一種分布式波束成形方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種分布式波束成形方法和系統(tǒng)，該方法包括：a）N個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoA和網(wǎng)絡(luò)B目的節(jié)點DoB接收并估計網(wǎng)絡(luò)A目的節(jié)點DoA廣播的第一參考信號；b）N個SoA接收并估計DoB廣播的第二參考信號；c）各SoA向其余SoA廣播其通信狀態(tài)信息，并篩選出最終參與波束成形的K個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAK(m)（m=1～K）；d）按SoAK(1)→SoAK(K)的順序發(fā)送下行傳遞信號；e）按SoAK(K)→SoAK(1)的順序發(fā)送上行傳遞信號；f）SoAK(m)根據(jù)對各信號的估計計算出做波束成形時所用載波信號的特征量的值，并以此值形成載波進行波束成形。本方法中波束成形信號對DoB干擾小且到DoA時功率大。
【專利說明】一種分布式波束成形方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種分布式波束成形方法及系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)、認知無線網(wǎng)絡(luò)。
【背景技術(shù)】
[0002]波束成形是這樣一種技術(shù)，在該技術(shù)中，多個天線聯(lián)合起來形成天線陣列，對同一信號進行發(fā)送，通過調(diào)節(jié)每根天線的波束成形加權(quán)系數(shù)，使得某些位置的接收端信號強度增加。波束成形技術(shù)可以提高信噪比、增加安全性、擴大通信范圍。具體說，若保持信噪比相同，則N根全向天線在載波同步的情況下做波束成形所消耗的總能量僅為單根全向天線直接發(fā)送信號所消耗能量的1/N，因此采用波束成形技術(shù)能夠大大地節(jié)省能量。或者說，在消耗相同總能量情況下，做波束成形能使信噪比提高N倍。在很多無線網(wǎng)絡(luò)(如GSM網(wǎng)絡(luò)、CDMA網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò))中，通信終端通常很小且由電池供電，對能量消耗很敏感，因此，做波束成形是非常合適的。例如，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于通信終端非常小且功率受限，單個通信終端有時甚至不能將信號發(fā)送到較遠的基站，需要多個通信終端做波束成形才能把信號發(fā)送給這些基站。
[0003]波束成形分為集中式波束成形和分布式波束成形。在集中式波束成形中，做波束成形的多個天線處于一個設(shè)備上。例如，一個手機可配置多根天線來做波束成形。這種方法的優(yōu)點是多個天線發(fā)送的信號具有相同的載波，很容易實現(xiàn)載波的同步，缺點是由于手機物理尺寸的限制，在單個手機上配置多個天線很難實現(xiàn)。在分布式波束成形中，做波束成形的多個天線處于不同的設(shè)備上。例如，一個手機可配置一根天線，將一群分散的手機聯(lián)合起來形成虛擬的天線陣列來做波束成形。這種方法的優(yōu)點是，每個設(shè)備只需要一根天線，很容易實現(xiàn)。但問題是，從每根天線發(fā)送的信號的載波并不相同，于是這些信號到達接收端時可能會相互抵消，從而降低信號接收端的接收信號強度。因此，在分布式波束成形中，需要考慮發(fā)送信號的設(shè)備的產(chǎn)生信號載波的本地時鐘的同步問題。
[0004]做分布式波束成形的各個通信設(shè)備的本地時鐘不是全同的，這些本地時鐘給出的時間彼此之間有偏差。具體說，做分布式波束成形的通信設(shè)備的本地時鐘的時間可以表示為t=i3 (tfA)，其中，h為標準時鐘的時間，β為該設(shè)備的本地時鐘相對于標準時鐘的偏差系數(shù)，Λ為該設(shè)備的本地時鐘相對于標準時鐘的固定偏差(參見E.Baghdady，R.Lincoln, and B.Nelinj uShort-term frequency stability:Characterization,theory,and measurement”，Proc.1EEE, Vol.53，N0.7，pp.704-722，Jul.1965)。這里，可以設(shè)任一參考設(shè)備的時鐘為標準時鐘，并且當通信時間很短時，△可以視為不隨時間變化的常數(shù)。[0005]非專利文獻I (D.R.Brown III and H.Y.Poor, ^Time-slotted round-tripcarrier synchronization for distributed beamforming〃，IEEE Trans, on SignalProcessing, Vol.56，N0.1I，pp.5630-5643，November2008)提出了一種分布式波束成形的載波同步方法，圖1示意地示出了該分布式波束成形的載波同步方法。具體地說，圖1示出了一個網(wǎng)絡(luò)A，網(wǎng)絡(luò)A中的N個通信設(shè)備SoA1~SoAn聯(lián)合起來做分布式波束成形，這些通信設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點(source node of network A, SoA),而網(wǎng)絡(luò)A中接收波束成形信號的通信設(shè)備DoA為網(wǎng)絡(luò)A目的節(jié)點(destination node of network A,DoA)。為了使SoA1~SoAn發(fā)出的信號在到達DoA時形成相干疊加,在SoA1~SoAn發(fā)射信號之前,需要對信號載波進行同步。
[0006]在圖1所示的分布式波束成形的載波同步方法中，首先，在第一階段，在時隙I中，DoA向所有的SoA (即SoA1~SoAn)廣播一個參考信號,其中，DoA的時鐘可設(shè)為
標準時鐘，其時間用h表示，ωρφ?)分別為參考信號在該時鐘系統(tǒng)下的頻率和相位。SoAi(i=l~N)接收到該參考信號后根據(jù)自己的本地時鐘JtfAi)估計出該參考信號的頻率和相位ωη、<Ρ--，并將其存儲起來。
[0007]接著，在第二階段，在時隙2中，SoA1根據(jù)其對所述參考信號估計出的頻率Q11和相位《PU形成下行傳遞信號并將其發(fā)送給SoA2, SoA2收到該信號后根據(jù)自己的本地時鐘估計出該信號的頻率ω22和相位<p22，并存儲起來。接著，在時隙3中，SoA2根據(jù)頻率ω22和相位Φ22形成新的下行傳遞信號并將其發(fā)送給SoA3, SoA3收到該下行傳遞信號后根據(jù)自己的本地時鐘估計出該信號的頻率ω32和相位f32，并存儲起來。如此按SoA1 — SoA2 —…
—SoAn的順序進行下去，在時隙N中，SoAim根據(jù)頻率ω (Ν_1)2和相位fp-l)2形成新的下行傳遞信號并將其發(fā)送給SoAn，SoAn收到該信號后根據(jù)自己的本地時鐘估計出該信號的頻率ωΝ2和相位ΦΝ2*并存儲起來。
[0008]然后，在第三階段，在時隙(N+1)中，SoAn根據(jù)其對所述參考信號所估計出的頻率ωΝ1和相位fW形成上行傳遞信號并將其發(fā)送給S0An_1; SoAim收到該信號后根據(jù)自己的本地時鐘估計出該信號的頻率ω(Ν_1)3和相位并存儲起來。接著，在時隙(Ν+2)中，SoAh根據(jù)頻率ω (N-1 )3和相位形成新的上行傳遞信號并將其發(fā)送給SoAn_2，SoAn_2收到該信號后根據(jù)自己的本地時鐘估計出該信號的頻率ω (Ν_2)3和相位Φ(Ν—2)3，并存儲起來。
如此按SoAn — SoA^1 —------ SoA1的順序進行下去，在時隙2Ν-1中，SoA2根據(jù)頻率ω23和相
位Φ23形成新的上行傳遞信號并將其發(fā)送給SoA1, SoA1收到該信號后根據(jù)自己的本地時鐘估計出該信號的頻率ω13和相位φ13，并存儲起來。
[0009]經(jīng)過上述三個階段的通信后，每個SoA保存有三組頻率和相位，即，SoAiG=I~N)保存有估計出的所述參考信號的頻率Qil和相位(Pu、所述下行傳遞信號的頻率ω?2和相位fi2、以及所述上行傳遞信號的頻率《i3和相位《Pb。各個SoA根據(jù)這三組頻率和相位可以計算出其進行波束成形時所使用載波的頻率和相位。最后，在時隙2Ν中，SoAi (i=l~N)進行波束成形。
[0010]上述方法的優(yōu)點是，接收波束成形信號的DoA只需向發(fā)送波束成形信號的SoA1~SoAn發(fā)送一個參考信號，就可使SoA1~SoAn在彼此通信的基礎(chǔ)上確定做波束成形時所使用的載波的頻率和相位。當DoA與SoA1~SoAn之間通信代價遠大于SoA1~SoAn彼此之間的通信代價時(例如前面提到的傳感器網(wǎng)絡(luò)的情形)，采用這種方法進行載波同步是非常合適的。
[0011]在更為復(fù)雜的情形中，做分布式波束成形時不僅要考慮使波束成形信號在某些位置處強度增加，同時還要考慮使波束成形信號在另一些位置處強度減弱。例如，在傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)和認知無線網(wǎng)絡(luò)并存的網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成主網(wǎng)絡(luò)(稱為網(wǎng)絡(luò)B)，認知無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成次網(wǎng)絡(luò)(例如上述網(wǎng)絡(luò)A)。為了有效地利用頻譜資源，認知無線網(wǎng)絡(luò)要與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)共享頻譜資源。通常，共享頻譜資源的方法有兩種，一種方法稱作機會頻譜接A (Opportunistic Spectrum Access, OSA),即，次網(wǎng)絡(luò)尋找主網(wǎng)絡(luò)暫不使用的頻譜資源，并利用這些閑置的頻譜資源來通信；另一種方法稱作并行頻譜接入(Concurrent SpectrumAccess, CSA)，即，次網(wǎng)絡(luò)和主網(wǎng)絡(luò)使用共同的頻譜，但次網(wǎng)絡(luò)對主網(wǎng)絡(luò)的干擾必須小于規(guī)定的值。在上述CSA情形中，既要求次網(wǎng)絡(luò)(例如上述網(wǎng)絡(luò)A)中的做分布式波束成形的通信設(shè)備(例如上述SoAl~SoAN)能夠與該網(wǎng)絡(luò)中接收波束成形信號的通信設(shè)備(例如上述DoA)實現(xiàn)正常的通信，并且盡可能減少能量消耗，又要求次網(wǎng)絡(luò)的通信盡量避免干擾主網(wǎng)絡(luò)，例如，要求SoAl~SoAN發(fā)出的波束成形信號在到達網(wǎng)絡(luò)B中接收波束成形信號的通信設(shè)備(可稱作網(wǎng)絡(luò)B目的節(jié)點(DoB, destination node of network B))時強度較小。然而，上述非專利文獻I中的分布式波束成形的載波同步方法不能夠用于這種情形中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題而做出，其目的在于，提供一種分布式波束成形方法及系統(tǒng)，使得網(wǎng)絡(luò)A中的DoA和網(wǎng)絡(luò)B中的DoB只需廣播一個參考信號，就可使網(wǎng)絡(luò)A中做波束成形的SoA1~SoAn在彼此通信的基礎(chǔ)上確定做波束成形時所使用的載波的頻率、相位和幅度，并且使用這樣確定的載波進行波束成形時，波束成形信號對DoB的干擾較小，同時波束成形信號在到達DoA時功率較大，另外各個SoA的發(fā)送功率都要小于其最大發(fā)射功率。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種分布式波束成形方法，該方法包括:a)網(wǎng)絡(luò)A目的節(jié)點DoA向要做分布式波束成形的N個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAJi=I~N)以及向網(wǎng)絡(luò)B目的節(jié)點DoB廣播第一參考 信號，SoAi (i=l~N)和DoB接收到第一參考信號后根據(jù)自己的本地時鐘分別估計出該第一參考信號的特征量的值；b) DoB根據(jù)自己估計出的第一參考信號的特征量的值形成第二參考信號，并向SoAi (i=l~N)廣播第二參考信號，SoAi (i=l~N)接收到第二參考信號后根據(jù)自己的本地時鐘分別估計出該第二參考信號的特征量的值；c)SoAi (i=l~N)中的每個SoA根據(jù)自己估計出的第一參考信號和第二參考信號的特征量的值形成自己的通信狀態(tài)信息，并向其余的SoA廣播該通信狀態(tài)信息，每個SoA根據(jù)獲得的所有SoA的通信狀態(tài)信息按照同一算法篩選出最終參與波束成形的K個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAkw(m=l~K，K≤N) ；d) SoA κ(1)根據(jù)自己估計出的第二參考信號的特征量的值形成下行傳遞
信號，并將該下行傳遞信號發(fā)送給SoA κω，然后，按SoAKra — SoAkw —----- SoAkqm)的順
序，每個SoA接收上一個SoA發(fā)送的下行傳遞信號、根據(jù)自己的本地時鐘估計出該下行傳遞信號的特征量的值、根據(jù)該下行傳遞信號的特征量的值形成新的下行傳遞信號并將該新的下行傳遞信號發(fā)送給下一個SoA，最后SoAkgo接收SoA k(k_d發(fā)送的下行傳遞信號，并根據(jù)自己的本地時鐘估計出該下行傳遞信號的特征量的值；e) SoA κ(κ)根據(jù)自己估計出的第二參考信號的特征量的值形成上行傳遞信號，并將該上行傳遞信號發(fā)送給SoA k(k_d，然后，按
SoAk(k_d — SoAk(k_2) —----- δοΑκω的順序,每個SoA接收下一個SoA發(fā)送的上行傳遞信號、根
據(jù)自己的本地時鐘估計出該上行傳遞信號的特征量的值、根據(jù)該上行傳遞信號的特征量的值形成新的上行傳遞信號并將該新的上行傳遞信號發(fā)送給上一個SoA，最后SoAK(1)接收SoAΚ(2)發(fā)送的上行傳遞信號，并根據(jù)自己的本地時鐘估計出該上行傳遞信號的特征量的值；f)SoAK(m) (m=l~K)中的每個SoA根據(jù)自己在步驟a)、b)、d)、e)中獲得的各信號的特征量的值計算出做波束成形時所用載波信號的特征量的值，并根據(jù)該載波信號的特征量的值形成載波來進行波束成形。
[0014]其中，SoAi (i=l~N)的本地時鐘可以為Jt。+Ai)，DoB的本地時鐘可以為tB= β B (t0+ Λ B)，其中，h為DoA的時鐘，β i為SoAi的本地時鐘相對于DoA時鐘的偏差系數(shù)，Δ i為SoAi的本地時鐘相對于DoA時鐘的固定偏差，β B為DoB的本地時鐘相對于DoA時鐘的偏差系數(shù)，ΛΒ為DoB的本地時鐘相對于DoA時鐘的固定偏差。
[0015]優(yōu)選地，SoAK(m) (m=l~K)在步驟a)、b)、d)、e)中獲得的各信號的特征量的值至少可以包括:SoAK(m)所估計出的第一參考信號的相位(PKlra)l的值、第二參考信號的頻率ωκ(ηι)2、相位Φ_:β和幅度a KW2的值、下行傳遞信號的頻率ωκ(ηι)4和相位φ_:)4的值、上行傳遞信號的頻率ωκω5和相位fKW5的值，進一步優(yōu)選地，SoAkw (m=l~K)做波束成形時所用載波信號的特征量可以包括頻率ωκ(π)、相位φΚ(ΙΒ>和幅度aK(m)，其值可以通過下述公式計算:
[0016]ω K(m)= (ωκ(ηι)4+ωκ(ηι)5)_ω K (ill) 2
[001 7] Ψκ?η? = + Ψκ?ηφ — Ψκ(.、2^ ' I I! 一 Ψκ{η?Ζ 敘 ^ 露)時 ^
[0018]φκ(η?) = φ_ + φκ{,η)5 — φ紙.+π (當{φΚ{Μ)χ — φκ{,η?2 ).:t值 G [-^,θ)時)
[0019]aK(m)=l/ aK (ill) 2
[0020]另外，優(yōu)選地，SoAi (i=l~N)在步驟a)、b)中所估計出的第一參考信號和第二參考信號的特征量的值可以至少包括:第一參考信號的相位的值、第二參考信號的相位Ψ?2和幅度a i2的值，并且SoAiG=I~N)根據(jù)物、<Pi2和a i2形成自己的通信狀態(tài)信息。
[0021]進一步優(yōu)選地，如果％ <1/#，其中，Pi為SoAi的最大發(fā)射功率，則SoAi將自己
的通信狀態(tài)可設(shè)為第一通信狀態(tài)；如果％ I '/訴且(φη 主值e [O, π ),則SoAi將自
己的通信狀態(tài)可設(shè)為第二通信狀態(tài)；如果A2 ^ 且(? -fe)主值e ^ , O),則SoAJf自己的通信狀態(tài)可設(shè)為第三通信狀態(tài)。
[0022]再進一步優(yōu)選地，SoAi (i=l~N)形成自己的通信狀態(tài)信息可以包括將自己的通信狀態(tài)進行編碼。
[0023]優(yōu)選地，SoAi (i=l~N)篩選出最終參與波束成形的K個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAkw(m=l~K, K≤N)的算法可以包括:去除具有第一通信狀態(tài)的SoA。
[0024]進一步優(yōu)選地，SoAi (i=l~N)篩選出最終參與波束成形的K個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAK(m) (m=l~K，K≤N)的算法還可以包括:在具有第二通信狀態(tài)的一類SoA和具有第三通信狀態(tài)的一類SoA中，去除數(shù)目較多的一類SoA中的若干SoA，使得兩類SoA的數(shù)目相等。
[0025]所述網(wǎng)絡(luò)A可以為傳感器網(wǎng)絡(luò)或認知無線網(wǎng)絡(luò)，所述網(wǎng)絡(luò)B可以為傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種分布式波束成形系統(tǒng)，其包括:做分布式波束成形的N個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點(SoA)、網(wǎng)絡(luò)A目的節(jié)點(DoA)和網(wǎng)絡(luò)B目的節(jié)點(DoB)，其中，N為自然數(shù)，DoA配置有第一發(fā)送單元，DoB配置有第二發(fā)送單元、第二接收單元、第二信號特征量估計單元，每個SoA配置有第三發(fā)送單元、第三接收單元、第三信號特征量估計單元、通信狀態(tài)信息形成單元、篩選單元、計算單元，并且，
[0027]DoA的第一發(fā)送單元向要做分布式波束成形的N個SoA以及向DoB廣播第一參考信號，DoB的第二接收單元和各個SoA的第三接收單元接收到第一參考信號后，DoB的第二信號特征量估計單元和各個SoA的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘分別估計出該第一參考信號的特征量的值；
[0028]DoB的第二發(fā)送單元根據(jù)DoB的第二信號特征量估計單元估計出的第一參考信號的特征量的值形成第二參考信號，并向各個SoA廣播第二參考信號，各個SoA的第三接收單元接收到第二參考信號后，各個SoA的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘分別估計出該第二參考信號的特征量的值；
[0029]N個SoA中的每個SoA的通信狀態(tài)信息形成單元根據(jù)該SoA的第三信號特征量估計單元估計出的第一參考信號和第二參考信號的特征量的值形成自己的通信狀態(tài)信息，并通過該SoA的第三發(fā)送單元向其余的SoA廣播該通信狀態(tài)信息，每個SoA的篩選單元根據(jù)該SoA獲得的所有SoA的通信狀態(tài)信息按照同一算法篩選出最終參與波束成形的K個SoAk(m) (m=l ~K, K < N);
[0030]SoA κω的第三發(fā)送單元根據(jù)第三信號特征量估計單元估計出的第二參考信號的特征量的值形成下行傳遞信號，并將該下行傳遞信號發(fā)送給SoA κ(2)，然后，按SoAk(2) — SoAk(3)—…一SoAk_)的順序，每個SoA的第三接收單元接收上一個SoA的第三發(fā)送單元發(fā)送的下行傳遞信號、該SoA的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘估計出該下行傳遞信號的特征量的值、該SoA的第三發(fā)送單元根據(jù)該下行傳遞信號的特征量的值形成新的下行傳遞信號并將該新的下行傳遞信號發(fā)送給下一個SoA，最后SoAkgo的第三接收單元接收SoA k(k_d的第三發(fā)送單元發(fā)送的下行傳遞信號，并且SoAK(K)的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘估計出該下行傳遞信號的特征量的值；
[0031]SoA κ(κ)的第三發(fā)送單元根據(jù)第三信號特征量估計單元估計出的第二參考信號的特征量的值形成上行傳遞信號，并將該上行傳遞信號發(fā)送給SoA k(k_d，然后，按SoAk(k_d — SoAk(k_2)—…一SoAk(2)的順序，每個SoA的第三接收單元接收下一個SoA的第三發(fā)送單元發(fā)送的上行傳遞信號、該SoA的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘估計出該上行傳遞信號的特征量的值、該SoA的第三發(fā)送單元根據(jù)該上行傳遞信號的特征量的值形成新的上行傳遞信號并將該新的上行傳遞信號發(fā)送給上一個SoA，最后SoAK(1)的第三接收單元接收SoA κ(2)的第三發(fā)送單元發(fā)送的上行傳遞信號，并且SoAK(1)的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘估計出該上行傳遞信號的特征量的值；
[0032]SoAK(m) (m=l~K)中的每個SoA的計算單元根據(jù)在上述過程中獲得的各信號的特征量的值計算出做波束成形時所用載波信號的特征量的值，并且該SoA的第三發(fā)送單元根據(jù)該載波信號的特征量的值形成載波來進行波束成形。
[0033]本發(fā)明所述的分布式波束成形的載波同步方法的優(yōu)點是，網(wǎng)絡(luò)A中的DoA和網(wǎng)絡(luò)B中的DoB只需廣播一個參考信號，就可使網(wǎng)絡(luò)A中做波束成形的SoA1~SoAn在彼此通信的基礎(chǔ)上確定做波束成形時所使用的載波的頻率、相位和幅度，在DoA或DoB與SoA之間不需要反饋信息。特別地，做波束成形的SoA1?SoAn根據(jù)DoA和DoB廣播的參考信號可以篩選出適合于最終參與波束成形的SoA。這些篩選出的SoA在做波束成形時，波束成形信號到達DoB時強度可以接近零，從而大大降低了對主網(wǎng)絡(luò)接收端的干擾。同時，由于這些SoA在做波束成形時發(fā)送的信號在到達DoA時，頻率一致，相位集中在[0，π)或[-π，0)中，因此可以呈現(xiàn)相長疊加的態(tài)勢，從而使波束成形信號在到達DoA時功率較大。另外，這些篩選出的SoA的發(fā)射功率均小于其最大發(fā)射功率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]根據(jù)下述參照附圖進行的詳細描述，本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點將變得更加顯而易見。在附圖中:
[0035]圖1是示意圖，示出了非專利文獻I所述的分布式波束成形的載波同步方法；
[0036]圖2是示意圖，示出了一個傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)和做波束成形的認知無線網(wǎng)絡(luò)并存的網(wǎng)絡(luò)；
[0037]圖3是流程圖，示出了本發(fā)明的一個實施例所述的分布式波束成形方法；
[0038]圖4a_4f分別示出了本發(fā)明的一個實施例所述的分布式波束成形方法中第一階段到第六階段中的信號走向圖；
[0039]圖5是示意圖，示出了本發(fā)明的一個實施例所述的篩選出最終參與波束成形的K個SoA的算法；
[0040]圖6是方框圖，示出了本發(fā)明的一個實施例所述的分布式波束成形系統(tǒng)；
[0041]圖7是仿真結(jié)果圖，示出了采用本發(fā)明所述的波束成形方法時，網(wǎng)絡(luò)A平均波束成形功率增益隨時間的變化；
[0042]圖8是仿真結(jié)果圖，示出了采用本發(fā)明所述的波束成形方法時，SoA波束成形信號對DoB的平均干擾功率隨時間的變化。
[0043]在所有附圖中相同的標號指示相似或相應(yīng)的特征或功能。
【具體實施方式】
[0044]在下面的描述中，出于說明的目的，為了提供對一個或多個實施例的全面理解，闡述了許多具體細節(jié)。然而，很明顯，也可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實現(xiàn)這些實施例。另外，為了便于描述一個或多個實施例，公知的結(jié)構(gòu)和設(shè)備以方框圖的形式示出。
[0045]在本說明書和權(quán)利要求書中，表達語句“向SoAi發(fā)送信號”實際上是指發(fā)送供SoAi接收的信號。另外，序數(shù)詞第一、第二和第三等僅用來區(qū)別類似的裝置、單元、信號以及物理量等，并非表示這些裝置、單元、信號以及物理量等的重要性或次序。
[0046]圖2示出了一個傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)和做分布式波束成形的認知無線網(wǎng)絡(luò)并存的網(wǎng)絡(luò)，其中，為了簡單計，認知無線網(wǎng)絡(luò)A只示出了 N個做分布式波束成形的網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點(SoA1?SoAn)和接收波束成形信號的網(wǎng)絡(luò)A目的節(jié)點DoA，傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)B則只示出了接收波束成形信號的網(wǎng)絡(luò)B目的節(jié)點DoB。
[0047]圖3是流程圖，示出了本發(fā)明的一個實施例所述的分布式波束成形方法。圖4a_4f示出了所述分布式波束成形方法的第一階段到第六階段中的信號走向圖。如圖3所示，本發(fā)明的一個實施例所述的分布式波束成形方法包括如下步驟:[0048]首先，在第一階段中，在步驟SlO中，網(wǎng)絡(luò)A目的節(jié)點(DoA)向要做分布式波束成形的N個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAi (i=l~N)以及向網(wǎng)絡(luò)B目的節(jié)點(DoB)廣播第一參考信號。SoAi (i=l~N)是編了號的，其序號根據(jù)約定事先確定，并使得參與通信的各方均知道該序號。所述第一參考信號可以表不為例如其中，DoA的本地時鐘可設(shè)為標準時鐘，其時間用t(i表不，ωο> 分別為第一參考信號在該時鐘下的頻率和相位。
[0049]SoAi ( i=l~N)接收到第一參考信號后根據(jù)自己的本地時鐘t= β i (t0+ Δ 分別估計出第一參考信號的特征量的值。下文中，載波同步期間所發(fā)送的各種信號的特征量可以包括頻率、相位和幅度。這里，SoAi (i=l~N)至少估計出第一參考信號的相位φπ (其中，下標i表示SoAi,下標I表示第一階段)并將其存儲起來。同時，DoB接收到第一參考信號后根據(jù)自己的本地時鐘Ib=PbUc^Ab)估計出第一參考信號的特征量的值，至少包括頻率ωΒ和相位fB的值。圖4a示意地示出了該過程，該過程為本方法的第一階段，該階段發(fā)生在時隙I中。
[0050]接著，在第二階段中，在步驟S20中，DoB根據(jù)自己估計出的第一參考信號的頻率ωΒ和相位ΦΒ形成第二參考信號，并向SoAi (i=l~N)廣播第二參考信號，第二參考信號可以表示為,其中，tB為DoB的本地時鐘的時間，a為第二參考信號的幅度。
[0051]SoAi (i=l~N)接收到第二參考信號后根據(jù)自己的本地時鐘UfAi)分別估計出第二參考信號的特征量的值，包括頻率ω?2、相位fii和幅度a i2的值(這里，下標i表示SoAi,下標2表示第二階段)，并將其存儲起來，其中，ai2=a*bBi，bBi為從DoB到SoAi的信道對信號的幅度衰減因 子。圖4b示意地示出了該過程，該過程為本方法的第二階段，該階段發(fā)生在時隙2中。
[0052]經(jīng)過第一和第二階段后，SoAi得到一組估計值φη、ω?2、物和a i2 (i=l~N)。然后，在第三階段中，在步驟S30中，SoAi可以根據(jù)自己估計出的第一和第二參考信號的特征量(包括和、物2和a i2)的值形成自己的通信狀態(tài)信息，并向其余的SoA廣播該通信狀態(tài)息。于是，每個SoA均可以獲得SoA1~SoAn的通彳目狀態(tài)彳目息。
[0053]一般地，從波束成形信號對DoB影響的角度來考慮，可以將SoA1~SoAn的通信狀態(tài)分為距DoB較遠和距DoB較近兩大類,例如，當ai2較小時,則SoAi距DoB較遠，當ai2較大時,則SoAi距DoB較近；而距DoB較近的SoA又可按％ -的主值的正負分成兩小類,在本文中，相位或相位差的主值是指相位或相位差的無窮多個相差(k為整數(shù))的角度值中
位于[-JI，Ji)中的那個角度值。在一個實施例中，如果cl/#，其中，Pi為SoAi的最大發(fā)射功率，則SoAi可以將自己的通信狀態(tài)設(shè)為第一通信狀態(tài)；如果％ > ?/?且(?, -φ?2}—.主值e [O, π),則SoAi可以將自己的通信狀態(tài)設(shè)為第二通信狀態(tài)；如果％且
{φ,ι -熟2)主值e [-JI ,0),則SoAi可以將自己的通信狀態(tài)設(shè)為第三通信狀態(tài)。進一步,SoAi
(i=1~N)可以通過將自己的通信狀態(tài)進行編碼來形成自己的通信狀態(tài)信息。在上述實施例中，由于有三種狀態(tài)需要編碼，因此可以采用2個比特來編碼。例如，可以將第一通信狀態(tài)編碼為00，將第二通信狀態(tài)編碼為11，將第三通信狀態(tài)編碼為10。應(yīng)當注意，上述通信狀態(tài)的編碼不是唯一的，只要SoA1~SoAn根據(jù)事先的約定能夠由編碼信號區(qū)分出這些通信狀態(tài)即可。
[0054]每個SoA根據(jù)獲得的所有SoA的通信狀態(tài)信息按照同一算法篩選出最終參與波束成形的K個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAkwU=I~K，K≤N)。這個過程實際上是從SoA1~SoAn中排除一些SoA，使得剩下的SoA在做波束成形時發(fā)射信號的功率小于最大發(fā)射功率，并且所發(fā)送的波束成形信號對DoB的干擾很小,而該波束成形信號在到達DoA時則功率較大。由于每個SoA所獲得的所有SoA的通信狀態(tài)信息是相同的，篩選的算法也是相同的，因此，SoA1~SoAn中的每個SoA都可以知道篩選出的最終參與波束成形的SoA。圖4c示意地示出了該過程，該過程為本方法的第三階段，該階段發(fā)生在時隙3至時隙N+2中。
[0055]下面參考圖5以示例的方式說明篩選出最終參與波束成形的K個SoA的算法。圖5是示意圖，示出了本發(fā)明的一個實施例所述的篩選出最終參與波束成形的K個SoA的算法。如圖5所示，首先，可以從SoA1~SoAn (這里，N=Il)中去除具有第一通信狀態(tài)的SoA(例如，圖5中編碼為00的SoA1和SoA5)。這些SoA距離DoB較遠，如果要參與波束成形的話，需要以更大的能量發(fā)射信號，這樣會超過該SoA的最大發(fā)射功率，因此需要去除。
[0056]接著，在具有第二通信狀態(tài)(fc -熟2)主值e [O, JI ))的一類SoA和具有第三通信
狀態(tài)(?'φη - φ?2)主值e [-^ ,0))的一類SoA中，去除數(shù)目較多的一類SoA中的若干SoA，使
得兩類SoA的數(shù)目相等。這里，去除的規(guī)則是預(yù)定的，例如，圖5中的預(yù)定的去除規(guī)則是，按SoA的編號從大到小的順序去除，但本發(fā)明不限于此。在圖5所示的例子中，具有第二
通信狀態(tài)((φη 主值e [O, η )，編碼為11)的SoA比具有第三通信狀態(tài)主值
e [- Ji , O),編碼為10)的SoA多一個，因此,從具有第二通/[目狀態(tài)的SoA中去除編號最大的一個SoA (即SoAltl),使得兩類SoA數(shù)目相等。應(yīng)當注意，從后面的說明可知，當所述兩類SoA的數(shù)目相等時，它們做波束成形時對DoB的干擾為零。
[0057]最后，對剩下的SoA按預(yù)定的規(guī)則進行重新編碼，形成最終參與波束成形的K個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAkw (m=l~K，K≤N)。SoAkw的含義是，剩下的K個SoA中編號為m的SoA0在圖5的例子中，剩下8個SoA，編號分別為SoAsa)~SoA8te)。
[0058]返回圖2，在篩選出最終參與波束成形的K個SoAkwU=I~K)后，在第四階段中，在步驟S40中，SoA κω根據(jù)自己估計出的第二參考信號的特征量(包括頻率ωκ(1)2和相位
φκ<?)2)的值形成下行傳遞信號#~"#—,并將該下行傳遞信號發(fā)送給SoA κ(2)。其中，
ω Mm= ωκω2，物這里，下標K(I)表示SoAK(1),下標4表示第四階段。
[0059]然后,按SoAk(2) — SoAk(3) —----- SoAk(k_d的順序,每個SoA接收上一個SoA發(fā)送的
下行傳遞信號、根據(jù)自己的本地時鐘估計出該下行傳遞信號的特征量(包括頻率和相位)的值、根據(jù)該下行傳遞信號的特征量的值形成新的下行傳遞信號并將該新的下行傳遞信號發(fā)送給下一個SoA。即SoAkw接收SoAkg^1)發(fā)送的下行傳遞信號~…，并根據(jù)自己的本地時鐘?κω=βκω (VAkw)估計中該下行傳遞信號的頻率ωΚ(πι)4和相位
然后以該頻率和相位形成新的下行傳遞信號,并將其發(fā)送給SoAK(m+1)。
[0060]最后SoAkqo接收SoA κ(κ_υ發(fā)送的下行傳遞信號，并根據(jù)自己的本地時鐘估計出該下行傳遞信號的特征量(包括頻率ωκ(κ)4和相位ωκ(κ)4)的值。圖4d示意地示出了上述過程，該過程為本方法的第四階段，該階段發(fā)生在時隙(N+3)至時隙(N+K+1)中。
[0061]然后，在第五階段，在步驟S50中，SoA κ(κ)根據(jù)自己估計出的第二參考信號的特征
量(包括頻率ωκ(κ)2和相位φκ(κ)2 )的值形成上行傳遞信號,并將該上行傳遞信號發(fā)送給 SoA K(K-D，其中，ωκ(κ)5=ωκ(κ)2, φκ(Κ)5=ψΚ(Κ}2，這里，下標 K (K)表示 SoAk(κ)，下標5表示第五階段。
[0062]然后,按SoAk(k_d — SoAk(k_2) —----- SoAk(2)的順序,每個 SoA 接收下一個 SoA 發(fā)送
的上行傳遞信號、根據(jù)自己的本地時鐘估計出該上行傳遞信號的特征量(包括頻率和相位)的值、根據(jù)該上行傳遞信號的特征量的值形成新的上行傳遞信號并將該新的上行傳遞信號發(fā)送給上一個SoA。即SoAkw接收SoAK(m+1)發(fā)送的上行傳遞信號，并根據(jù)自己的本地時鐘?κω=β KW (t0+AK(m))估計中該上行傳遞信號的頻率ωκω5和相位<pK〖m)5，然后以該頻率和相位形成新的上行傳遞信號，并將其發(fā)送給SoAk^)。
[0063]然后SoAK(1)接收SoA κ(2)發(fā)送的上行傳遞信號，并根據(jù)自己的本地時鐘估計出該上行傳遞信號的特征量(包括頻率ωκ(1)5和相位ωκ(1)5)的值。圖4e示意地示出了上述過程，該過程為本方法的第五階段，該階段發(fā)生在時隙(N+K+2)至時隙(N+2K)中。
[0064]如上所述，在經(jīng)過上述第一至第五階段的通信后，SoAkw (m=l~K)獲得的各信號的特征量的值至少包括:SoAK(m)所估計出的第一參考信號的相位的值、第二參考信號的頻率ωκ(ηι)2、相位和幅度a K(m)2的值、下行傳遞信號的頻率ωκω4和相位φκ(時I的值、上行傳遞信號的頻率ωκ(π)5和相位φκ(_的值。
[0065]然后，在步驟S60中，SoAkw (m=l~K)中的每個SoA根據(jù)自己所獲得的上述各信號的特征量的值計算出做波束成形時所用載波信號的特征量(包括頻率ωκ(π)、相位φΚ(ηι):和幅度aK(m))的值，并根據(jù)該載波信號的特征量的值形成載波來進行波束成形。圖4f示意地示出了上述過程，該過程為本方法的第六階段。
[0066]在一個實施例中，SoAkw (m=l~K)做波束成形時所用載波信號的頻率ωκ(ηι)、相位<PK_和幅度aK(m)可以通過下述公式計算:
[0067]
【權(quán)利要求】
1.一種分布式波束成形方法,包括: a)網(wǎng)絡(luò)A目的節(jié)點DoA向要做分布式波束成形的N個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAi(i=l~N)以及向網(wǎng)絡(luò)B目的節(jié)點DoB廣播第一參考信號，SoAi (i=l~N)和DoB接收到第一參考信號后根據(jù)自己的本地時鐘分別估計出該第一參考信號的特征量的值； b)DoB根據(jù)自己估計出的第一參考信號的特征量的值形成第二參考信號，并向SoAi(i=l~N)廣播第二參考信號，SoAi (i=l~N)接收到第二參考信號后根據(jù)自己的本地時鐘分別估計出該第二參考信號的特征量的值； c)SoAi (i=l~N)中的每個SoA根據(jù)自己估計出的第一參考信號和第二參考信號的特征量的值形成自己的通信狀態(tài)信息，并向其余的SoA廣播該通信狀態(tài)信息，每個SoA根據(jù)獲得的所有SoA的通信狀態(tài)信息按照同一算法篩選出最終參與波束成形的K個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點 SoAK(m) (m=l ~K，K ≤ N); d)SoAκω根據(jù)自己估計出的第二參考信號的特征量的值形成下行傳遞信號，并將該下行傳遞信號發(fā)送給SoA κ⑵,然后,按SoA1^2) — SoAkw —----- SoAk的順序,每個SoA接收上一個SoA發(fā)送的下行傳遞信號、根據(jù)自己的本地時鐘估計出該下行傳遞信號的特征量的值、根據(jù)該下行傳遞信號的特征量的值形成新的下行傳遞信號并將該新的下行傳遞信號發(fā)送給下一個SoA，最后SoAk(κ)接收SoA k(k_d發(fā)送的下行傳遞信號，并根據(jù)自己的本地時鐘估計出該下行傳遞信號的特征量的值； e)SoAκ(κ)根據(jù)自己估計出的第二參考信號的特征量的值形成上行傳遞信號，并將該上行傳遞信號發(fā)送給SoA k(k_d,然后,按SoAK(k_d — SoAk(k_2) —----- δοΑκω的順序,每個SoA接收下一個SoA發(fā)送的上行傳遞信號、根據(jù)自己的本地時鐘估計出該上行傳遞信號的特征量的值、根據(jù)該上行傳遞信號的特征量的值形成新的上行傳遞信號并將該新的上行傳遞信號發(fā)送給上一個SoA，最后SoAK(1)接收SoA κ(2)發(fā)送的上行傳遞信號，并根據(jù)自己的本地時鐘估計出該上行傳遞信號的特征量的值； f)SoAK(ffl) (m=l~K)中的每個SoA根據(jù)自己在步驟a)、b)、d)、e)中獲得的各信號的特征量的值計算出做波束成形時所用載波信號的特征量的值，并根據(jù)該載波信號的特征量的值形成載波來進行波束成形。
2.如權(quán)利要求1所述的分布式波束成形方法，其中，SoAi(i=l~N)的本地時鐘為te β i (tQ+Λ )，DoB的本地時鐘為tB=PB(tQ+AB)，其中，t0為DoA的時鐘，β j為SoAi的本地時鐘相對于DoA時鐘的偏差系數(shù)，Δ i為SoAi的本地時鐘相對于DoA時鐘的固定偏差，β Β為DoB的本地時鐘相對于DoA時鐘的偏差系數(shù)，Ab為DoB的本地時鐘相對于DoA時鐘的固定偏差。
3.如權(quán)利要求2所述的分布式波束成形方法,其中，SoAK(m)(m=l~K)在步驟a)、b)、d)、e)中獲得的各信號的特征量的值至少包括:SoAK(m)所估計出的第一參考信號的相位<Ρκ?ι的值、第二參考信號的頻率 ω K Cm) 2、

相位φΚ(ηι)2和幅度aK (ill) 2 的值、下行傳遞信號的頻率ωκ(ηι)4和相位φκ(—的值、上行傳遞信號的頻率ωκ(ηι)5和相位φκ_的值，并且SoAkw做波束成形時所用載波信號的特征量包括頻率ωκ(π)、相位<!>_>和幅度aK(m)，其值通過下述公式計算:
ω K(m廠(ω K(m)4+ W K(111)5) ~~ W K(111) 2
4.如權(quán)利要求2所述的分布式波束成形方法，其中，SoAi(i=l~N)在步驟a)、b)中所估計出的第一參考信號和第二參考信號的特征量的值至少包括:第一參考信號的相位fil的值、第二參考信號的相位fi2和幅度a i2的值，并且SoAi (i=l~N)根據(jù)φ?1、《Pa和a i2形成自己的通信狀態(tài)信息。
5.如權(quán)利要求4所述的分布式波束成形方法，其中，如果a,2<l/#，其中，PiSSoAJA最大發(fā)射功率，則SoAi將自己的通信狀態(tài)設(shè)為第一通信狀態(tài)；如果％乏l/#且-φ?2):主值e [O, 31),則SoAi將自己的通信狀態(tài)設(shè)為第二通信狀態(tài)；如果％ ^ '/訴且fe, -φη\主值e [- Ji, O),則SoAi將自己的通信狀態(tài)設(shè)為第三通信狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的分布式波束成形方法,其中，SoAi(i=l~N)形成自己的通信狀態(tài)信息包括將自己的通信狀態(tài)進行編碼。
7.如權(quán)利要求5所述的分布式波束成形方法，其中，SoAi(i=l~N)篩選出最終參與波束成形的K個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAkw (m=l~K，K≤N)的算法包括:去除具有第一通信狀態(tài)的SoA。
8.如權(quán)利要求7所述的分布式波束成形方法，其中，SoAi(i=l~N)篩選出最終參與波束成形的K個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點SoAkw (m=l~K，K≤N)的算法還包括:在具有第二通信狀態(tài)的一類SoA和具有第三通信狀態(tài)的一類SoA中，去除數(shù)目較多的一類SoA中的若干SoA，使得兩類SoA的數(shù)目相等。
9.如權(quán)利要求1所述的分布式波束成形方法，其中，所述網(wǎng)絡(luò)A為傳感器網(wǎng)絡(luò)或認知無線網(wǎng)絡(luò)，所述網(wǎng)絡(luò)B為傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)。
10.一種分布式波束成形系統(tǒng)，包括:做分布式波束成形的N個網(wǎng)絡(luò)A源節(jié)點(SoA)、網(wǎng)絡(luò)A目的節(jié)點(DoA)和網(wǎng)絡(luò)B目的節(jié)點(DoB)，其中，N為自然數(shù)，DoA配置有第一發(fā)送單元，DoB配置有第二發(fā)送單元、第二接收單元、第二信號特征量估計單元，每個SoA配置有第三發(fā)送單元、第三接收單元、第三信號特征量估計單元、通信狀態(tài)信息形成單元、篩選單元、計算單元，并且， DoA的第一發(fā)送單元向要做分布式波束成形的N個SoA以及向DoB廣播第一參考信號，DoB的第二接收單元和各個SoA的第三接收單元接收到第一參考信號后，DoB的第二信號特征量估計單元和各個SoA的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘分別估計出該第一參考信號的特征量的值； DoB的第二發(fā)送單元根據(jù)DoB的第二信號特征量估計單元估計出的第一參考信號的特征量的值形成第二參考信號，并向各個SoA廣播第二參考信號，各個SoA的第三接收單元接收到第二參考信號后，各個SoA的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘分別估計出該第二參考信號的特征量的值；N個SoA中的每個SoA的通信狀態(tài)信息形成單元根據(jù)該SoA的第三信號特征量估計單元估計出的第一參考信號和第二參考信號的特征量的值形成自己的通信狀態(tài)信息，并通過該SoA的第三發(fā)送單元向其余的SoA廣播該通信狀態(tài)信息，每個SoA的篩選單元根據(jù)該SoA獲得的所有SoA的通信狀態(tài)信息按照同一算法篩選出最終參與波束成形的K個SoAkwCm= I ~K, K ≤ N); SoA κω的第三發(fā)送單元根據(jù)第三信號特征量估計單元估計出的第二參考信號的特征量的值形成下行傳遞信號，并將該下行傳遞信號發(fā)送給SoA κ(2)，然后，按SoAk(2) — SoAk(3)—…一SoAk_)的順序，每個SoA的第三接收單元接收上一個SoA的第三發(fā)送單元發(fā)送的下行傳遞信號、該SoA的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘估計出該下行傳遞信號的特征量的值、該SoA的第三發(fā)送單元根據(jù)該下行傳遞信號的特征量的值形成新的下行傳遞信號并將該新的下行傳遞信號發(fā)送給下一個SoA，最后SoAkgo的第三接收單元接收SoA k(k_d的第三發(fā)送單元發(fā)送的下行傳遞信號，并且SoAK(K)的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘估計出該下行傳遞信號的特征量的值； SoA κ(κ)的第三發(fā)送單元根據(jù)第三信號特征量估計單元估計出的第二參考信號的特征量的值形成上行傳遞信號，并將該上行傳遞信號發(fā)送給SoA k(k_d,然后，按SoAk(k_d — SoAk(k_2)—…一SoAk⑵的順序，每個SoA的第三接收單元接收下一個SoA的第三發(fā)送單元發(fā)送的上行傳遞信號、該SoA的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘估計出該上行傳遞信號的特征量的值、該SoA的第三發(fā)送單元根據(jù)該上行傳遞信號的特征量的值形成新的上行傳遞信號并將該新的上行傳遞信號發(fā)送給上一個SoA，最后SoAK(1)的第三接收單元接收SoA κ(2)的第三發(fā)送單元發(fā)送的上行傳遞信號，并且SoAK(1)的第三信號特征量估計單元根據(jù)自己的本地時鐘估計出該上行傳遞信號的特征量的值； SoAK(ffl) (m=l~K)中的每個SoA的計算單元根據(jù)在上述過程中獲得的各信號的特征量的值計算出做波束成形時所用載波信號的特征量的值，并且該SoA的第三發(fā)送單元根據(jù)該載波信號的特征量的值形成載波來進行波束成形。
【文檔編號】H04W84/18GK103840866SQ201410067293
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】郭莉, 張超 申請人:北京郵電大學(xué)