CN103905178B - 分布式***及其基于定向负反馈的闭环式相位同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于无线通信技术领域，提供了一种分布式***及其基于定向负反馈的闭环式相位同步方法。本发明在初始的几个时隙，在接收信号强度小于下一阶段阈值时，采用大步长扰动，能够使接收机接收信号强度快速增长。在后期时隙中，在接收信号强度小于下一阶段阈值时，采用小步长扰动，能够获得原有技术的稳定性，迭代地使接收机信号强度收敛到理想的情况。并且调整时是先确定发射机扰动步长的方向，当方向确定之后，说明每个发射机的调整方向是正确的，在后续时隙仅调整扰动步长大小，能够进一步加快后续接收信号强度的收敛。

Description

分布式***及其基于定向负反馈的闭环式相位同步方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种分布式***及其基于定向负反馈的闭环式相位同步方法。

背景技术

单比特反馈算法是实现发射机信号在接收端达到载波相位同步的常用技术。该算法目前最新的成果是一种基于分布式波束成型技术的混合的单比特反馈算法，具体利用接收机反馈回来的-1比特信息，对发射端的每个发射机进行一个步长扰动δ_i(n)的相位补偿以及在接收机连续反馈C_N个“-1”比特信息的时候,以一个比例因子ε_i(n)衰减δ_i(n)，能够及时调整发射机的相位补偿。该技术的优点是能够通过相位补偿使接收信号强度快速增长，通过相位衰减促使接收信号强度能够在某个时隙收敛。

但是根据研究发现，发射机在不同的步长下有不同的收敛速度，以及在不同的反馈调整机制下，算法的收敛增益会不同，因此现有算法的收敛速度和收敛能力都有提升的空间。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种分布式***基于定向负反馈的闭环式相位同步方法，旨在加速接收机的接收信号强度收敛速度和收敛能力。

本发明是这样实现的，一种分布式***基于定向负反馈的闭环式相位同步方法，包括在每个时隙执行的下述步骤：

步骤A，接收机判断当前时隙接收信号的强度是否大于等于下一阶段阈值,并根据判断结果反馈相应的单比特信息至发射机；

步骤B，发射机接收到所述单比特信息后进行解析，如果扰动步长最优方向未确定，同时解析结果为接收机接收信号的强度大于等于下一阶段阈值，则执行步骤C，否则执行步骤D；如果扰动步长最优方向确定，同时解析结果为接收机接收信号的强度大于等于下一阶段阈值，则执行步骤C，否则执行步骤E；所述的扰动步长最优方向是在出现接收信号强度小于下一阶段阈值的情况后，首次出现接收信号强度大于或者等于下一阶段阈值时，以上一时隙的扰动步长方向为之后所有时隙的扰动步长最优方向；

步骤C，发射机在下一时隙的最佳相位仍取其在当前时隙的最佳相位，且在下一时隙不产生扰动步长，并在下一时隙直接以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号，同时阶段数加一；所述的初始相位为发射机在第一个时隙根据发射机接收到的信号估算获得；

步骤D，下一时隙的扰动步长等于其扰动步长方向与当前的阶段阈值步长的乘积，发射机在下一时隙的最佳相位为当前时隙的最佳相位加上下一时隙的扰动步长并减去当前时隙的扰动步长，发射机在下一时隙以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号；其中,所述扰动步长方向由发射机随机生成；

步骤E，下一时隙的扰动步长等于其扰动步长最优方向与当前的阶段阈值步长的乘积，发射机在下一时隙的最佳相位为当前时隙的最佳相位加上下一时隙的扰动步长并减去当前时隙的扰动步长。发射机在下一时隙以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号。本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种分布式***，包括若干个发射机和接收机所述接收机用于在每个时隙判断当前时隙接收信号的强度是否大于等于下一阶段阈值,并根据判断结果反馈相应的单比特信息至发射机；所述发射机用于在接收到所述单比特信息后进行解析；

如果扰动步长最优方向未确定，同时解析结果为接收机接收信号的强度大于等于下一阶段阈值，则发射机在下一时隙的最佳相位仍取其在当前时隙的最佳相位，且在下一时隙不产生扰动步长，并在下一时隙直接以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号，同时阶段数加一；所述的初始相位为发射机在第一个时隙根据发射机接收到的信号估算获得；否则，发射机在下一时隙的扰动步长等于其扰动步长方向与当前的阶段阈值步长的乘积，发射机在下一时隙的最佳相位为当前时隙的最佳相位加上下一时隙的扰动步长并减去当前时隙的扰动步长，发射机在下一时隙以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号；其中,所述扰动步长方向由发射机随机生成；所述的扰动步长最优方向是在出现接收信号强度小于下一阶段阈值的情况后，首次出现接收信号强度大于或者等于下一阶段阈值时，以上一时隙的扰动步长方向为之后所有时隙的扰动步长最优方向；

如果扰动步长最优方向确定，同时解析结果为接收机接收信号的强度大于等于下一阶段阈值，则发射机在下一时隙的最佳相位仍取其在当前时隙的最佳相位，且在下一时隙不产生扰动步长，并在下一时隙直接以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号，同时阶段数加一；所述的初始相位为发射机在第一个时隙根据发射机接收到的信号估算获得；否则，发射机在下一时隙的扰动步长等于其扰动步长最优方向与当前的阶段阈值步长的乘积，发射机在下一时隙的最佳相位为当前时隙的最佳相位加上下一时隙的扰动步长并减去当前时隙的扰动步长，发射机在下一时隙以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号。进一步地，所述阶段阈值步长与随着阶段数的递增而减小。

进一步地，所述阶段数、阶段阈值步长、阶段阈值的对应关系如下表：

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

1）针对原有技术的给定小步长扰动，本发明提出了一个步长扰动选择机制：阶段阈值步长选择机制。在初始的几个时隙，采用大步长扰动，能够使接收机接收信号强度快速增长。在后期时隙中，采用小步长扰动，能够获得较好的稳定性，即使接收机信号强度收敛到理想的情况。

2）原有的技术对发射机的扰动步长的方向是随机的，既调整方向也调整大小，本发明先确定发射机扰动步长的方向，当方向确定之后，说明每个发射机的调整方向是正确的，在后续时隙仅调整扰动步长大小，能够进一步加快后续接收信号强度的收敛。

附图说明

图1是本发明提供的分布式***的架构图；

图2是本发明提供的步长阈值选择机制的图表；

图3是本发明提供的相位同步方法的反馈调整流程图；

图4是本发明提供的相位同步方法中RSS大于当前阈值是的流程图；

图5是本发明提供的相位同步方法中RSS小于大于当前阈值是的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对原有技术的给定小步长，本发明提出了一个步长选择机制，在不同的阶段，采用不同的步长，以加速在不同的接收信号强度下的收敛速度。并且，原有的技术对发射机的相位补偿的方向是随机的，既调整方向也调整大小，本发明提出了一个确定发射机补偿相位的方向的方法，方向的确定，能够加速后续接受信号强度的收敛。

图1示出了本发明所适用的分布式***的架构，多个发射机同时向接收机发射信号，并根据接收机反馈的单比特信息来调整下一时隙的发射信号的相位，最终通过相位补偿的方式使到达接收机的各个接收信号的相位同步。

具体地，在图1这种单比特的反馈闭环***中，在第n个时隙，发射机接收反馈回来的单比特信息，确定是否调整发射信号相位。每个发射机的发射相位公式，如下：

Φ_i=γ_i+θ_i(n)+ψ_iγ_i,ψ_i∈[0,2π) (1)

其中，γ_i代表第i个发射机的未知相位偏移，ψ_i代表第i个发射机与接收机之间的相位响应，假设γ_i和ψ_i在算法收敛过程中总是静态的，符合均匀分布[0,2π)的随进变量，并且对于发射机和接收机来说都是未知的，两者统称为初始相位C。我们将通过来自接收机的单比特反馈信息调整发射机i的第n个时隙的变量θ_i(n)称为最佳相位。初始值设为θ_i(0)=0。由于算法的目标就是在接收机端达到相位同步，假设每个发射机有单位功率，每个发射机与接收机的信道增益为1。因此，接收机在时隙n的接收信号强度表示如下：

$R\left(n\right)=\left|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j{\mathrm{\Φ}}_i\left(n\right)}\right|---\left(2\right)$

其中，j表示-1的开根，内存中记录最佳相位θ_i(n)，同时在每个时隙，根据接收机反馈的单比特信息，补偿一个扰动步长δ_i(n)，即最佳相位θ_i(n)是δ_i(n)的函数，从而使算法能够在某个时隙实现接收机端的相位同步。

本发明引入新的扰动步长产生方法实现每个发射机的相位补偿，即扰动步长δ_i(n)是分阶段，且从大到小的。而在阶段阈值步长选择机制中，扰动步长δ_i(n)由图2中的阶段阈值步长g(k)产生大小，方向则是随机的。在整个算法的训练过程中，如果当前阶段k的接收信号强度RSS大于设定的阶段阈值Th(k+1)（表1），那么训练过程则进入下一阶段k+1。说明当前的调整是有用的，使发射机间的相位往某个共同的方向靠拢。

首先，应该区分阶段阈值步长和阶段阈值的概念。阶段阈值步长是在不同阶段，发射机添加的随机扰动的大小，阶段阈值是经过公式(4)，由发射机间最大相位差x(k)决定的，该值在接收机端与接收信号强度R(n)进行比较，用于确定是否应该进入下一阶段。两者主要由以下两个公式产生：

x(k)=π/2^kk=0:1:S-1 (3)

其中，S是给定的训练过程中的阶段总数，N为发射机个数，x(k)是发射机间在第k阶段的最大相位差，相对应的，Th(k)则是在第k阶段的最小接收信号强度RSS，也就是阶段阈值的概念。根据最大相位差x(k)，则可以产生每个阶段的阶段阈值步长g(k)，产生规则是：

g(k)=x(k)/2 (5)

即，阶段阈值步长是最大相位差的一半。可以看出，在发射机相位变化范围为[0,2π)的情况下，发射机相位差则为[0,π)，显然，阶段阈值步长为最大相位差一半的目的有两个：一是能够有规律地缩小发射机之间的相位差，二是调整的步长将会从大到小，前期加速算法收敛，后期保证算法收敛到理想情况。

图3、4、5描述的是本发明的发射机和接收机之间的反馈调整机制。一并参照图3至图5。本发明提供的分布式***基于定向负反馈的闭环式相位同步方法包括下述步骤：

步骤A，接收机判断当前时隙接收信号的强度是否大于等于下一阶段阈值,并根据判断结果反馈相应的单比特信息至发射机；

步骤B，发射机接收到所述单比特信息后进行解析，如果扰动步长最优方向未确定，同时解析结果为接收机接收信号的强度大于等于下一阶段阈值，则执行步骤C，否则执行步骤D；如果扰动步长最优方向确定，同时解析结果为接收机接收信号的强度大于等于下一阶段阈值，则执行步骤C，否则执行步骤E；所述的扰动步长最优方向是在出现接收信号强度小于下一阶段阈值的情况后，首次出现接收信号强度大于或者等于下一阶段阈值时，以上一时隙的扰动步长方向为之后所有时隙的扰动步长最优方向；

步骤C，发射机在下一时隙的最佳相位仍取其在当前时隙的最佳相位，且在下一时隙不产生扰动步长，并在下一时隙直接以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号，同时阶段数加一；所述的初始相位为发射机在第一个时隙根据发射机接收到的信号估算获得；

步骤D，下一时隙的扰动步长等于其扰动步长方向与当前的阶段阈值步长的乘积，发射机在下一时隙的最佳相位为当前时隙的最佳相位加上下一时隙的扰动步长并减去当前时隙的扰动步长，发射机在下一时隙以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号；其中,所述扰动步长方向由发射机随机生成；

步骤E，下一时隙的扰动步长等于其扰动步长最优方向与当前的阶段阈值步长的乘积，发射机在下一时隙的最佳相位为当前时隙的最佳相位加上下一时隙的扰动步长并减去当前时隙的扰动步长。发射机在下一时隙以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号。其中步骤C、D、E分别对应图4的+1模块流程和图5的-1模块流程。本发明首先调整扰动步长δ_i(n)的方向，在确定其方向之后，每个发射机相位补偿的方向将不再改变，只是在不同阶段，根据每个时隙接收机的反馈信息，调整扰动步长的大小，加速发射机相位在接收机的有效合并。

在定向负反馈补偿闭环同步算法，我们引入了两个状态变量state_a和state_b，以及一个方向变量Direct。Direct表明扰动步长δ_i(n)在时隙n的发射机的相位补偿方向。我们初始化最佳相位θ_i(0)=0，状态变量在时隙n=0时state_a=0和state_b=0。

当state_a=0，表明发射机从时隙0到时隙n的每个时隙里，都能够顺利跳入下一个阶段，即R(n)≥Th(k+1)。物理上说明，接收机从0时隙到n时隙都是反馈的“+1”比特信息，期间未出现反馈“-1”比特信息的情况。当state_b=0时，表明发射机首次出现没有跳入下一个阶段的情况，即接收机首次反馈“-1”比特信息，如果后面时隙连续反馈“-1”比特信息，state_b=0保持不变，同时，步长扰动的方向Direct也是未确定的。这个算法的训练过程存在两个关键的变化点。一个是发射机首次接收到“-1”比特信息，另一个是从时隙n到时隙n+1，首次出现从“-1”到“+1”的转变，即n时刻接收“-1”反馈信息，n+1时刻接收“+1”反馈信息，而且，在整个过程中，是首次出现。

当发射机首次接收“-1”反馈信息的时候，state_a将被置1，即state_a=1，而且不再改变。在后续的迭代过程中，state_a将在首次出现从“-1”到“+1”的情况时，被用于控制state_b，使其置1。state_b=1表明扰动步长的方向在某个时隙n被确定，同时，从n+1时刻起，state_b将不再改变，表明后续的训练过程将不再需要调整发射机的相位补偿的方向，每个发射机都会沿着已定的方向调整扰动步长大小。

从以上可以看出，state_a控制state_b的调整，state_b控制方向变量Direct。Direct只在接收机反馈负比特信息的时候，state_b的状态来调整。当发射机接收“-1”反馈时，Direct调整如下：

$\mathrm{Direct}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{randsrc}(N,1)& \mathrm{state}\_b=0\\ \mathrm{Direct}& \mathrm{state}\_b=1\end{array}\right.---\left(6\right)$

当state_b=0时，我们随机生成扰动步长的方向，而当从时刻n到时刻n+1首次出现“-1”到“+1”的转变的时候，Direct将保持不变，并且在后续训练过程不再改变，即发射机相位补偿的方向已经确定。

很明显，除了以上三个变量的调整，在整个训练过程中，我们还需要调整另外两个变量：根据接收机反馈信息、方向变量Direct和阶段阈值步长g(k)而调整的扰动步长δ_i(n)，最佳相位θ_i(n)的调整。两者的调整公式如下：

δ_i(n+1)=Direct×g(k)R(n)<Th(k+1) (7)

${\mathrm{\&theta;}}_i(n+1)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&theta;}}_i\left(n\right)& R\left(n\right)\&GreaterEqual;\mathrm{Th}(k+1)\\ {\mathrm{\&theta;}}_i\left(n\right)+{\mathrm{\&delta;}}_i(n+1)-{\mathrm{\&delta;}}_i\left(n\right)& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(8\right)$

当发射机接收到“-1”反馈时，在n+1时刻的步长扰动δ_i(n+1)根据公式(5)和(6)进行更新，即δ_i(n+1)=Direct×g(k)。如果反馈“+1”比特信息，不产生扰动步长。当接收机反馈“+1”信息时，根据公式(8)，保持最佳相位不变，即θ_i(n+1)=θ_i(n)。如果反馈“-1”信息，则θ_i(n+1)=θ_i(n)+δ_i(n+1)-δ_i(n)。

本发明可以运用在无线环境中，多个无线发射节点向接收机发射相同的信号，通过本发明的反馈调整机制形成一个闭环，并且在复杂的信道下，使接收机的信号强度快速收敛。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分布式***基于定向负反馈的闭环式相位同步方法，其特征在于，包括在每个时隙执行的下述步骤：

步骤A，接收机判断当前时隙接收信号的强度是否大于等于下一阶段阈值,并根据判断结果反馈相应的单比特信息至发射机；

步骤B，发射机接收到所述单比特信息后进行解析，如果扰动步长最优方向未确定，同时解析结果为接收机接收信号的强度大于等于下一阶段阈值，则执行步骤C，否则执行步骤D；如果扰动步长最优方向确定，同时解析结果为接收机接收信号的强度大于等于下一阶段阈值，则执行步骤C，否则执行步骤E；所述的扰动步长最优方向是在出现接收信号强度小于下一阶段阈值的情况后，首次出现接收信号强度大于或者等于下一阶段阈值时，以上一时隙的扰动步长方向为之后所有时隙的扰动步长最优方向；

步骤C，发射机在下一时隙的最佳相位仍取其在当前时隙的最佳相位，且在下一时隙不产生扰动步长，并在下一时隙直接以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号，同时阶段数加一；所述的初始相位为发射机在第一个时隙根据发射机接收到的信号估算获得；

步骤D，下一时隙的扰动步长等于其扰动步长方向与当前的阶段阈值步长的乘积，发射机在下一时隙的最佳相位为当前时隙的最佳相位加上下一时隙的扰动步长并减去当前时隙的扰动步长，发射机在下一时隙以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号；其中,所述扰动步长方向由发射机随机生成；

步骤E，下一时隙的扰动步长等于其扰动步长最优方向与当前的阶段阈值步长的乘积，发射机在下一时隙的最佳相位为当前时隙的最佳相位加上下一时隙的扰动步长并减去当前时隙的扰动步长，发射机在下一时隙以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号。

2.如权利要求1所述的闭环式相位同步方法，其特征在于，所述阶段阈值步长随着阶段数的递增而减小。

3.如权利要求2所述的闭环式相位同步方法，其特征在于，所述阶段数、阶段阈值步长、阶段阈值的对应关系如下表，其中S为给定的训练过程中的阶段总数：

4.一种分布式***，包括若干个发射机和接收机，其特征在于，所述接收机用于在每个时隙判断当前时隙接收信号的强度是否大于等于下一阶段阈值,并根据判断结果反馈相应的单比特信息至发射机；所述发射机用于在接收到所述单比特信息后进行解析；

如果扰动步长最优方向未确定，同时解析结果为接收机接收信号的强度大于等于下一阶段阈值，则发射机在下一时隙的最佳相位仍取其在当前时隙的最佳相位，且在下一时隙不产生扰动步长，并在下一时隙直接以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号，同时阶段数加一；所述的初始相位为发射机在第一个时隙根据发射机接收到的信号估算获得；否则，发射机在下一时隙的扰动步长等于其扰动步长方向与当前的阶段阈值步长的乘积，发射机在下一时隙的最佳相位为当前时隙的最佳相位加上下一时隙的扰动步长并减去当前时隙的扰动步长，发射机在下一时隙以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号；其中,所述扰动步长方向由发射机随机生成；所述的扰动步长最优方向是在出现接收信号强度小于下一阶段阈值的情况后，首次出现接收信号强度大于或者等于下一阶段阈值时，以上一时隙的扰动步长方向为之后所有时隙的扰动步长最优方向；

如果扰动步长最优方向确定，同时解析结果为接收机接收信号的强度大于等于下一阶段阈值，则发射机在下一时隙的最佳相位仍取其在当前时隙的最佳相位，且在下一时隙不产生扰动步长，并在下一时隙直接以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号，同时阶段数加一；所述的初始相位为发射机在第一个时隙根据发射机接收到的信号估算获得；否则，发射机在下一时隙的扰动步长等于其扰动步长最优方向与当前的阶段阈值步长的乘积，发射机在下一时隙的最佳相位为当前时隙的最佳相位加上下一时隙的扰动步长并减去当前时隙的扰动步长，发射机在下一时隙以下一时隙的最佳相位加上初始相位作为发射相位来发射信号。

5.如权利要求4所述的分布式***，其特征在于，所述阶段阈值步长随着阶段数的递增而减小。

6.如权利要求5所述的分布式***，其特征在于，所述阶段数、阶段阈值步长、阶段阈值的对应关系如下表，其中S为给定的训练过程中的阶段总数：