
N个节点相位初始化为0后保存，并同时发送公共消息到接收端；
接收端接收公共消息计算并保存归一化信号强度NRSSmax。
其中，所述将节点相位替换为多个离散相位值并分别发送公共信息到接收端，获取当前信号强度NRSS，若信号增强则更新信号强度和节点相位值的步骤是：
将节点1发射相位值设置为2π/3和4π/3；
基于不同的发射相位值将接收端接收当前信号强度NRSS与信号强度NRSSmax比较，若信号强度增强则更新当前节点保存的节点相位值，并将当前信号强度NRSS覆盖信号强度NRSSmax
依次遍历每个节点，并对节点相位值和信号强度NRSSmax比较进行更新，直至N个节点遍历完成。
其中，所述采用不同的扰动因子步长和方向因子发送公共消息到接收端，接收端计算信号强度和方向评分，基于强度阈值和方向评分调整方向因子和扰动，直至迭代满足指定次数或者信号强度满足设定条件的具体步骤是：
令各节点方向因子为0，扰动因子使用步长α＝αmore，各节点独立产生随机扰动，各节点发送公共信息，接收端接收信号并计算归一化信号强度NRSS和方向评分J，根据强度阈值NRSSlimit和评分标准Jlimit返回结果；
令α＝αmore方向因子为0，各节点独立产生随机扰动，重复上述迭代过程，直到满足指定次数或者信号强度满足设定条件。
其中，所述根据强度阈值NRSSlimit和评分标准Jlimit返回结果具体包括：NRSS＜NRSSmax时，返回00，舍弃本次扰动，更新方向因子为本次扰动的反方向，重复本步骤；
NRSSmax＜NRSS＜NRSSlimit,J＜Jlimit,时，返回01，保留本次调整，方向因子不变，重复本步骤；
NRSSmax＜NRSS＜NRSSlimit,J≥Jlimit,时，返回10，保留本次调整且更新方向因子为原方向因子和扰动因子的和，重复本步骤；
NRSS＞NRSSmax且NRSS＞NRSSlimit时，进入下一步骤。
本发明的一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法，包括：N个节点相位初始化使接收端计算信号强度；将节点相位替换为多个离散相位值并分别发送公共信息到接收端，获取当前信号强度，若信号增强则更新信号强度和节点相位值；采用不同的扰动因子步长和方向因子发送公共消息到接收端，接收端计算信号强度和方向评分，基于强度阈值和方向评分调整方向因子和扰动，直至迭代满足指定次数或者信号强度满足设定条件，可以在较少迭代间隙内完成协作波束形成的相位同步，使得不同位置的协作节点发送公共消息到接收端的相位实现一致，保持优质的接收端信号强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法的流程图；
图2是本发明的N个节点相位初始化使接收端计算信号强度的流程图；
图3是本发明的将节点相位替换为多个离散相位值并分别发送公共信息到接收端，获取当前信号强度NRSS，若信号增强则更新信号强度和节点相位值的流程图；
图4是采用不同的扰动因子步长和方向因子发送公共消息到接收端，接收端计算信号强度NRSS和方向评分J，基于强度阈值NRSSlimit和方向评分J调整方向因子和扰动，直至迭代满足指定次数或者信号强度满足设定条件的流程图；
图5是本发明与传统方法以及携带方向因子的1-bit方法性能比较图；
图6是本发明与传统方法以及携带方向因子的最终信号强度比较图。
1-1-bit经典方法、2-2-bit经典方法、3-符号扰动方法1、4-符号扰动方法2、5-本文方法。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1～图6，本发明提供一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法：包括：
S101N个节点相位初始化使接收端计算归一化信号强度NRSSmax；
具体包括：
S201N个节点相位初始化为0后保存，并同时发送公共消息到接收端；
S202接收端接收公共消息计算并保存归一化信号强度NRSSmax。
将每个节点初始化并协同发送信号到接收端，接收端计算初始的归一化信号强度并保存为NRSSmax。
S102将节点相位替换为多个离散相位值并分别发送公共信息到接收端，获取当前信号强度NRSS，若信号增强则更新信号强度和节点相位值；
具体包括：
S301将节点1发射相位值设置为2π/3和4π/3；
S302基于不同的发射相位值将接收端接收当前信号强度NRSS与信号强度NRSSmax比较，若信号强度增强则更新当前节点保存的节点相位值，并将当前信号强度NRSS覆盖信号强度NRSSmax；
S303依次遍历每个节点，并对节点相位值和信号强度NRSSmax比较进行更新，直至N个节点遍历完成。
完成第一步的离散逼近过程，快速减小各协作节点的到达相位误差，提高接收端信号强度。假设为每个节点的初始相位提供一个相位集合，将[0,2π)均匀划分为3个离散点{0,2π/3,4π/3}，即每个协作节点有3种可能的初始相位。第一步针对每个节点独立选择相位，选择局部最优组合，此时对节点1进行离散逼近比较。
令当前节点发射尝试相位为2π/3，其他节点相位保持不变，协同向接收端发送公共消息，接收端计算归一化信号强度并与NRSSmax比较，信号强度增强则保留当前节点的尝试相位，并更新接收端NRSSmax，否则舍弃本次尝试；
令当前节点发射尝试相位为4π/3，其他节点相位保持不变，协同向接收端发送公共消息，接收端计算归一化信号强度并与NRSSmax比较，信号强度增强则保留当前节点的尝试相位，并更新接收端NRSSmax，否则舍弃本次尝试；
保留当前节点的相位，进入下一节点，重复以上步骤，直至N个节点全部遍历完成。
因此每个节点相位初始值为0，有2个离散尝试值，经过2N个时隙的调整后，结束第一步离散取值的逼近过程。
S103采用不同的扰动因子步长和方向因子发送公共消息到接收端，接收端计算信号强度NRSS和方向评分J，基于强度阈值NRSSlimit和方向评分J调整方向因子和扰动，直至迭代满足指定次数或者信号强度满足设定条件，其中方向评分公式为：
Figure BDA0003002100340000051
具体步骤为：
S401令各节点方向因子为0，扰动因子使用步长α＝αmore，各节点独立产生随机扰动，各节点发送公共信息，接收端接收信号并计算归一化信号强度NRSS和方向评分，根据强度阈值NRSSlimit和评分标准Jlimit返回结果；
S402令α＝αless，方向因子为0，各节点独立产生随机扰动，重复上述迭代过程，直到满足指定次数或者信号强度满足设定条件。
这一步是进入第二步的2-bit反馈迭代过程，每次迭代的相位表达式如下：
θi[n]＝Φi[n-1]+δi[n]+γi[n]
其中，n记录当前的迭代次数，θi[n]表示第n次迭代时第i个天线发送信号的初始相位，Φi[n]表示第n次迭代接收到反馈判断后第i个天线最终确定的相位，δi[n]代表第n次迭代第i根天线在相位上的随机扰动，γi[n]代表第n次迭代第i根天线的方向因子，被认为是一个指向正确方向的相位，初始时为0。
初始令各节点方向因子为0，扰动因子使用人为设置的较大步长α＝αmore，各协作节点独立产生步长范围内的随机扰动，各节点发送公共信息，接收端接收信号并计算归一化信号强度和方向评分：
Figure BDA0003002100340000061
根据接收端的信号强度NRSS和方向评分J返回对应反馈如下：
反馈信息‘00’：NRSS＜NRSSmax时，表示接收端计算本次迭代信号强度衰减，返回‘00’负反馈信息，代表本次试探无效，舍弃本次扰动，更新方向因子为本次扰动的反方向，重复S401。
反馈信息‘01’：NRSSmax＜NRSS＜NRSSlimit,J＜Jlimit,时，表示信号强度有效增强，但仍然低于需要细调节的水平，接收端方向评分未超过阈值。返回‘01’正反馈信息，则保留本次调整即可，方向因子不变，重复S401。
反馈信息‘10’：NRSSmax＜NRSS＜NRSSlimit,J≥Jlimit,时，表示信号强度有效增强且低于细调节水平，接收端方向评分超过人为规定阈值，本次调整方向效果优秀。返回‘10’正反馈信息，保留本次调整且更方向因子为原方向因子和扰动因子的和，重复S401。
反馈信息‘11’：NRSS＞NRSSmax且NRSS＞NRSSlimit时，表示本次调整有效，信号强度已经较为理想，需要调整步长，进入S402。
Figure BDA0003002100340000071
将步长为较小步长αless，方向因子为0，各节点独立产生随机扰动，重复迭代过程，直到满足指定次数或者信号强度满足人为设定条件即可。
图5和图6为本文方法和其他方法的比较图，可以发现本文方法具有良好的接收信号归一化强度，相比其他方法更有优势。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法，其特征在于，
包括：N个节点相位初始化使接收端计算归一化信号强度NRSSmax；
将节点相位替换为多个离散相位值并分别发送公共信息到接收端，获取当前信号强度NRSS，若信号增强则更新信号强度和节点相位值；
采用不同的扰动因子步长和方向因子发送公共消息到接收端，接收端计算信号强度NRSS和方向评分J，基于强度阈值NRSSlimit和方向评分J调整方向因子和扰动，直至迭代满足指定次数或者信号强度满足设定条件，其中方向评分公式为：
Figure FDA0003002100330000011
2.如权利要求1所述的一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法，其特征在于，
所述N个节点相位初始化使接收端计算信号强度NRSSmax的具体步骤是：
N个节点相位初始化为0后保存，并同时发送公共消息到接收端；
接收端接收公共消息计算并保存归一化信号强度NRSSmax。
3.如权利要求1所述的一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法，其特征在于，
所述将节点相位替换为多个离散相位值并分别发送公共信息到接收端，获取当前信号强度NRSS，若信号增强则更新信号强度和节点相位值的步骤是：
将节点1发射相位值设置为2π/3和4π/3；
基于不同的发射相位值将接收端接收当前信号强度NRSS与信号强度NRSSmax比较，若信号强度增强则更新当前节点保存的节点相位值，并将当前信号强度NRSS覆盖信号强度NRSSmax
依次遍历每个节点，并对节点相位值和信号强度NRSSmax比较进行更新，直至N个节点遍历完成。
4.如权利要求1所述的一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法，其特征在于，
所述采用不同的扰动因子步长和方向因子发送公共消息到接收端，接收端计算信号强度和方向评分，基于强度阈值和方向评分调整方向因子和扰动，直至迭代满足指定次数或者信号强度满足设定条件的具体步骤是：
令各节点方向因子为0，扰动因子使用步长α＝αmore，各节点独立产生随机扰动，各节点发送公共信息，接收端接收信号并计算归一化信号强度NRSS和方向评分J，根据强度阈值NRSSlimit和评分标准Jlimit返回结果；
令α＝αmore方向因子为0，各节点独立产生随机扰动，重复上述迭代过程，直到满足指定次数或者信号强度满足设定条件。
5.如权利要求4所述的一种两步法2bit反馈迭代的协作波束形成相位同步方法，其特征在于，
所述根据强度阈值NRSSlimit和评分标准Jlimit返回结果具体包括：
NRSS＜NRSSmax时，返回00，舍弃本次扰动，更新方向因子为本次扰动的反方向，重复本步骤；
NRSSmax＜NRSS＜NRSSlimit,J＜Jlimit,时，返回01，保留本次调整，方向因子不变，重复本步骤；
NRSSmax＜NRSS＜NRSSlimit,J≥Jlimit,时，返回10，保留本次调整且更新方向因子为原方向因子和扰动因子的和，重复本步骤；
NRSS＞NRSSmax且NRSS＞NRSSlimit时，进入下一步骤。
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CN113242074B (zh) 2022-06-03

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