[發明專利]一種分布式波束成形方法和系統

有效

• 申請號: 201410067293.5
• 申請日: 2014-02-26
• 公開（公告）號: CN103840866B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 郭莉;張超
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04L27/26
• 分類號: H04L27/26;H04B7/04;H04B7/06;H04W84/18
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司11327
• 代理人: 陳英俊

技術領域

本發明涉及無線通信技術領域，具體地，涉及一種分布式波束成形方法及系統。特別地，本發明適用于傳感器網絡、認知無線網絡。

背景技術

波束成形是這樣一種技術，在該技術中，多個天線聯合起來形成天線陣列，對同一信號進行發送，通過調節每根天線的波束成形加權系數，使得某些位置的接收端信號強度增加。波束成形技術可以提高信噪比、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送信號所消耗能量的1/N，因此采用波束成形技術能夠大大地節省能量。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。在很多無線網絡（如GSM網絡、CDMA網絡、LTE網絡、傳感器網絡）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，在傳感器網絡中，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送給這些基站。

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。這種方法的優點是多個天線發送的信號具有相同的載波，很容易實現載波的同步，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。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備上。例如，一個手機可配置一根天線，將一群分散的手機聯合起來形成虛擬的天線陣列來做波束成形。這種方法的優點是，每個設備只需要一根天線，很容易實現。但問題是，從每根天線發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，需要考慮發送信號的設備的產生信號載波的本地時鐘的同步問題。

做分布式波束成形的各個通信設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備的本地時鐘的時間可以表示為t=β(t₀+Δ)，其中，t₀為標準時鐘的時間，β為該設備的本地時鐘相對于標準時鐘的偏差系數，Δ為該設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.Nelin,“Short-term frequency stability:Characterization,theory,and measurement”,Proc.IEEE,Vol.53,No.7,pp.704-722,Jul.1965）。這里，可以設任一參考設備的時鐘為標準時鐘，并且當通信時間很短時，Δ可以視為不隨時間變化的常數。

非專利文獻1（D.R.Brown III and H.Y.Poor,"Time-slotted round-trip carrier synchronization for distributed beamforming",IEEE Trans.on Signal Processing,Vol.56,No.II,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示出了一個網絡A，網絡A中的N個通信設備SoA₁～SoA_N聯合起來做分布式波束成形，這些通信設備為網絡A源節點（source node of network A，SoA），而網絡A中接收波束成形信號的通信設備DoA為網絡A目的節點（destination node of network A，DoA）。為了使SoA₁～SoA_N發出的信號在到達DoA時形成相干疊加，在SoA₁～SoA_N發射信號之前，需要對信號載波進行同步。