[发明专利]一种基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法。

背景技术

波束赋形技术是一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术，其主要原理是利用空间信道的强相关性，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向图的主瓣自适应地指向用目标方向，从而提高信噪比，提高系统容量和覆盖范围。波束赋形技术可应用于蜂窝小区的基站，通过空分多址来区分一个小区内(或多个小区之间的)多个用户，使其共享相同的时频资源。例如，3GPP长期演进(Long Term Evolution，LTE)为了满足高数据率和高系统容量的需求，支持下行波束赋形。

波束赋形技术要求发送端的天线数至少为2，且天线数越多产生的方向图的指向性越强，但在一些应用场景中由于成本或者体积等方面的约束使得发送信息的无线节点的天线数为1，如在无线传感网(Wireless Sensor Network，WSN)中，此时，发送过程不能使用波束赋形技术，因此需要多个发送节点协作来实现波束赋形，这就是协作波束赋形技术。

协作波束赋形技术是利用多个无线节点的天线来形成一个虚拟的多天线，并通过协作建立和协作发射两个步骤进行协同工作。在协作建立过程中确定发送信息的发送节点以及参与协作发射的协作节点，并为每个节点分配一个权值；在协作发射过程中发送节点将发送的信息共享给各个协作节点，并进行协作发射。

协作波束赋形技术使各无线节点之间以协作的方式进行波束赋形，它能有效应用于WSN、第三代移动通信(3G)、第四代移动通信(4G)及太空通信中，使用该技术可以最小化网络的能耗、增加网络的可靠性以及增加系统的吞吐量。关于波束赋形的研究主要包括协作波束赋形的方向图的分析、网络生存时间的分析、旁瓣抑制算法以及协作权值的计算等。协作权值的计算是协作波束赋形中的难点，因为波束赋形的权值计算需要全局的信道状态信息(CSI)，而在协作波束赋形的场景中每个节点只能获知本地的信道状态信息，这就为权值的计算带来了很大的挑战。

目前，协作权值计算的方法主要有两种：第一种是通过分布式计算的方法来实现权值的计算；第二种是通过所有参与协作发送的节点与接收节点的交互来动态调整本地的权值使其收敛。其中，第一种计算方法中协作节点间的交互信息量过大、开销过高以及对信道信息要求过高而导致其难以实现。第二种计算方法对节点和信道信息的要求不高，更具有可行性，其中研究较多的是基于1bit反馈的协作波束赋形方法。U.Madhow等第一次提出了通过协作节点在权值上增加一个随机扰动，目标节点测量信号能量并反馈1bit控制信息的1bit反馈协作波束赋形方法(R.Mudumbai,J.Hespanha,U.Madhow,and G.Barriac,“Scalable feedback control for distributed beamforming in sensor networks,”in Proc.International Symposium on Information Theory,Adelaide,SA,Sept.2005,pp.137–141.)。但是这种方法没有充分利用反馈回的1bit信息，只在目标节点反馈1的时候才对权值的扰动进行确定，从而导致收敛的速度很慢。2010年，John S.Thompson等提出了一种针对上述方法的改进，这种改进集中在对反馈的1bit信息的处理，改进之后充分利用了反馈的1bit信息，即目标节点反馈0和1时都会对权值的扰动进行确认(S.Song,J.S.thompson,P.J.Chung,and P.M.Grant,“Improving the one-bit feedback algorithm for distributed beamforming,”in Proc.IEEE Wireless Communications and Networking Conference,Sydney,Australia,Apr.2010.)，但是，该方法的权值扰动仍然没有方向性，虽然改进的方法在收敛性上有了一定的提升但仍有很大的提升空间。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法，该方法将随机选择的扰动改进为具有一定方向性的随机扰动，大幅度提高了收敛速度。

本发明的技术方案如下：

一种基于方向扰动的1bit反馈协作波束赋形的方法，包括以下步骤：