CN101227242B - 一种基于通道校正的分布式天线阵列波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于通道校正的分布式阵列天线波束成形方法，首先构建一个“虚拟”天线簇，簇内各节点之间采用一种主从结构；按照预设收发时隙，主节点同时向所有从节点发射参考信号，各从节点接收后利用其锁相环对接收参考信号锁相，然后通过反馈的方式，依次将各自锁相环输出的基带参考信号发回主节点；主节点根据各从节点发回的信号计算得出相应的校正因子，并存储；当获得各从节点的校正因子后，便以数据形式广播，各从节点从数据广播中提取各自的校正因子；最后各从节点通过接收基站发出的参考信号并对信道进行估计补偿后利用已得到的校正因子，对待发信号进行相位校正，当所有从节点发射的信号到达基站后同相叠加，在基站方向上形成波束。

Description

一种基于通道校正的分布式天线阵列波束形成方法

技术领域

本发明涉及一种分布式天线阵列的波束形成方法，特别涉及一种基于通道校正的分布式天线阵列波束形成方法。

背景技术

在无线通信***中，通过对阵列通道接收和发射的信号进行幅相加权，可以控制天线波束的方向和形状，以实现对特定用户的定向发射和接收，从而提高***容量、改善接收信号信噪比、在保证相同通信质量的情况下降低发射功率、扩展***的覆盖范围，同时，将发射能量汇聚于某个特定方向还提高了通信***的安全性。

当全向天线在空间上隔开一定的距离放置时，每个天线辐射场的相位是有差异的。这种相位差导致了辐射场在不同的方向上有着不同的强度，它们或叠加增强或相互抵消减弱。因此，导致了合成的辐射场是有方向性的。这样，通过改变每个天线发射信号的相位，便可以实现波束形成。

当一个发射机具有多个天线时，发射机通过控制信号到达每个天线时的信号相位来实现定向波束，由于整个过程都是在同一个发射机内本地进行，因此频率同步、相位同步问题相对简单。然而，在许多场合下，如无线传感器网络，由于功耗、体积等因素的限制，每个传感器节点只具有单天线结构，但波束形成的需求在无线传感器网络中的需求仍然十分旺盛，例如需要小型飞机收集传感器节点数据时，飞机与节点间的通信距离可能会大于所有节点的覆盖范围；或者由于飞机或炮弹布撒的原因，某些传感器节点远离其它节点而成为孤立节点，这些节点的数据将无法上传给基站(数据收集点)。在这些情况下，如果利用多个单天线节点构成一个“虚拟”天线阵，通过波束形成使得主波束指向数据收集点，通信覆盖距离增加，从而解决上述问题。由于多个单天线发射机相互协作形成一个“虚拟”天线阵实现波束形成，并且它们各自有着自己的本地振荡器，相互之间没有直接相连，因此称其为分布式天线阵列。

在发射总功率相等的条件下，M阵元的波束形成比M阵元的基于空时编码的发射分集能够多带来10log₁₀M dB的增益。另一方面，若维持单个节点的发射功率不变，M阵元的波束形成将比单天线多出20log₁₀M dB的增益。在单个节点通信距离无法覆盖远处的数据收集节点时，分布式节点间通过相干协作实现波束形成的通信方式将比单节点多跳通信有着无法替代的明显优势。

目前有众多专利文献涉及天线阵列的校正方法。如1997年5月21日公开的中国专利CN1150499A，标题为“天线阵列校正”。2007年4月24日公开的美国专利US 7,209,078，标题为“Antenna array calibration(天线阵列校正)”。然而这些专利都是针对于传统的集中式天线阵列，即各天线有着同一个本振源，各收发通道之间通过有线方式连接到校正模块，并不适用于由单天线收发机组成的“虚拟”天线阵列。

在2007年5月IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS，VOL.6，NO.5上发表的题为“On the Feasibility of Distributed Beamformingin Wireless Networks”的文章中提出了一种分布式天线阵列的波束形成方法，但该方法中假设了收发通道是对称的，具有互易性，并且没有考虑各节点收发通道之间的误差。然而在实际中这种通道间的误差是确实存在的，首先由于信号在接收和发送过程中本身并不是沿同一路径进行处理，因此收发通道间会存在误差，其次由于通道放大器的相位/增益随温度变化有差异，变频器件的老化、滤波器时延及其幅频/相频特性失真等引起的频率响应不一致等都会使得各节点的接收(或发送)通道之间存在误差。当通道误差存在时，该文献中所述方法不能够校准这些误差，经过校正后的节点间并不能保证其相位的同步性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于通道校正的分布式阵列天线的波束成形方法，改善分布式阵列天线通信的质量，同时克服现有方法对于存在通道误差时从节点间相位不能正确同步的问题。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种基于通道校正的分布式天线阵列的波束形成方法，包括下述步骤：

a).首先构建一个“虚拟”天线簇，簇内各节点之间采用一种主从结构，即包括一个主节点M和N个从节点，由主节点M控制从节点S_i与远方的无线基站BS通信，其中S_i为簇内的任一从节点，i＝1、2、……、N；

b).按照预设的收发时隙，主节点M向所有从节点发射参考信号，各从节点S₁、……、S_N同时接收该参考信号，并将其输入给各自的基带锁相环，当锁相环稳定后，锁相环输出信号与输入参考信号相位相同，即锁相环在基带恢复了参考信号；

c).主节点M设为接收状态，所有从节点维持锁相环继续产生基带参考信号，并通过反馈的方式，按预设的收发时隙依次将各自锁相环输出的基带参考信号发回主节点M；主节点M根据自身的参考信号和各从节点发回的参考信号计算得出相应的校正因子，并将校正因子存储；

d).当主节点M获得所有从节点的校正因子后，主节点M按预设的收发时隙以数据广播的形式将所有从节点的校正因子广播给所有从节点，各从节点从数据广播中提取各自的校正因子；

e).所有从节点维持锁相环继续产生基带参考信号，并按预设的收发时隙通过接收由基站BS发出的参考信号，利用公知的信道估计算法对基站BS与各从节点间的信道进行估计并补偿；

f).在信道补偿的基础上，各个从节点再利用d)步骤中得到的校正因子，对待发信号相位进行校正后按预设的收发时隙发射；簇内所有从节点发射的信号到达基站BS后同相叠加，“虚拟”天线簇在基站BS方向上形成波束。

上述方案中，所述预设的收发时隙，其具体划分为：一个完整周期包括时隙1、时隙2、……、时隙N、时隙N+1、时隙N+2，其中时隙1到时隙N的每个时隙又可以划分为两个子时隙：时隙i.1和时隙i.2，i＝1……N，时隙N+2也分为两个子时隙：时隙(N+2).1和时隙(N+2).2；子时隙i.1和(N+2).1所对应的时隙长度为T1；子时隙i.2和(N+2).2所对应的时隙长度为的T2；时隙N+1所对应的时隙长度为T3；在时隙1到时隙N中，T1为主节点M向各从节点发射参考信号的时间，T2为各从节点传回参考信号的时间；在时隙N+1中，T3为主节点广播校正因子的时间；在时隙N+2中，对应子时隙(N+2).1的T1为基站向各从节点发射参考信号的时间，并且各从节点进行信道估计和补偿；对应子时隙(N+2).2的T2为各从节点对基站进行波束形成。

所述步骤c)中，所述主节点M根据自身的参考信号和各从节点发回的参考信号计算得出相应的校正因子，其具体过程包括：由于从节点S_i锁相环输出参考信号的相位为-θ_i-θ_ri-φ_i，经过上变频以及发射通道后变为-θ_i-θ_ri-θ_ti，该信号经从节点S_i与主节点M间的信道到达主节点M时的相位变化为-2θ_i-θ_ri-θ_ti，即主从节点间的相位误差；主节点M通过比较本地参考信号和从节点S_i发回参考信号的相位误差，通过校正因子计算模块得到对于从节点S_i的校正因子；主节点M分别对各个从节点进行上述处理过程，直到处理完所有从节点。

所述步骤f)中，簇内各从节点利用校正因子对待发信号相位进行校正，其过程包括：簇内各从节点在补偿与基站BS间信道的基础上，再利用各自的校正因子对待发IQ信号进行加权产生新的IQ信号，其相位调整了δ_i。

本发明方法所带来的有益效果是：由于各节点的发射信号到基站处载波相位一致，即使得各个从节点发射的信号在BS端同相叠加，因此在BS所在方向上形成波束，达到分布式的波束形成，从而提高信噪比或达到远距离传输的目的。

在发射维持单个节点的发射功率不变的条件下，N个阵元的波束形成将比单天线多出20log10N dB的增益。因此，波束形成在不增大每个节点发射功率的情况下增大了通信距离。

除了扩展通信的覆盖范围，采用本发明方法还可以改善接收信号的信噪比，在保证相同通信质量的情况下可以降低发射功率。同时，将发射能量汇聚于某个特定方向还提高了通信***的安全性。

更为重要的是，在某些特定场合，由于节点能耗和体积等限制，单个节点采用多天线是不现实的。在单天线节点通信距离无法覆盖远处的数据收集节点时，分布式节点间通过相干协作实现波束形成的通信方式将比单节点多跳通信有着无法替代的明显优势。

附图说明

图1为本发明本地节点构成虚拟天线阵列与基站通信***示意图。图中：BS、基站；M、主节点；S_i、簇内的任一从节点；i＝1、2、……、N。

图2为图1中的主、从节点的功能结构框图。其中：图2(a)为主节点功能结构框图，图2(b)为从节点功能结构框图；

图3为图1通信***中各节点初始相位关系。

图4为图1通信***的收发时隙划分。

图5为图1通信***中从节点S_i的收发相位误差及校正相位。其中：图5(a)为从节点S_i将主节点M发来参考信号下变频后所得到基带参考信号的相位，即锁相环输出信号相位；图5(b)为主节点M收到从节点S_i发回信号的相位，即相位误差δ_i；图5(c)为从节点S_i将基站BS发来参考信号下变频后所得到基带参考信号的相位；图5(d)为从节点S_i对信道进行补偿，并利用校正因子校正通道误差后发射信号的相位。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

以无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)应用为例来说明本发明的实施方式。

参考图1，本发明包括一簇能量受限的无线传感器节点和一个基站BS，传感器网络中的基站BS也被称作数据收集节点。由于随机布撒等原因，会出现传感器节点和基站BS的通信距离较远，单个节点通信范围无法覆盖到基站BS的情况，因此簇内节点间可以通过采用分布式的波束形成方式，将波束对准数据收集点，达到远距离通信的目的。首先构建一个“虚拟”天线阵列(天线簇)，簇内各节点之间采用一种主从结构，即包括一个主节点M和N个从节点，由主节点M控制从节点S_i、S₂、……S_i、……、S_N与远方的无线基站BS通信，其中S_i为簇内的任一从节点，i＝1、2、……、N；传感器网络中的各传感器相当于各从节点S₁、S₂、……S_i、……、S_N。

如图2(a)所示，主节点的功能结构包括两大部分，即基带和射频部分。基带部分包括：校正因子计算模块，通过比较本地参考信号和接收到从节点发回的参考信号得出校正因子；存储器，用于存储各从节点的校正因子；编码调制成帧模块，用于对校正因子进行编码调制等过程并将其转换为基带IQ信号。参考信号模块，用于生成持续的参考信号。选择器，用于在不同的时隙选择不同的发射信号。射频部分包括：天线；射频开关，用于切换收发状态；接收通道，用于将天线接收信号放大、滤波并将信号连接至下变频模块。发射通道，用于将射频信号放大后输出给天线发射。射频本振、90°相移模块、上/下变频模块，用于完成信号的频谱搬移。

如图2(b)所示，各从节点的功能结构包括两大部分，即基带和射频部分。基带部分包括：锁相环，用于产生本地参考信号；校正因子提取模块，用于从主节点广播的所有从节点校正因子中提取本从节点对应的校正因子；相位调整模块，根据相位校正因子对发射信号相位进行调整；信道估计与补偿模块，用于信道估计和补偿；选择器1、2，用于在不同的时隙选择不同的信号输入输出方向；从节点射频部分与主节点射频部分相同。

***中各节点初始相位关系如图3所示。不失一般性，为了简化说明，设节点的相位状态为：主节点M的载波相位为零。φ₁、φ₂、……、φ_N为从节点射频本振的初始相位；θ₁、θ₂、……、θ_N为主节点M到从节点S_i信道的相位误差；θ_r1、θ_r2、……、θ_rN为从节点S_i接收通道的相位误差；θ_t1、θ_t2、……、θ_tN为从节点S_i发射通道的相位误差；

……、

为基站BS到从节点S_i信道的相位误差。

主从节点以及基站间采取时分复用的双工模式进行通信，它们之间收发时隙的划分如图4所示。其中，T1为主节点或基站发射参考信号的时间，T2为从节点传回参考信号或从节点进行波束形成的时间，T3为主节点广播校正因子的时间。时隙1到时隙N进行从节点的相位校正因子的计算。其中每个时隙又可以划分为两个子时隙，称为时隙i.1和时隙i.2，(i＝1，2…，N)。时隙N+1，主节点将各从节点的相位校正因子广播给各从节点。时隙N+2为从节点与基站通信时隙，该时隙又可分成两个子时隙，分别称为时隙(N+2).1和时隙(N+2).2。在时隙(N+2).1中，基站发射参考信号，各从节点进行信道估计，并对信道进行补偿。在时隙(N+2).2中，各从节点对基站进行波束形成。

具体包括以下步骤：

在时隙i.1，主节点M向所有从节点发射参考信号，各从节点S₁、……、S_N同时接收该参考信号，并将接收到的参考信号下变频为基带参考信号。由于各从节点到主节点M的信道相位延迟、各从节点接收通道相位延迟以及各从节点射频本振初始相位均不相同，因此，各从节点得到的基带参考信号相位也不相同。具体的说，设θ_i为主节点M与从节点S_i间信道相位误差，θ_ri为从节点S_i接收通道的相位误差，φ_i为从节点S_i射频本振初始相位，则从节点S_i的基带参考信号相位为-θ_i-θ_ri-φ_i。从节点S_i将该基带参考信号输入到其锁相环，当锁相环稳定后，锁相环输出信号与输入的基带参考信号相位相同，如图5(a)所示。

在时隙i.2，从节点Si通过反馈的方式，将其锁相环输出的基带参考信号发回主节点M。由于从节点Si锁相环输出参考信号的相位为-θ_i-θ_ri-φ_i，经过上变频以及发射通道后变为-θ_i-θ_r1-θ_t1。该信号经从节点Si与主节点M间的信道到达主节点M时的相位变化为-2θ_i-θ_r1-θ_t1，参见图5(b)。-2θ_i-θ_r1-θ_t1即主节点M与从节点Si间的相位误差。主节点M根据自身的参考信号和从节点Si发回的参考信号计算得出相应从节点Si的校正因子。更具体的说，设I_L、Q_L分别为主节点M所发参考信号的I路和Q路信号，I_ri、Q_ri分别为主节点M收到的从节点Si发回的参考信号的I路和Q路信号。δi为主节点M与从节点Si间的相位误差，δi＝-2θ_i-θ_r1-θ_t1。则cosδi＝I_riI_L+Q_riQ_L，sinδi＝-Q_riI_L+I_riQ_L。cosδi和sinδi即可作为主节点M与从节点Si的相位校正因子。主节点M将从节点Si的校正因子cosδi和sinδi保存。

主节点M分别对各个从节点进行上述处理过程，直到处理完所有从节点。

在时隙N+1，主节点M将所有从节点的校正因子经编码调制成帧等过程处理后，以数据广播的形式发给从节点。各从节点S_i从该数据广播中提取各自的校正因子。

在时隙(N+2).1，所有从节点维持锁相环继续产生基带参考信号，并通过接收由基站BS发出的参考信号，如图5(c)所示，利用公知的信道估计算法对基站BS与各自间的信道进行估计并补偿，补偿信道传输所带来的相位误差

具体的信道估计和补偿方法可以用锁相环输出参考信号作为本振信号，通过将接收到基站BS所发参考信号与本振信号相乘估计出信道系数，再将估计出的信道系数取共轭补偿信道带来的相位误差。

在时隙(N+2).2，在信道补偿的基础上，各个从节点S_i再利用d)步骤中得到的校正因子，对待发IQ信号进行加权产生新的IQ信号，其相位调整了δ_i，如图5(d)所示；簇内所有从节点发射的信号到达基站BS后同相叠加，“虚拟”天线簇在基站BS方向上形成波束。

Claims (2)

1.一种基于通道校正的分布式天线阵列波束形成方法，其特征在于，包括下述步骤：

a).首先构建一个“虚拟”天线簇，簇内各节点之间采用一种主从结构，即包括一个主节点M和N个从节点，由主节点M控制从节点S_i与远方的无线基站BS通信，其中S_i为簇内的任一从节点，i＝1、2、……、N；

b).按照预设的收发时隙，主节点M向所有从节点发射参考信号，各从节点S₁、……、S_N同时接收该参考信号，并将其输入给各自的基带锁相环，当锁相环稳定后，锁相环输出信号与输入参考信号相位相同，即锁相环在基带恢复了参考信号；

c).主节点M设为接收状态，所有从节点维持锁相环继续产生基带参考信号，并通过反馈的方式，按预设的收发时隙依次将各自锁相环输出的基带参考信号发回主节点M；主节点M根据自身的参考信号和各从节点发回的参考信号计算得出相应的校正因子，并将校正因子存储；

d).当主节点M获得所有从节点的校正因子后，主节点M以数据广播的形式将所有从节点的校正因子按预设的收发时隙向所有从节点广播，各从节点从数据广播中提取各自的校正因子；

e).所有从节点维持锁相环继续产生基带参考信号，并按预设的收发时隙通过接收由基站BS发出的参考信号，利用公知的信道估计算法对基站BS与各从节点间的信道进行估计并补偿；

f).在信道补偿的基础上，各个从节点再利用步骤d)中得到的校正因子，对待发信号相位进行校正后按预设的收发时隙发射；簇内所有从节点发射的信号到达基站BS后同相叠加，“虚拟”天线簇在基站BS方向上形成波束。

2.如权利要求1所述的基于通道校正的分布式天线阵列波束形成方法，其特征在于，所述预设的收发时隙，其具体划分为：一个完整周期包括时隙1、时隙2、……、时隙N、时隙N+1、时隙N+2，其中时隙1到时隙N的每个时隙又划分为两个子时隙：时隙i.1和时隙i.2，i＝1……N，时隙N+2也分为两个子时隙：时隙(N+2).1和时隙(N+2).2；子时隙i.1和(N+2).1所对应的时隙长度为T1；子时隙i.2和(N+2).2所对应的时隙长度为的T2；时隙N+1所对应的时隙长度为T3；在时隙1到时隙N中，T1为主节点M向各从节点发射参考信号的时间，T2为各从节点传回参考信号的时间；在时隙N+1中，T3为主节点广播校正因子的时间；在时隙N+2中，对应子时隙(N+2).1的T1为基站向各从节点发射参考信号的时间，并且各从节点进行信道估计和补偿；对应子时隙(N+2).2的T2为各从节点对基站进行波束形成。

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