分布式波束成形中的相位同步方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种分布式波束成形中的相位同步调整方法，包括：a）做分布式波束成形的N个网络A源节点（SoNA）依次发送检测信号；b）网络A目的节点（DoNA）接收该检测信号，并获得各检测信号的第一接收相位和接收信号强度；c）DoNA根据各检测信号的第一接收相位和接收信号强度计算各第一接收相位在同步调整后达到预定同步效果所需的第一相位调整量，并按从第1到第N再返回第1个SoNA的循环顺序以每次向一个SoNA发送一个单比特信号的方式向每个SoNA发送一组第一相位调整信号；d）每个SoNA根据第一相位调整信号调整该SoNA所发送的所述检测信号的发送相位。所述方法能够减少同步调整所需时间和所消耗的能量。

【技术实现步骤摘要】
分布式波束成形中的相位同步方法及系统
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中的相位同步方法及系统。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，同时，另一些位置的接收端信号强度减弱。波束成形技术可以提高信噪比、降低干扰、增加安全性、扩大通信范围。具体说，若保持信噪比相同，则N根全向天线在载波相位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。另外，做波束成形可以降低某些方向上的接收端的接收信号强度，从而可以降低对该方向接收端的干扰，同时也降低了该方向上信号被窃听的概率。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，很容易实现载波的相位同步，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信号的相位同步问题。图1是示意图，示出了一个无线通信网络中有两个无线子网络并存的情况。如图1所示，一个子网络可称作网络A，另一个子网络可称作网络B，其中，设网络A的一些通信设备联合起来做分布式波束成形，这些通信设备可称作网络A源节点（SoNA，sourcenodeofnetworkA），而网络A中接收波束成形信号的通信设备可称作网络A目的节点（DoNA，destinationnodeofnetworkA），网络B中接收波束成形信号的通信设备可称作网络B目的节点（DoNB，destinationnodeofnetworkB）。此时，SoNA发送的波束成形信号对于DoNA来说是希望接收到的信号，是有用信号，而对于DoNB来说是不希望接收到的信号，是干扰信号。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（即上述网络B），认知无线网络构成次网络（即上述网络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（ConcurrentSpectrumAccess，CSA），即，次网络和主网络使用共同的频谱，但次网络对主网络的干扰必须小于规定的值。在上述CSA情形中，既要求次网络能够实现正常的通信功能，并且尽可能减少能量消耗，又要求次网络尽量避免干扰主网络。波束成形用于次网络中正好能满足上述要求。当网络A中的某个SoNA要发送信号m(t)时，该SoNA会联合附近的N-1个SoNA做波束成形，对信号m(t)进行发送。下面以调幅方式为例进行说明。设N个SoNA通过调幅的方式对信号m(t)进行发送，其中，第i个SoNA所用的载波的振幅为Ai，角频率为ω，相对于DoNA的本地载波的相位差为γi,1，相对于DoNB的本地载波的相位差为γi,2，第i个SoNA发送的信号到达DoNA所用时间为τi,1，到达DoNB所用时间为τi,2，第i个SoNA的载波的可调节复加权系数为第i个SoNA到DoNA的平坦慢衰落信道对信号的影响因子为第i个SoNA到DoNB的平坦慢衰落信道对信号的影响因子为则DoNA所接收到的信号为：其中，为第i个SoNA发送信号的功率，Φi,1=γi,1+θi+ψi,1为DoNA接收到的来自第i个SoNA的信号的接收相位；而DoNB所接收到的信号为：其中，Φi,2=γi,2+θi+ψi,2为DoNB接收到的来自第i个SoNA的信号的接收相位。DoNA对接收到的信号进行解调后得到信号为：DoNB对接收到的信号进行解调后得到信号为：从公式（3）可知，通过调节Φi,1，使Φi,1=常数（1≤i≤N），可以使DoNA接收到的信号（即有用信号）强度最大化，由于Φi,1=γi,1+θi+ψi,1，且只有θi（即各SoNA的载波的复加权系数的相位）是可调节的，因此，通过调节每个SoNA的θi，可以使DoNA接收到的有用信号强度最大化。另外，从公式（4）可知，通过调节Φi,2，可以使DoNB接收到的信号（即干扰信号）强度最小化，而Φi,2=γi,2+θi+ψi,2，且只有θi（即各SoNA的载波的复加权系数的相位）是可调节的，因此，通过调节每个SoNA的θi，可以使DoNB接收到的干扰信号的强度最小化。因此，根据实际要求，通过调节各个SoNA的θi，可以使做波束成形的SoNA所发出的信号到达DoNA时强度最大，或使该信号对DoNB的干扰最小，或者可以兼顾两者。非专利文献1（MudumbaiR,HespanhaJ,MadhowUetal.,Scalablefeedbackcontrolfordistributedbeamforminginsensornetworks,InternationalSymposiumonInformationTheory(ISIT),Ade本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式波束成形中的相位同步调整方法，包括：a）做分布式波束成形的N个网络A源节点（SoNA）按照从第1个SoNA到第N个SoNA的顺序依次发送检测信号，其中，N为自然数；b）网络A目的节点（DoNA）接收所述N个SoNA所发送的检测信号，并获得每个SoNA所发送的检测信号的第一接收相位和第一接收信号强度；c）所述DoNA根据所获得的各检测信号的第一接收相位和第一接收信号强度计算所述各第一接收相位所需的第一相位调整量，以便在同步调整后达到预定同步效果，并按照从第1个SoNA到第N个SoNA再返回第1个SoNA的循环顺序以每次向一个SoNA发送一个单比特信号的方式向每个SoNA发送一组有序的第一相位调整信号，其中，与每个SoNA对应的一组有序的第一相位调整信号包含与该SoNA相对应的所述第一相位调整量的信息；以及d）每个SoNA根据其接收到的一组有序的第一相位调整信号所包含的所述第一相位调整量的信息调整该SoNA所发送的所述检测信号的发送相位，以获得该检测信号的同步调整后的发送相位。

【技术特征摘要】
1.一种分布式波束成形中的相位同步调整方法，包括：a）做分布式波束成形的N个网络A源节点（SoNA）按照从第1个SoNA到第N个SoNA的顺序依次发送检测信号，其中，N为自然数；b）网络A目的节点（DoNA）接收所述N个SoNA所发送的检测信号，并获得每个SoNA所发送的检测信号的第一接收相位和第一接收信号强度；c）所述DoNA根据所获得的各检测信号的第一接收相位和第一接收信号强度计算所述各第一接收相位所需的第一相位调整量，以便在同步调整后达到预定同步效果，并按照从第1个SoNA到第N个SoNA再返回第1个SoNA的循环顺序以每次向一个SoNA发送一个单比特信号的方式向每个SoNA发送一组有序的第一相位调整信号，其中，与每个SoNA对应的一组有序的第一相位调整信号包含与该SoNA相对应的所述第一相位调整量的信息；以及d）每个SoNA根据其接收到的一组有序的第一相位调整信号所包含的所述第一相位调整量的信息调整该SoNA所发送的所述检测信号的发送相位，以获得该检测信号的同步调整后的发送相位。2.如权利要求1所述的分布式波束成形中的相位同步调整方法，其中，所述检测信号为用一个简单基带信号对各SoNA的同频的本地载波进行调制后产生的频带信号。3.如权利要求1所述的分布式波束成形中的相位同步调整方法，其中，所述DoNA采用两个本地载波对接收到的每个所述检测信号进行相干解调，从而获得该检测信号的第一接收相位和第一接收信号强度，其中，所述各检测信号的第一接收相位限制在2π大小的角度范围内。4.如权利要求1所述的分布式波束成形中的相位同步调整方法，其中，所述预定同步效果为：其中，Φi,1和Si,1分别为所述DoNA所获得的第i个SoNA所发送的检测信号的第一接收相位和第一接收信号强度，ΔΦi,1为所述第一接收相位Φi,1的第一相位调整量，Φ′i,1=Φi,1-ΔΦi,1为所述DoNA所获得的第i个SoNA所发送的检测信号的同步调整后的第一接收相位，1≤i≤N。5.如权利要求4所述的分布式波束成形中的相位同步调整方法，其中，获得所述第一接收相位Φi,1的第一相位调整量ΔΦi,1（1≤i≤N）的过程包括：①按照从第一接收相位Φ1,1到第一接收相位ΦN,1再返回第一接收相位Φ1,1的循环顺序对所述各个第一接收相位进行逐个逐次调整，其中，对Φi,1的第k次调整的调整量为2πaik/2k，k≥0，并且当k=0时，aik均为0，当k≥1时，aik为Φi,1/2π的二进制展开式的第k项系数；②产生每个预定个数的调整量时，计算此时的Φi,1的总调整量：其中，Ki表示第一接收相位Φi,1的已调整的次数，1≤i≤N，并计算此时的下述值：③当产生某个预定个数的调整量时计算出的RSS′1[Ki,1≤i≤N]大于等于所述预定同步阈值时，所述获得第一接收相位Φi,1的第一相位调整量ΔΦi,1（1≤i≤N）的过程结束，并且ΔΦi,1为此时的ΔΦi,1[Ki]。6.如权利要求1所述的分布式波束成形中的相位同步调整方法，其中，在所述DoNA向每个SoNA发送一组有序的第一相位调整信号后，还包括所述DoNA向所述N个SoNA发送同步调整结束信号。7.如权利要求5所述的分布式波束成形中的相位同步调整方法，其中，设第i个SoNA接收到的一组有序的第一相位调整信号为{aik|0≤k≤Ki，Ki为整数，且k=0时，aik=0，k≥1时，aik=1或0}，则该SoNA所对应的所述第一相位调整量ΔΦi,1为：其中，1≤i≤N。8.一种分布式波束成形中的相位同步调整方法，包括：a）做分布式波束成形的N个网络A源节点（SoNA）按照从第1个SoNA到第N个SoNA的顺序依次发送检测信号，其中，N为自然数；b）网络A目的节点（DoNA）接收所述N个SoNA所发送的检测信号，并获得每个SoNA所发送的检测信号的第一接收相位和第一接收信号强度，同时，网络B目的节点（DoNB）接收所述N个SoNA所发送的检测信号，并获得每个SoNA所发送的检测信号的第二接收相位和第二接收信号强度；c）所述DoNA根据所获得的各检测信号的第一接收相位和第一接收信号强度计算所述各第一接收相位所需的第一相位调整量，以便在同步调整后达到预定同步效果，并按照从第1个SoNA到第N个SoNA再返回第1个SoNA的循环顺序以每次向一个SoNA和向所述DoNB发送一个单比特信号的方式向每个SoNA发送一组有序的第一相位调整信号同时向DoNB发送分别与各个SoNA对应的各组有序的第一相位调整信号，其中，与每个SoNA对应的一组有序的第一相位调整信号包含与该SoNA相对应的所述第一相位调整量的信息；d）每个SoNA根据其接收到的一组有序的第一相位调整信号所包含的所述第一相位调整量的信息调整该SoNA所发送的所述检测信号的发送相位，以获得该检测信号的同步调整后的发送相位，并且，所述DoNB根据其接收到的与每个SoNA对应的一组有序的第一相位调整信号所包含的第一相位调整量信息调整所述DoNB获得的该SoNA所发送的检测信号的第二接收相位，以获得该检测信号的同步调整后的第二接收相位；e）所述DoNB根据所获得的各检测信号的同步调整后的第二接收相位和所述第二接收信号强度计算所述各同步调整后的第二接收相位所需的第二相位调整量，以便在干扰调整后达到预定干扰效果，并向每个SoNA发送一个第二相位调整信号，该第二相位调整信号包含与该SoNA对应的所述第二相位调整量的信息；f）每个SoNA根据其接收到的所述第二相位调整信号所包含的所述第二相位调整量的信息调整该SoNA所发送的所述检测信号的所述同步调整后的发送相位，以获得该检测信号的干扰调整后的发送相位。9.如权利要求8所述的分布式波束成形中的相位同步调整方法，其中，所述预定干扰效果为：Φ″i,2=Φ′i,2+ΔΦi,2=Φi,2-ΔΦi,1+ΔΦi,2其中，Φi,2和Si,2分别为所述DoNB所获得的第i个SoNA所发送的检测信号的第二接收相位和第二接收信号强度，ΔΦi,1为所述DoNA所获得的第...

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