本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，主要涉及基于兩時(shí)隙的一比特反饋協(xié)作波束成形技術(shù)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)波束成形技術(shù)得到了廣泛的研究，其是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和天線技術(shù)的融合，目的是用于信號(hào)的定向傳輸和接收，以達(dá)到最大的傳輸效率。波束成形技術(shù)可以通過(guò)多天線陣列各路信號(hào)的加權(quán)合成，形成所需的特定方向的信號(hào)。其中最關(guān)鍵的技術(shù)是mimo(multiple-inputmultiple-output)技術(shù)，旨在發(fā)送端和接收端配備多個(gè)天線，顯著的提高通信的質(zhì)量和信道容量。然而在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，有的終端難以配備多個(gè)天線，因此很多系統(tǒng)都是以分布式的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。在本文所研究的分布式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同的信息，當(dāng)它們同時(shí)協(xié)作傳輸時(shí)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)則構(gòu)成了該分布式系統(tǒng)的多天線結(jié)構(gòu)。通過(guò)協(xié)作波束成形技術(shù)，最大限度的提高了傳輸距離和傳輸效率，降低通信成本。

波束成形技術(shù)將多路信號(hào)加權(quán)合成，形成所需的理想信號(hào)并發(fā)送到接收端，將原來(lái)全方向的接收方位圖變成了有零點(diǎn)和最大指向的波瓣圖，可以極大的改善接收端的信噪比。實(shí)現(xiàn)波束成形中各路信號(hào)的權(quán)值計(jì)算一般分為兩種方法。第一種是當(dāng)已知鏈路的全局信道狀態(tài)信息csi時(shí)，通過(guò)發(fā)送節(jié)點(diǎn)間的交互，計(jì)算相應(yīng)的發(fā)送權(quán)值。第二種則是利用接收端的反饋動(dòng)態(tài)的調(diào)整發(fā)送端的各路權(quán)值，以使接收端達(dá)到預(yù)定的要求。第一種方法對(duì)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和csi要求過(guò)高，且通信開(kāi)銷較大導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)難度大。而第二種方法對(duì)信道信息要求不高，對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信距離短、能耗低的傳感節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，更容易實(shí)現(xiàn)更高的通信效率。

以下文獻(xiàn)介紹了目前基于一比特反饋的協(xié)作波束成形技術(shù)方法：

文獻(xiàn)[1]mudumbair,hespanhaj,madhowu,etal.scalablefeedbackcontrolfordistributedbeamforminginsensornetworks[c]//informationtheory,2005.isit2005.proceedings.internationalsymposiumon.ieeexplore,2005:137-141.該方法首次提出了一比特反饋迭代算法，其目的是為了使節(jié)點(diǎn)的相位達(dá)到對(duì)齊，在每個(gè)時(shí)隙為每個(gè)傳送節(jié)點(diǎn)附加一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)相位，并同時(shí)發(fā)送到接收端。接收側(cè)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)，說(shuō)明本次擾動(dòng)成功。此時(shí)向發(fā)送端反饋比特1，否則反饋比特0.若發(fā)送端接收到反饋比特1后，保持之前的擾動(dòng)值，否則拋棄該擾動(dòng)值，進(jìn)行下一次隨機(jī)擾動(dòng)，反復(fù)迭代以使接收信號(hào)相位達(dá)到對(duì)齊并收斂。這種算法只有在反饋1的時(shí)候才對(duì)權(quán)值擾動(dòng)操作，從而導(dǎo)致擾動(dòng)速度過(guò)慢。

文獻(xiàn)[2]songs,thompsonjs,chungpj,etal.improvingtheone-bitfeedbackalgorithmfordistributedbeamforming[c]//wirelesscommunicationsandnetworkingconference(wcnc),2010ieee.ieee,2010:1-6.；[3]haifen,yang,ning,etal.collaborativebeamformingbasedondirectionalperturbationusingonebitfeedback[j].journalofsystemsengineeringandelectronics,2016,27(3):549-554.分別提出了一種改進(jìn)算法，即增加了一個(gè)額外的相位校正因子，當(dāng)擾動(dòng)失敗時(shí)，相位校正因子在下一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行負(fù)向的擾動(dòng)，從而加快了收斂的速度。但是這種方法對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)的幅值要求較大，當(dāng)相位差較小時(shí)，大幅值的擾動(dòng)反而降低收斂速度。

文獻(xiàn)[4]songs,thompsonjs.one-bitfeedbackalgorithmwithdecreasingstepsizefordistributedbeamforming[c]//cognitivewirelesssystems(ukiwcws),2010seconduk-india-idrcinternationalworkshopon.ieee,2010:1-5.這種方法對(duì)擾動(dòng)步長(zhǎng)進(jìn)行了研究，設(shè)置了一個(gè)擾動(dòng)失敗計(jì)數(shù)參數(shù)，當(dāng)連續(xù)的擾動(dòng)失敗達(dá)到一定次數(shù)以后，改變擾動(dòng)步長(zhǎng)，防止接近收斂時(shí)步長(zhǎng)過(guò)大，但其收斂速度較慢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在背景技術(shù)的方法中，都只利用了當(dāng)前時(shí)隙的反饋值，本發(fā)明提出一種基于兩個(gè)時(shí)隙的一比特反饋協(xié)作波束成形方法，該方法每個(gè)時(shí)隙仍然只反饋一個(gè)比特，利用上一時(shí)隙和當(dāng)前時(shí)隙的反饋比特動(dòng)態(tài)調(diào)整相位擾動(dòng)步長(zhǎng)和校正因子，并去除了對(duì)比文獻(xiàn)中連續(xù)擾動(dòng)失敗參數(shù)，減小復(fù)雜度，加快收斂的速度。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于兩個(gè)時(shí)隙的一比特反饋協(xié)作波束成形方法，該方法包括：

步驟1：模型建立：設(shè)共有n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中n個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)傳送消息；

步驟2：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：設(shè)n代表時(shí)隙，則涉及的參數(shù)為θi[n]，δi[n]＝±δ[n]，τi[n]，rss[n]，其中θi[n]表示第i個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)在第n時(shí)隙的相位權(quán)值，δi[n]表示第i個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)在第n時(shí)隙的相位隨機(jī)擾動(dòng)值，并且以等概率取值±δ[n]；τi[n]是第i個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙n的相位校正因子，rss[n]為接收節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙n的接收信號(hào)強(qiáng)度；

步驟3：其他參數(shù)設(shè)定：b[n]表示第n個(gè)時(shí)隙的反饋值為0或1，b[n-1]表示n-1時(shí)隙的反饋值；rd：0＜rd＜1表示擾動(dòng)步長(zhǎng)調(diào)整因子，用于根據(jù)一比特反饋值動(dòng)態(tài)調(diào)整相位擾動(dòng)δ[n]的大?。?/p>

步驟4：在時(shí)隙n，第i個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)采用已知的相位權(quán)值、相位隨機(jī)擾動(dòng)值、相位校正因子參與波束成形，則相應(yīng)的發(fā)送相位權(quán)值為：φi[n]＝θi[n]+δi[n]+τi[n]；

步驟5：在時(shí)隙n，接收節(jié)點(diǎn)接收n個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)發(fā)送的波束信號(hào)計(jì)算出相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度rss[n]，并且將當(dāng)前時(shí)隙的rss[n]值與已知的其中最大rss與rssbest[n]做比較；

若rss[n]＞rssbest[n]，則更新下個(gè)時(shí)隙rssbest[n+1]＝rss[n]，此時(shí)表明當(dāng)前時(shí)隙的相位擾動(dòng)成功，接收信號(hào)增強(qiáng)，并向發(fā)送端反饋一比特信息b[n]＝1，若rss[n]≤rssbest[n]，則說(shuō)明相位隨機(jī)擾動(dòng)失敗，rssbest[n]保持當(dāng)前值不變，并向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋一比特信息b[n]＝0；

步驟6：發(fā)送端的協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收反饋回的一比特信息作出相應(yīng)的相位權(quán)值調(diào)整；

當(dāng)接收的反饋比特信息為1時(shí)，表明擾動(dòng)成功，保留該時(shí)隙的相位擾動(dòng)值和相位校正因子，并用于下一個(gè)時(shí)隙相位權(quán)值的計(jì)算，即θi[n+1]＝θi[n]+δi[n]+τi[n]，接收的反饋比特信息為0時(shí)，擾動(dòng)失敗，因此丟棄該時(shí)隙附加的相位擾動(dòng)值δi[n]和相位校正因子τi[n]；

即θi[n+1]＝θi[n]；

步驟7：發(fā)送端協(xié)作節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙的反饋以及上一時(shí)隙的反饋值調(diào)整n+1時(shí)隙相位擾動(dòng)δ[n+1]和校正因子τi[n+1]：若b[n-1]b[n]＝11，表明n-1時(shí)隙和本時(shí)隙都擾動(dòng)成功，兩次連續(xù)成功表明遠(yuǎn)離收斂值，增大相位擾動(dòng)的步長(zhǎng)和相位校正因子，加快收斂速度，即δ[n+1]＝δ[n]/rd，τi[n+1]＝τi[n]/rd；若b[n-1]b[n]＝01，表明n-1時(shí)隙擾動(dòng)失敗，本時(shí)隙擾動(dòng)成功，由于是隨機(jī)擾動(dòng)，因此只適當(dāng)增大擾動(dòng)步長(zhǎng)，保持校正因子不變，即δ[n+1]＝δ[n]/rd，τi[n+1]＝τi[n]；若b[n-1]b[n]＝00，此時(shí)表明連續(xù)兩個(gè)時(shí)隙擾動(dòng)失敗，由于步長(zhǎng)過(guò)大導(dǎo)致靠近收斂時(shí)偏離最優(yōu)的接收信號(hào)強(qiáng)度，因此減小相位擾動(dòng)的步長(zhǎng)值，由于當(dāng)前時(shí)隙反饋為0，δi[n]擾動(dòng)使接收信號(hào)強(qiáng)度減弱，則相位擾動(dòng)值的相反數(shù)必然會(huì)使協(xié)作信號(hào)增強(qiáng)；

因此使下一時(shí)隙相位校正因子更新為擾動(dòng)幅值的相反數(shù)；即τi[n+1]＝-δi[n]，δ[n+1]＝δ[n]*rd；若b[n-1]b[n]＝10，表明n-1時(shí)隙擾動(dòng)成功，當(dāng)前時(shí)隙擾動(dòng)失敗，使相位校正因子往負(fù)向擾動(dòng)，保持相位擾動(dòng)步長(zhǎng)不變，即τi[n+1]＝-δi[n]，δ[n+1]＝δ[n]；

步驟8：目的節(jié)點(diǎn)更新最大的rssbest[n+1]后，判斷是否滿足預(yù)定的信號(hào)強(qiáng)度要求；如果滿足則向所有協(xié)作節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息，協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收到確認(rèn)信息后，保持當(dāng)前的相位權(quán)值發(fā)送后續(xù)的數(shù)據(jù)信息，可達(dá)到最大的通信效率；否則將時(shí)隙n自動(dòng)加1，并重復(fù)步驟4-8。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：在不增加系統(tǒng)開(kāi)銷的條件下，每個(gè)時(shí)隙仍然只反饋一個(gè)比特信息，利用當(dāng)前時(shí)隙的反饋和上一時(shí)隙的反饋值決定下一時(shí)隙的相位擾動(dòng)步長(zhǎng)和校正因子，在保留之前算法的優(yōu)勢(shì)上，實(shí)時(shí)的調(diào)整相位擾動(dòng)步長(zhǎng)和校正因子，在相位差很小時(shí)適當(dāng)減小擾動(dòng)步長(zhǎng)，遠(yuǎn)離收斂值時(shí)適當(dāng)增加擾動(dòng)步長(zhǎng)，提高擾動(dòng)的正確率，加快了收斂的速度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)模型圖；

圖2是本發(fā)明和對(duì)比文獻(xiàn)在δ0＝π/200，rd＝0.75收斂速度仿真對(duì)比圖；

圖3是本發(fā)明和對(duì)比文獻(xiàn)在δ0＝π/200，rd＝0.5收斂速度仿真對(duì)比圖；

圖4是本發(fā)明和對(duì)比文獻(xiàn)在δ0＝π/50，rd＝0.75收斂速度仿真對(duì)比圖；

圖5是本發(fā)明和對(duì)比文獻(xiàn)收斂的最小時(shí)隙仿真對(duì)比圖；

圖6是本發(fā)明和對(duì)比文獻(xiàn)相對(duì)于文獻(xiàn)[1]的增益對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為了更好的理解本發(fā)明，下面將以上述技術(shù)方案為基準(zhǔn)，詳細(xì)介紹本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程，且本發(fā)明的實(shí)施范圍為一般場(chǎng)景，不只限于下文所述情形。

假設(shè)本案例中有100個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)，1個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分別配備單天線，為了降低能耗，增加通信距離，100個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)同時(shí)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送協(xié)作波束。協(xié)作節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在r＝4的圓形區(qū)域中，且其圓心與目的節(jié)點(diǎn)的距離d＝100；在信號(hào)傳播過(guò)程中，信道為靜變信道，因此我們只考慮信道對(duì)傳輸信號(hào)的相位產(chǎn)生的影響，并對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的功率進(jìn)行歸一化處理。

不失一般性，整個(gè)過(guò)程從時(shí)隙n＝0開(kāi)始，并使100個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的初始相位權(quán)值為0，即θi[0]＝0,(i＝1,2…100)；協(xié)作節(jié)點(diǎn)的初始隨機(jī)相位擾動(dòng)為δi[0]＝±δ0，(i＝1,2…100)，初始相位校正因子τi[0]＝τi-init＝0(i＝1,2…100)，目的節(jié)點(diǎn)的初始rssbest＝0。設(shè)初始時(shí)隙的上一時(shí)隙反饋為1，即b[-1]＝1。為找到合適的步長(zhǎng)調(diào)整因子rd，經(jīng)過(guò)多次仿真我們?cè)O(shè)rd＝0.75

下面我們將根據(jù)上述搭建好的系統(tǒng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)施步驟：

步驟1：在任一時(shí)隙n，協(xié)作節(jié)點(diǎn)生成自適應(yīng)的相位權(quán)值。各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置，初始化相位隨機(jī)擾動(dòng)值δi[n]和相位校正因子τi[n]，i＝1,2…100。因此每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)相位權(quán)值為：φi[n]＝θi[n]+δi[n]+τi[n],i＝1,2,…100，并將其作為節(jié)點(diǎn)的發(fā)送相位。

步驟2：發(fā)送節(jié)點(diǎn)間共享數(shù)據(jù)信息x[n]，并攜帶各自的相位權(quán)值發(fā)送，因此各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息為：

步驟3：各個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送協(xié)作波束后，信號(hào)經(jīng)過(guò)高斯信道到達(dá)目的地，則節(jié)點(diǎn)檢測(cè)接收信號(hào)r[n]：

上述表達(dá)式中，表示從協(xié)作節(jié)點(diǎn)i到接收端的靜變信道，ai表示信道衰減因子，表示無(wú)線信道的相位響應(yīng)，γi表示協(xié)作節(jié)點(diǎn)間非理想的相位同步影響。ω[n]表示高斯白噪聲信號(hào)，且ω[n]～n(0,σ²)，我們采用信號(hào)增益r[n]等效接收信號(hào)的強(qiáng)度rss，則波束成形的信號(hào)增益為：

其中，表示節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)總的相位偏移。觀察上式可知，當(dāng)相位偏移滿足φ1[n]＝φ2[n]＝…＝φ100[n]時(shí)，此時(shí)接收信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到最大值，即：

因此我們的目標(biāo)就是使各個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)在接收端的相位偏移相同，也就是相位對(duì)齊(phasealignment)，而由于靜變信道相位響應(yīng)和節(jié)點(diǎn)不同步的相位偏移γi都是固定的未知量，因此我們只需要調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送相位權(quán)值θi[n]，并找到使所有節(jié)點(diǎn)相位對(duì)齊的最優(yōu)θi[n]，則可使接收信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到最大值。

步驟4：目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)，計(jì)算出信號(hào)強(qiáng)度rss[n]后，與當(dāng)前最優(yōu)的rss值比較，作出相應(yīng)的判決。

若rss[n]＞rssbest[n]，表明當(dāng)前時(shí)隙的擾動(dòng)成功，并向發(fā)送端反饋一比特信息b[n]＝1；

若rss[n]≤rssbest[n]，則說(shuō)明相位隨機(jī)擾動(dòng)失敗，并向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋一比特信息b[n]＝0。

步驟5：協(xié)作節(jié)點(diǎn)接收反饋的1比特信息作出下一時(shí)隙的相位權(quán)值調(diào)整。當(dāng)接收的反饋bit為1時(shí)，表明擾動(dòng)成功，保留該時(shí)隙的相位擾動(dòng)和相位校正，并用于下一個(gè)時(shí)隙相位權(quán)值的計(jì)算，即θi[n+1]＝θi[n]+δi[n]+τi[n]，若接收的反饋bit為0時(shí)，擾動(dòng)失敗，丟棄該時(shí)隙的相位擾動(dòng)，即θi[n+1]＝θi[n]；并且發(fā)送節(jié)點(diǎn)聯(lián)合當(dāng)前時(shí)隙的反饋值b[n]與上時(shí)隙反饋值b[n-1]，再按照之前的準(zhǔn)則修改n+1時(shí)隙的相位擾動(dòng)大小δ[n+1]和校正因子τi[n+1]，以用于下個(gè)時(shí)隙的相位擾動(dòng)和校正。

步驟6：目的節(jié)點(diǎn)計(jì)算接收信號(hào)強(qiáng)度并作出判決以后；

更新rss的最大值rssbest[n+1]＝max(rss[n],rssbest[n])，以便用于n+1時(shí)隙的判決。此時(shí)檢測(cè)該值是否滿足系統(tǒng)的預(yù)定要求。如果符合要求，則向發(fā)送端廣播確認(rèn)信息，保留當(dāng)前相位權(quán)值以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。否則將時(shí)隙加1，重復(fù)步驟1-6，反復(fù)迭代以使接收信號(hào)收斂。

圖2，圖3和圖4分別畫(huà)出了5種不同的一比特反饋協(xié)作波束成形的收斂過(guò)程。其中，當(dāng)初始隨機(jī)相位擾動(dòng)δ0＝π/200，步長(zhǎng)調(diào)整因子rd＝0.75時(shí)，本發(fā)明所用方法從一開(kāi)始收斂速度就明顯優(yōu)于對(duì)比文獻(xiàn)的方法，并且最先達(dá)到收斂值。從圖3可以看到，當(dāng)相位擾動(dòng)δ0＝π/200，步長(zhǎng)調(diào)整因子rd＝0.5的條件下，本發(fā)明所采用的方法同樣在收斂速度上明顯優(yōu)先其他方法，也最快達(dá)到收斂。在圖4中當(dāng)δ0＝π/50時(shí)，即隨機(jī)相位擾動(dòng)值比較大時(shí)，本方法在500個(gè)時(shí)隙以后收斂速度開(kāi)始快于其它方法，并且最快達(dá)到系統(tǒng)的收斂值。因此，通過(guò)三個(gè)圖的分析，本方法無(wú)論在大的擾動(dòng)值還是小擾動(dòng)值情況下，收斂速度都明顯好于其它四種方法。

圖5給出了在不同的rss門限值的情況下，幾種方法的最小時(shí)隙數(shù)。由圖觀察知，本文所采用的方法在各個(gè)門限值的情況下，滿足所要求門限值的最小時(shí)隙數(shù)都小于其它方法，并且在系統(tǒng)門限值的條件下，本發(fā)明的最小時(shí)隙數(shù)至少比其它方法小了2000個(gè)。

圖6刻畫(huà)了文獻(xiàn)[2]、[3]、[4]以及本文相對(duì)于原始方法文獻(xiàn)[1]的收斂速度增益。從圖中觀察可知，文獻(xiàn)[2]中的方法相對(duì)于文獻(xiàn)[1]在收斂速度上增益在38％左右，文獻(xiàn)[3]的增益為70％左右，而本文采用的方法在收斂速度上相對(duì)于文獻(xiàn)[1]增益為80％左右，最高可以達(dá)到85％。