一种分布式波束成形方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种分布式波束成形方法和系统，该方法包括：a）N个网络A源节点SoA和网络B目的节点DoB接收并估计网络A目的节点DoA广播的第一参考信号；b）N个SoA接收并估计DoB广播的第二参考信号；c）各SoA向其余SoA广播其通信状态信息，并筛选出最终参与波束成形的K个网络A源节点SoA

Distributed beam forming method and system

The present invention provides a distributed beamforming method and system, the method includes: a) N network A network B and SoA source node to destination node DoB receives the first reference signal and estimate the network destination A DoA radio; b) N SoA received and estimated second reference signal DoB radio; c) SoA to the rest of the SoA radio communication status information, and screened the participation in the K network A source node SoA beamforming

【技术实现步骤摘要】
一种分布式波束成形方法和系统
本专利技术涉及无线通信
，具体地，涉及一种分布式波束成形方法及系统。特别地，本专利技术适用于传感器网络、认知无线网络。
技术介绍
波束成形是这样一种技术，在该技术中，多个天线联合起来形成天线阵列，对同一信号进行发送，通过调节每根天线的波束成形加权系数，使得某些位置的接收端信号强度增加。波束成形技术可以提高信噪比、增加安全性、扩大通信范围。具体说，若保持信噪比相同，则N根全向天线在载波同步的情况下做波束成形所消耗的总能量仅为单根全向天线直接发送信号所消耗能量的1/N，因此采用波束成形技术能够大大地节省能量。或者说，在消耗相同总能量情况下，做波束成形能使信噪比提高N倍。在很多无线网络（如GSM网络、CDMA网络、LTE网络、传感器网络）中，通信终端通常很小且由电池供电，对能量消耗很敏感，因此，做波束成形是非常合适的。例如，在传感器网络中，由于通信终端非常小且功率受限，单个通信终端有时甚至不能将信号发送到较远的基站，需要多个通信终端做波束成形才能把信号发送给这些基站。波束成形分为集中式波束成形和分布式波束成形。在集中式波束成形中，做波束成形的多个天线处于一个设备上。例如，一个手机可配置多根天线来做波束成形。这种方法的优点是多个天线发送的信号具有相同的载波，很容易实现载波的同步，缺点是由于手机物理尺寸的限制，在单个手机上配置多个天线很难实现。在分布式波束成形中，做波束成形的多个天线处于不同的设备上。例如，一个手机可配置一根天线，将一群分散的手机联合起来形成虚拟的天线阵列来做波束成形。这种方法的优点是，每个设备只需要一根天线，很容易实现。但问题是，从每根天线发送的信号的载波并不相同，于是这些信号到达接收端时可能会相互抵消，从而降低信号接收端的接收信号强度。因此，在分布式波束成形中，需要考虑发送信号的设备的产生信号载波的本地时钟的同步问题。做分布式波束成形的各个通信设备的本地时钟不是全同的，这些本地时钟给出的时间彼此之间有偏差。具体说，做分布式波束成形的通信设备的本地时钟的时间可以表示为t=β(t0+Δ)，其中，t0为标准时钟的时间，β为该设备的本地时钟相对于标准时钟的偏差系数，Δ为该设备的本地时钟相对于标准时钟的固定偏差（参见E.Baghdady,R.Lincoln,andB.Nelin,“Short-termfrequencystability:Characterization,theory,andmeasurement”,Proc.IEEE,Vol.53,No.7,pp.704-722,Jul.1965）。这里，可以设任一参考设备的时钟为标准时钟，并且当通信时间很短时，Δ可以视为不随时间变化的常数。非专利文献1（D.R.BrownIIIandH.Y.Poor,"Time-slottedround-tripcarriersynchronizationfordistributedbeamforming",IEEETrans.onSignalProcessing,Vol.56,No.II,pp.5630-5643,November2008）提出了一种分布式波束成形的载波同步方法，图1示意地示出了该分布式波束成形的载波同步方法。具体地说，图1示出了一个网络A，网络A中的N个通信设备SoA1～SoAN联合起来做分布式波束成形，这些通信设备为网络A源节点（sourcenodeofnetworkA，SoA），而网络A中接收波束成形信号的通信设备DoA为网络A目的节点（destinationnodeofnetworkA，DoA）。为了使SoA1～SoAN发出的信号在到达DoA时形成相干叠加，在SoA1～SoAN发射信号之前，需要对信号载波进行同步。在图1所示的分布式波束成形的载波同步方法中，首先，在第一阶段，在时隙1中，DoA向所有的SoA（即SoA1～SoAN）广播一个参考信号其中，DoA的时钟可设为标准时钟，其时间用t0表示，ω0、分别为参考信号在该时钟系统下的频率和相位。SoAi（i=1～N）接收到该参考信号后根据自己的本地时钟ti=βi(t0+Δi)估计出该参考信号的频率和相位ωi1、并将其存储起来。接着，在第二阶段，在时隙2中，SoA1根据其对所述参考信号估计出的频率ω11和相位形成下行传递信号并将其发送给SoA2，SoA2收到该信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ω22和相位并存储起来。接着，在时隙3中，SoA2根据频率ω22和相位形成新的下行传递信号并将其发送给SoA3，SoA3收到该下行传递信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ω32和相位并存储起来。如此按SoA1→SoA2→…→SoAN的顺序进行下去，在时隙N中，SoAN-1根据频率ω(N-1)2和相位形成新的下行传递信号并将其发送给SoAN，SoAN收到该信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ωN2和相位并存储起来。然后，在第三阶段，在时隙（N+1）中，SoAN根据其对所述参考信号所估计出的频率ωN1和相位形成上行传递信号并将其发送给SoAN-1，SoAN-1收到该信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ω(N-1)3和相位并存储起来。接着，在时隙（N+2）中，SoAN-1根据频率ω(N-1)3和相位形成新的上行传递信号并将其发送给SoAN-2，SoAN-2收到该信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ω(N-2)3和相位并存储起来。如此按SoAN→SoAN-1→…→SoA1的顺序进行下去，在时隙2N-1中，SoA2根据频率ω23和相位形成新的上行传递信号并将其发送给SoA1，SoA1收到该信号后根据自己的本地时钟估计出该信号的频率ω13和相位并存储起来。经过上述三个阶段的通信后，每个SoA保存有三组频率和相位，即，SoAi（i=1～N）保存有估计出的所述参考信号的频率ωi1和相位所述下行传递信号的频率ωi2和相位以及所述上行传递信号的频率ωi3和相位各个SoA根据这三组频率和相位可以计算出其进行波束成形时所使用载波的频率和相位。最后，在时隙2N中，SoAi（i=1～N）进行波束成形。上述方法的优点是，接收波束成形信号的DoA只需向发送波束成形信号的SoA1～SoAN发送一个参考信号，就可使SoA1～SoAN在彼此通信的基础上确定做波束成形时所使用的载波的频率和相位。当DoA与SoA1～SoAN之间通信代价远大于SoA1～SoAN彼此之间的通信代价时（例如前面提到的传感器网络的情形），采用这种方法进行载波同步是非常合适的。在更为复杂的情形中，做分布式波束成形时不仅要考虑使波束成形信号在某些位置处强度增加，同时还要考虑使波束成形信号在另一些位置处强度减弱。例如，在传统无线通信网络和认知无线网络并存的网络中，传统无线通信网络构成主网络（称为网络B），认知无线网络构成次网络（例如上述网络A）。为了有效地利用频谱资源，认知无线网络要与传统无线通信网络共享频谱资源。通常，共享频谱资源的方法有两种，一种方法称作机会频谱接入（OpportunisticSpectrumAccess，OSA），即，次网络寻找主网络暂不使用的频谱资源，并利用这些闲置的频谱资源来通信；另一种方法称作并行频谱接入（Concurr本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式波束成形方法，包括：a)网络A目的节点DoA向要做分布式波束成形的N个网络A源节点SoA

【技术特征摘要】
1.一种分布式波束成形方法，包括：a)网络A目的节点DoA向要做分布式波束成形的N个网络A源节点SoAi(i＝1～N)以及向网络B目的节点DoB广播第一参考信号，SoAi(i＝1～N)和DoB接收到第一参考信号后根据自己的本地时钟分别估计出该第一参考信号的特征量的值；b)DoB根据自己估计出的第一参考信号的特征量的值形成第二参考信号，并向SoAi(i＝1～N)广播第二参考信号，SoAi(i＝1～N)接收到第二参考信号后根据自己的本地时钟分别估计出该第二参考信号的特征量的值；c)SoAi(i＝1～N)中的每个SoA根据自己估计出的第一参考信号和第二参考信号的特征量的值形成自己的通信状态信息，并向其余的SoA广播该通信状态信息，每个SoA根据获得的所有SoA的通信状态信息按照同一算法筛选出最终参与波束成形的K个网络A源节点SoAK(m)(m＝1～K，K≤N)；d)SoAK(1)根据自己估计出的第二参考信号的特征量的值形成下行传递信号，并将该下行传递信号发送给SoAK(2)，然后，按SoAK(2)→SoAK(3)→…→SoAK(K-1)的顺序，每个SoA接收上一个SoA发送的下行传递信号、根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量的值、根据该下行传递信号的特征量的值形成新的下行传递信号并将该新的下行传递信号发送给下一个SoA，最后SoAK(K)接收SoAK(K-1)发送的下行传递信号，并根据自己的本地时钟估计出该下行传递信号的特征量的值；e)SoAK(K)根据自己估计出的第二参考信号的特征量的值形成上行传递信号，并将该上行传递信号发送给SoAK(K-1)，然后，按SoAK(K-1)→SoAK(K-2)→…→SoAK(2)的顺序，每个SoA接收下一个SoA发送的上行传递信号、根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量的值、根据该上行传递信号的特征量的值形成新的上行传递信号并将该新的上行传递信号发送给上一个SoA，最后SoAK(1)接收SoAK(2)发送的上行传递信号，并根据自己的本地时钟估计出该上行传递信号的特征量的值；f)SoAK(m)(m＝1～K)中的每个SoA根据自己在步骤a)、b)、d)、e)中获得的各信号的特征量的值计算出做波束成形时所用载波信号的特征量的值，并根据该载波信号的特征量的值形成载波来进行波束成形。2.如权利要求1所述的分布式波束成形方法，其中，SoAi(i＝1～N)的本地时钟为ti＝βi(t0+Δi)，DoB的本地时钟为tB＝βB(t0+ΔB)，其中，t0为DoA的时钟，βi为SoAi的本地时钟相对于DoA时钟的偏差系数，Δi为SoAi的本地时钟相对于DoA时钟的固定偏差，βB为DoB的本地时钟相对于DoA时钟的偏差系数，ΔB为DoB的本地时钟相对于DoA时钟的固定偏差。3.如权利要求2所述的分布式波束成形方法，其中，SoAK(m)(m＝1～K)在步骤a)、b)、d)、e)中获得的各信号的特征量的值至少包括：SoAK(m)所估计出的第一参考信号的相位的值、第二参考信号的频率ωK(m)2、相位和幅度aK(m)2的值、下行传递信号的频率ωK(m)4和相位的值、上行传递信号的频率ωK(m)5和相位的值，并且SoAK(m)做波束成形时所用载波信号的特征量包括频率ωK(m)、相位和幅度aK(m)，其值通过下述公式计算：(当主值∈[0，π)时)(当主值∈[-π,0)时)aK(m)＝1/aK(m)2。4.如权利要求2所述的分布式波束成形方法，其中，SoAi(i＝1～N)在步骤a)、b)中所估计出的第一参考信号和第二参考信号的特征量的值至少包括：第一参考信号的相位的值、第二参考信号的相位和幅度ai2的值，并且SoAi(i＝1～N)根据和ai2形成自己的通信状态信息。5.如权利要求4所述的分布式波束成形方法，其中，如果其中，Pi为SoAi的最大发射功率，则SoAi将自己的通信状态设为第一通信状态；如果且主值∈[0，π)，则SoAi将自己的通信状态设为第二通信状态；如果且主值∈[-π,0)，则SoAi将自己的通信状态设为第三通信状态。6.如权利要求5所述的分布式波束成形方法，其中，SoA...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭莉，张超，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11