CN103841571A - 一种无线传感器网络波束成形传输阵列节点选择方法 - Google Patents

Abstract

在分布式无线传感器网络远距离通信领域中，单个节点的通信距离和能量受限，采用多跳的方式存在的误码率较高和时延较大等问题，为此，本发明公布了一种无线传感器网络波束成形传输的协作通信方式及节点的选择方法。具体思路是：首先，确定组成虚拟天线阵列所需的最少节点数量；然后，确定该阵列的理想天线方向图，根据该理想方向图，确定阵列的形状及节点间距等条件，选择出符合该条件的节点组成天线阵列；最后，管理节点协调各组阵节点统一时序，利用波束成形的方式联合发射数据。利用本发明所提出的方法，可有效避免传统无线传感器网络远距离多跳通信所带来的时延过高和能量损耗过大的问题，提高了通信成功的概率并延长了网络生存期。

Description

一种无线传感器网络波束成形传输阵列节点选择方法

技术领域

本发明属于无线通信和无线传感器网络技术领域，特别涉及一种无线传感器网络波束成形传输阵列节点的选择方法。 

背景技术

随着科学技术的发展，物理世界和信息世界的融合问题成为了人们普遍关注的热点问题，如何有效地实现物理数据的采集、处理、传输和存储是物联网技术能否普及的关键，而其中的数据采集问题是整个信息流的关键一步。 

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）是一种由部署在监测或数据采集区域内大量的廉价微型传感器节点组成的网络，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息，并发送给观察者。低成本、低功耗、无人值守、网络化信息感知等优点使其在军用和民用领域均体现出极高的应用价值，被誉为21世纪改变世界的十大新技术之一。 

传感器节点的能量供应通常依赖于内嵌其中的供电模块，受限于工作环境条件，在使用过程中难以对供电模块进行更换或充电。能量的限制是影响传感器网络广泛应用的关键问题之一。最常用的解决方法是让节点周期性的在睡眠状态和工作状态之间相互转换，通过关闭部分节点来节省能量。 

无线传感器网络中的节点除了能源受限之外，其通信距离、通信可靠性及通信有效性均受到很大限制，单个节点的传输能力难以满足远距离通信的要求，且传输的可靠性很难保证，误码率较高。在传统的无线传感器网络中，虽然多跳传输方式有效地解决了远距离通信的问题，但过长的传输时延和通信失败概率的提高对于灾难监控和战场等实时性要求较高的应用环境是不可接受的。同时，多跳转发方式将造成汇聚节点能量消耗过快而过早死亡，数据无法向汇聚节点以及基站发送，从而降低了网络的性能，缩短了网络生存期。 

波束成形是天线技术与数字信号处理技术的结合，用于定向信号传输或接收。波束成形源于自适应天线的一个概念。由发射端对多天线阵列对所需传输的信号进行整合，利用电磁波的叠加原理，形成所需的理想信号。由于无线传感器网络节点受限于硬件条件，节点多采用单天线且功率受限，因此，可以考虑多点协作组成虚拟天线阵列进行信号传输。从天线方向图(pattern)视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束，大大增加了所需方向上的信号强度，从而延长了节点的通信距离且降低了对于多跳的需求。同时，与多跳传输相比，波束成形的通信由参与波束成形的节点承担，能够有效地提高节点间的能耗均衡性，防止网络覆盖空洞的形成，延长网络生存期。 

如何有效选取组成波束成形传输的虚拟阵列节点是该项技术的核心问题。 

发明内容

为了利用波束成形方式对无线传感器网络中的信息进行传输，首先，在全部节点中选择可组成最佳阵列排布的节点集合。本发明的目的是：提出一种无线传感器网络波束成形传输的最佳节点选择方法。本发明的具体思路是：首先，根据产生数据的节点到汇聚节点或基站的距离以及单个节点的最大发射功率等参数，确定从该节点到汇聚节点或基站传输1bit数据所需要的功率和最少节点个数。其次，根据产生数据的节点到汇聚节点或基站天线的仰角θ、相对于基站所在二维平面与x轴的夹角以及所需总功率，计算出理想方向图。最后，选择可组成虚拟天线阵列以逼近最佳方向图的节点集合，实现波束成形协作传输。该方法能够提高通信的有效性和可靠性，与传统多跳传输相比，有效地降低了传输时延、单个节点能耗和误码率，延长了网络生存期。 

本发明的网络模型如图1所示，其中θ是产生数据的节点到汇聚节点或基站天线的仰角， 

是节点相对于基站所在二维平面与x轴的夹角。无线传感器网络中所有可能参与波束成形传输的节点随机的分布于圆形区域之内，且上述节点具有如下特点： 

（1）汇聚节点、基站或目标中继节点远离该圆形区域，单个节点功率受限，无法直接向目标节点发送信息，必须使用多跳或波束成形方式进行传输。 

（2）区域内的节点具有相同的最大发射功率，各个节点能够获得当前剩余能量。 

（3）区域内的节点能够获得汇聚节点、基站或者目标中继节点的位置，并根据该位置信息计算出成功发射1bit数据所需要的功率。 

（4）区域内的节点均采用参数和性能一致的全向天线，信道条件良好。 

一种无线传感器网络波束成形传输节点选择方法，所述方法主要包括如下步骤： 

步骤1：确定所需最少节点个数。当节点产生1bit数据时，该节点根据自己到汇聚节点或基站的距离以及单个节点的最大发射功率，确定从该节点到汇聚节点或基站传输1bit数据所需要的功率，用该功率除以单个节点的最大发射功率，即可得出组成波束成形虚拟阵列所需的最少节点数N。 

步骤2：确定由N个节点组成的天线阵的理想方向图。由于单个节点一般采用全向天线，信号强度在空间范围内各个方向上均相同，而汇聚节点或基站只在该节点的某一个特定的方向上，不仅造成节点能量的浪费，甚至会对临近节点的通信产生干扰，大大降低通信效率。而采用多个节点组成虚拟天线阵列的方式，则可以根据产生数据的节点与汇聚节点或基站的角度关系，确定出理想天线方向图，该方向图主瓣尖锐且指向汇聚节点，旁瓣受到抑制或为零，将信号的主要能量对准目标方向，提高增益。根据阵列天线理论，使用多个节点按照一 定的形状组成天线阵列，可以利用调相等方式，产生出高增益、指向性强的天线方向图。 

步骤3：确定阵列形状。根据阵列天线理论，不同形状的天线阵列可以产生不同形状的天线方向图。本发明根据节点的功能和位置，将组阵节点分为两类，如图2所示，具体包括： 

(a)远距离传输阵列节点 

该类节点与汇聚节点或基站的距离适中，多个相关节点组成虚拟天线阵列，利用波束成形的方式直接与汇聚节点或基站通信，避免了单个节点通过多跳传输方式通信带来的功率损耗和能量损耗。同时，由于多跳传输方式的通信路径趋于随机，具有不确定性，甚至可能出现通信方向与预期方向相反的情况，造成较大时延和通信可靠性的下降，因此采用波束成形的直接通信方式可以大大提高通信质量，节省能量。均匀圆环阵列的天线方向图函数为： 

其中，I_n是单元激励电流的幅值,a是圆环半径，ρ_n是激励相位，α_n是单元间距相对相位差，j是虚数单位，k是根据阵元天线的属性确定的常数。 

(b)中继阵列节点 

如果阵列节点与汇聚节点或基站的距离较远，利用波束成形的方式也无法直接与汇聚节点或基站通信，则需要引入中继阵列节点。首先，远距离传输阵列节点向中继阵列节点发射信号，中继阵列节点接收到该信号后，调整方向图指向，将该信号向汇聚节点或基站转发，从而实现节点阵列间的多跳。相比于传统的单个节点多跳方式，阵列间多跳不但可以大大提高通信距离，而且可以避免单节点因多跳通信所出现的通信路径复杂等问题，提高了通信效率。均匀直线阵列的方向图函数为： 

其中,I_n是单元激励电流的幅值,d是单元间距，α是单元间距相对相位差，j是虚数单位，k是根据阵元天线的属性确定的常数。 

根据以上的区分，远距离传输阵列节点的方向图主瓣尖锐、指向性强且旁瓣受到限制，根据该方向图的特点，远距离传输阵列节点适宜使用平面阵。在各种平面天线阵列中，可供选择的阵列形状主要有三角形阵，正方形阵和圆环阵，如图3所示，在等腰三角形两边的单元间距为： 

$d_0=\sqrt{{d_x}^2+{d_y}^2}$

若取d₀＝2d_x，则三角形阵列排布变为等边三角形阵列排布，由图3可以看出 

而此时，整个阵列可以看作是d_x=2d_x和d_y=d_y的矩形阵列。不出现栅瓣的最大节点间距为： 

${d_y}^{,}=d_y=\frac{1}{1+\left|{\sin \mathrm{\θ}}_{0\max }\right|}=0.536\mathrm{\λ}$

其中，θ_0max是最大扫描角，λ是波长。这时有 

$d_x=\frac{d_y}{\sqrt{3}}=0.309\mathrm{\λ}$

d_x’＝2d_x＝0.618λ 

现假设整个阵列为正方形，边长为Lλ，则沿x轴和y轴方向的阵元数目为： 

${N_x}^{,}=\frac{L}{{d_x}^{,}}=\frac{L}{0.618}$

${N_y}^{,}=\frac{L}{{d_y}^{,}}=\frac{L}{0.536}$

则整个阵列的阵元数目为： 

$N^{,}={N_x}^{,}{N_y}^{,}=\frac{L}{{d_x}^{,}}\frac{L}{{d_y}^{,}}=\frac{L}{0.618}\frac{L}{0.536}=\frac{L^2}{0.331}$

而使用同样尺寸阵列形状，采用等边三角形的阵元排布方式所需要的阵元数目为： 

$N=N_x{N}_y=\frac{L}{d_x}\frac{L}{d_y}=\frac{L}{0.536}\frac{L}{0.536}=\frac{L^2}{0.287}$

节约的阵元数量的比例为： 

$\mathrm{\ρ}=\frac{N-N^{,}}{N}\≈13.3\%$

同理可推知，圆形阵列相比于正方形阵列，其阵元数量可以节省21.5%，而主瓣辐射功率基本一致，圆环阵列的副瓣电平得到了更好的抑制。在无线传感器网络应用中，由于节点能量有限，因此，有效减少波束成形传输所使用的节点数量至关重要。 

通过上述分析和实验，在方向图基本一致、主瓣辐射功率基本一致的情况下，圆环阵列所需要的节点数量最少，因此远距离传输阵列节点适宜选用圆环形状阵列。中继阵列节点要求主瓣数量不唯一，至少应该具有两个主瓣，一个负责接收信号，另一个负责转发信号，根据该方向图的特点，中继阵列节点适宜使用直线阵列。 

步骤4：确定节点间距。 

根据阵列天线理论，不同形状的天线阵列的最小节点间距计算方法不同，因此，本发明所提出的两类阵列节点需要分别利用如下公式计算阵元节点间距： 

(a)远距离传输阵列节点 

无线传感器网络正常工作时的限制条件： 

a≤R_{communication}

即圆环半径要小于等于通信半径，否则节点之间将无法进行直接通信，因此在进行组阵节点选择时，要优先选择可以直接通信的节点作为组阵节点，如果找不到可以直接通信的节点，则尽量选择跳数较少的节点作为组阵节点。 

(b)中继阵列节点 

由前述理论分析，中继阵列节点选择直线阵列，节点间距为： 

$d\≤\frac{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{1+\left|\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }\right|}$

步骤5：实现无线传感器网络节点阵列的波束成形协作通信。 

产生原始数据的节点作为管理节点，首先将采集到的数据广播至被选出的阵元节点，然后各组阵节点统一时序，联合发射该数据，从而形成高增益和高指向性的波束，直接与汇聚节点或基站通信。 

本发明的有益效果在于利用阵列天线原理将无线传感器网络节点组成虚拟天线阵列，节点采用波束成形的协作通信方式与汇聚节点或基站直接通信，避免了传统无线传感器网络远距离多跳通信所带来的时延过长和能量损耗过大的问题，提高了通信成功的概率并延长了网络生存期。同时，本发明所提出的波束成形节点选择方法可以有效解决虚拟天线阵列的组阵节点选择问题，使上述协作通信方式的应用成为可能，便于推广。 

附图说明

图1：无线传感器网络波束成形传输网络模型图。 

图2：无线传感器网络中两类阵列节点示意图。 

图3：阵元节点三角形排布示意图。 

图4：无线传感器网络波束成形阵元节点选择方法流程图。 

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和技术优点更加直观和清晰，以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。 

如图1所示，节点N₀采集的数据，需要以最快的方式向汇聚节点（Sink节点）传输，由于该节点距离汇聚节点较远，单个节点无法直接与其通信，而采用多跳的方式则会面临着通信路径不确定、时延较长和能耗较大等一系列问题，因此，节点N₀将采用波束成形的方式，利用周围节点共同组成虚拟天线阵列协作通信。节点完成一次数据采集和传输的具体的工作步骤如下： 

步骤1：当节点N₀采集1bit数据需要立即发送至汇聚节点时，节点N₀根据定位算法，获取自己的位置和到汇聚节点的距离，根据该距离计算出1bit数据从节点N₀传输到汇聚节点所需要的功率P_总，同时，单个节点的最大发射功率P_单是已知的，从而可以利用P_总/P_单得出组阵所需的最小节点数，即N_最小=P_总/P_单。 

步骤2：节点N₀根据自身位置和汇聚节点的位置及天线高度、根据自身与汇聚节点或基站天线的仰角θ以及自身相对于汇聚节点或基站所在二维平面与x轴的夹角

确定节点N₀到汇聚节点的最佳天线方向图。由于单个节点一般采用全向天线，信号强度在空间范围内各个方向上均相同，而汇聚节点或基站只在该节点的某一个特定的方向上，这将不可避免的带来能量的浪费和损耗，甚至会对临近节点的通信产生干扰，大大降低通信效率。而采用多个节点组成虚拟天线阵列的方式，则可以根据产生数据的节点与汇聚节点或基站的角度关系，确定出理想天线方向图，该方向图主瓣尖锐且指向汇聚节点，旁瓣受到抑制或为零，将信号的主要能量对准目标方向，提高增益。根据阵列天线理论，使用多个节点按照一定的形状组成天线阵列，可以利用调相等方式，产生出高增益、指向性强的天线方向图。 

步骤3：以理想方向图为依据，选出组阵节点。具体方法是： 

(a)确定阵列形状。根据前述理论分析，理想圆环阵列具有较高的性价比，因此，节点N₀应该以自身为圆心，利用周围节点组成圆环阵列。 

(b)确定节点间距。限制条件为： 

a≤R_{communication}

即节点间距要小于等于通信半径，否则节点之间将无法进行直接通信，因此在进行组阵节点选择时，要优先选择可以直接通信的节点作为组阵节点，如果找不到可以直接通信的节点，则尽量选择跳数较少的节点作为组阵节点。 

(c)节点N₀根据步骤2计算得出的理想方向图，从周围节点中选择出一组节点，根据电磁波叠加原理和阵列天线原理组成天线阵列，利用波束成形的方式协作通信。根据(a)，节点组成理想等间距圆环阵列的性价比最高，因此节点N₀将作为管理节点，根据(b)给出的限制条件，在其周围选出一系列节点以组成圆环阵列天线，形成阵列天线方向图以逼近理想天线方向图。均匀等距排列的圆环阵列的方向图满足： 

由于节点间相对位置关系已知，因此节点N₀根据自身维护的邻居表，从周围节点中选出N_最小个满足该方向图函数的组阵节点，为了确保该阵列中的节点有足够大的功率完成直接通信，式中N≥N_最小。至此，节点N₀完成阵列节点的选择过程。 

步骤4：确定是否需要阵列间中继。节点N₀首先确定自己在网络中的相对位置和自己与汇聚节点的距离d₀,如果d₀小于网络覆盖半径R_net的一半，即

则节点N₀组成的天线阵列C₀通过一跳直接与汇聚节点通信的概率较大；如果d₀大于网络覆盖半径R_net的一半，即

则C₀通过一次阵列间中继来完成与汇聚节点的通信的概率较大。根据前述分析，中继阵列节点适宜选择直线阵列，不出现栅瓣的节点最小间距为： 

$d\≤\frac{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{1+\left|\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }\right|}$

同时还应该满足无线传感器网络正常工作时的限制条件： 

d≤R_{communication}

即组成直线阵的节点之间的间距要小于等于单个节点的通信半径，否则节点之间将无法直接通信，需要多跳，因此在进行组阵节点选择时，要优先选择可以直接通信的节点作为组阵节点，如果找不到可以直接通信的节点，则尽量选择跳数较少的节点作为组阵节点。 

当节点N₀判断自身的位置远大于网络覆盖半径的一半时，位于

附近的某一节点N_relay应该充当中继阵列的管理节点，组织其附近的节点组成直线阵列，完成信号的中继转发工作。 

步骤5：阵列节点利用波束成形方式协作传输。执行完上述步骤之后，节点N₀首先将采集到的数据广播至被选出的阵元节点，然后各组阵节点统一时序，联合发射该数据，从而形成高增益和高指向性的波束，直接与汇聚节点或基站通信。 

本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。 

Claims (2)

1.一种无线传感器网络波束成形传输节点选择方法，其特征在于： 

该方法的具体步骤为： 

步骤1：确定所需最少节点个数，具体是： 

某无线传感器网络节点产生一条需要发送的数据，该节点根据自己到汇聚节点或基站的距离以及单个节点的最大发射功率，确定从该节点到汇聚节点或基站传输一条数据所需要的总功率，用总功率除以单个节点的最大发射功率，即可得出组成波束成形虚拟阵列所需的最少节点数N； 

步骤2：确定由N个节点组成的天线阵的理想方向图，具体是： 

由于单个节点一般采用全向天线，信号强度在空间范围内各个方向上均相同，而汇聚节点或基站只在该节点的某一个特定的方向上，这将不可避免的带来能量的浪费和损耗，甚至会对临近节点的通信产生干扰，大大降低通信效率，而采用多个节点组成虚拟天线阵列的方式，则可以根据产生数据的节点与汇聚节点或基站的角度关系，确定出理想天线方向图，该方向图主瓣尖锐且指向汇聚节点，旁瓣受到抑制或为零，将信号的主要能量对准目标方向，提高增益； 

步骤3：确定阵列形状，具体是： 

根据阵列天线理论，不同形状的天线阵列可以产生不同形状的天线方向图，本发明根据节点的功能和位置，将组阵节点分为两类，具体包括： 

(a)远距离传输阵列节点 

该类节点与汇聚节点或基站的距离适中，多个相关节点组成虚拟天线阵列，利用波束成形的方式可以直接与汇聚节点或基站通信，避免了单个节点多跳通信所带来的功率损耗和能量损耗； 

(b)中继阵列节点 

如果上述远距离传输阵列节点与汇聚节点或基站的距离较远，利用波束成形的方式也无法直接与汇聚节点或基站通信，则需要引入中继阵列节点；首先，远距离传输阵列节点向中继阵列节点发射信号，中继阵列节点接收到该信号后，调整方向图指向，将该信号向汇聚节点或基站转发，从而实现节点阵列间的多跳； 

根据以上的区分，远距离传输阵列节点的方向图要求主瓣尖锐、指向性强且旁瓣受到限制，根据该方向图的特点，远距离传输阵列节点适宜使用平面阵中的圆环阵列；中继阵列节点要求主瓣数量不唯一，至少应该具有两个主瓣，一个负责接收信号，另一个负责转发信号，根据该方向图的特点，中继阵列节点适宜使用直线阵列； 

步骤4：确定节点间距，具体是： 

根据阵列天线理论，不同形状的天线阵列的最小节点间距计算方法是不同的，因此，本发明所提出的两类阵列节点需要分别利用如下公式计算阵元节点间距： 

(a)远距离传输阵列节点 

在满足上述限制条件的同时，还需要尽量满足无线传感器网络正常工作时的限制条件： 

a≤R_{communication}

即圆环半径要小于节点通信半径，否则节点之间将无法进行直接通信，需要多跳，因此在进行组阵节点选择时，要优先选择可以直接通信的节点作为组阵节点，如果找不到可以直接通信的节点，则尽量选择跳数较少的节点作为组阵节点； 

(b)中继阵列节点 

由前述理论分析，中继阵列节点选择直线阵列，节点间距为： 

同时还应该满足无线传感器网络正常工作时的限制条件： 

d≤R_{communication}

组成直线阵的节点之间的间距要小于等于单个节点的通信半径，否则节点之间将无法直接通信，需要多跳，因此在进行组阵节点选择时，要优先选择可以直接通信的节点作为组阵节点，如果找不到可以直接通信的节点，则尽量选择跳数较少的节点作为组阵节点； 

步骤5：实现无线传感器网络节点阵列的波束成形协作通信，具体是： 

产生原始数据的节点作为管理节点，首先将采集到的数据广播至被选出的阵元节点，然后各组阵节点统一时序，联合发射该数据，从而形成高增益和高指向性的波束，不经多跳，直接与汇聚节点或基站通信。 

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络波束成形传输节点选择方法，其特征在于：波束成形所需的虚拟阵列天线的形状不唯一，可以根据节点的位置和功能进行动态选择。 

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