CN108649976B - 一种无线传感网中基于双环的节点选择旁瓣抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网中基于双环的节点选择旁瓣抑制方法，该方法属于无线通信领域，主要涉及传感网络协作波束成形中，基于双环的节点选择旁瓣抑制方法。本发明在现有技术的基础上，改进设计了基于双环和扇区结合的方法，能在保证接收端要求SNR的前提下，极大的减小了协作波束的旁瓣值，使旁瓣得到了有效的抑制。通过分析目的节点接收到的协作远场波形可以得到该节点选择方案的性能，在保证较窄的波束主瓣的前提下，能明显的看出本文的方法对波形旁瓣的抑制效果；本发明利用了当节点足够稀疏时，协作波束的方向性会更加明显；从环和扇区中进行节点选择，提高了系统性能的优势，提出在双环扇区进行交叉的选择，有效的提升了节点的稀疏性，增强了传输性能。

Description

一种无线传感网中基于双环的节点选择旁瓣抑制方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，主要涉及传感网络协作波束成形中，基于双环的节点选择旁瓣抑制方法。

背景技术

近年来波束成形技术得到了广泛的研究，其是数字信号处理技术和天线技术的融合，目的是用于信号的定向传输和接收，以达到最大的传输效率。波束成形技术可以通过多天线阵列各路信号的加权合成，形成所需的特定方向的信号。其中最关键的技术是MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术，旨在发送端和接收端配备多个天线，显著的提高通信的质量和信道容量。然而在实际的应用场景中，有的终端难以配备多个天线，因此很多系统都是以分布式的通信网络构成。在本文所研究的分布式无线传感网络中，多个传感节点向目标节点发送相同的信息，当它们同时协作传输时，多个节点则构成了该分布式系统的多天线结构。通过协作波束成形技术，最大限度的提高了传输距离和传输效率，降低通信成本。

波束成形技术将多路信号加权合成，形成所需的理想信号并发送到接收端，将原来全方向的接收方位图变成了有零点和最大指向的波瓣图，可以极大的改善接收端的信噪比。在无线传感网络中，由于传感节点的能量是有限的，因此在满足接收端要求信噪比(SNR)的情况下，需要选择其中的一部分节点进行协作传输。首先，选出的协作节点必须能在接收端形成好的波束，使波束图案的主瓣更窄，接收端的能量更加聚集。其次，选择的节点也应该形成较低的波束旁瓣值，以使对周围基站或接入点(AP)的干扰尽可能小，提高网络传输效率。因此本文主要研究在传感节点进行协作传输时，如何能在接收端形成主瓣更窄，旁瓣更低的节点选择方法。而本文所研究的旁瓣抑制算法也是目前研究相对较多的方法。

以下文献介绍了目前基于节点选择的协作波束成形技术方法：

[1]H.Ochiai,P.Mitran,H.V.Poor,and V.Tarokh,“Collaborative beamformingfor distributed wireless ad hoc sensor networks”,IEEE Trans.Signal Process.,vol.53,no.11,pp.4110–4124,Nov.2005.

[2]Keyvan Zarifi,Sofiene Affes and Ali Ghrayeb,“Distributedbeamforming for wireless sensor networks with random node location,”IEEEICASSP,2009,pp.2261–2264.

[3]W.Zhang,H.F.Yang,Z.Yang,et al.Collaborative beamforming forwireless sensor networks with sector-based node selection[C].Communications,Circuits and Systems,Chengdu,2013,141-144

文献[1]系统性的分析了传感网络中的协作波束成形技术，研究了随机节点阵列在分布式协作波束形成中的随机性能，结果表明，当在一个圆盘中随机分布着给定数量的传感节点，可以形成一个很窄的主瓣和平均旁瓣低于某些阈值的波束图。此外，如果节点的位置足够的稀疏，协作波束信号的方向性会更好，形成的波束就会更加集中，波束图主瓣更窄，旁瓣会更低。在这篇文献中，作者也提出了基于随机节点位置的协作波束成形方法，为以后的学者奠定了研究基础，但是由于这种方法选择节点的随机性，可能造成局部节点的聚集，难以实现好的稀疏度，因而其产生的波束图主瓣宽且旁瓣值较高，传输效率较差。在文献[2]中，作者提出当从圆盘适当的环中选取协作节点时，协作波束图的主瓣会变得更窄，一定程度上提高了网络传输性能，但是带来的问题是旁瓣值依然较高，这在一些场景中是难以接受的，可能对附近的接收基站或AP造成难以预估的干扰。文献[3]在前人基础上提出了基于扇区和环结合的方法进行传感节点选取，更加明显的使主瓣变得更加狭窄，然而这种方法仍然没有解决旁瓣值过高的问题。在现有的方法中，利用了基于扇区和环的节点选择方法进行波束成形，也有结合这两种方法进行选择的，目的都是使接收端信号的波束图具有更窄的主瓣及更低的旁瓣，以达到协作信号具有更强的方向性。而采用这两种节点选择方法的原因在于尽可能的分散选择节点，以增加协作节点的稀疏性。

发明内容

本发明在现有技术的基础上，改进设计了基于双环和扇区结合的方法，能在保证接收端要求SNR的前提下，极大的减小了协作波束的旁瓣值，使旁瓣得到了有效的抑制。

本发明技术方案为：一种基于双环的节点选择旁瓣抑制方法，该方法包括：

步骤1：建立模型；

在一个半径为R的圆形区域内设置K个传感节点，每个节点的位置随机且满足均匀分布，在距离圆盘中心为A的位置有一个目的节点，需要从这K个节点中选择N个节点同时向目的节点进行协作传输数据信息；圆盘的中心被选为极点，因此，第k个节点的极坐标表示为s_k(r_k,ψ_k)，目的节点的坐标表示为D(A,φ₀)，其中r_k和ψ_k分别表示第k个节点的极径和极角，A和φ₀表示极点与目的节点的距离和角度，每个传感节点配备一根全向天线，且发送功率相同；

步骤2：区域划分；

将圆形区域划分出一个内环区域和一个外环区域；其中：内环区域和外环区域面积相等，内环区域的外半径为R_1,out，内半径为R_1,in，外环区域的外半径为R_2,out＝R，内半径为R_2,in，且R_2.in≥R_1.out，因此，π(R_2.out ²-R_2.in ²)＝π(R_1.out ²-R_1.in ²)；同时将圆形区域划分为N个大小相等的扇区，则每个扇形区域都有相同的中心角度2π/N；设已知每个节点的位置及所属区域；令S_2,i和S_1,i分别表示外环和内环中被扇区分割的第i个区域(i＝{1,2...,N})，则属于这部分区域的节点表示为：

步骤3：协作节点选择；

从外环的每个奇数或偶数扇区进行随机选择传感节点，则总共会选出N/2个节点，再从内环的每个偶数或奇数扇区进行随机选择传感节点，则总共会选出N/2节点；将选择出的共N个节点同时向接收端发送数据信息，进行协作波束传输；

步骤4：协作波束信号传输：当选择好N个协作节点以后，这些节点将共享相同的数据信息，同时进行协作波束传输；

选择的第k个节点与任一接收节点(A,φ)的欧几里得距离表示为：

由于A＞＞r_k，因此欧几里得距离可近似为：

d_k(φ)≈A-r_kcos(φ-ψ_k)

设第k个节点的初始相位为

其中k＝1,2...,N，载波的波长为λ，因此令其初始相位为：

则形成的阵列因子为：

设φ₀＝0，则上面的阵列因子重写为：

最终，远场波形表示如下：

P(φ)＝|F(φ)|²。

通过分析目的节点接收到的协作远场波形可以得到该节点选择方案的性能，在保证较窄的波束主瓣的前提下，能明显的看出本文的方法对波形旁瓣的抑制效果；本发明利用了当节点足够稀疏时，协作波束的方向性会更加明显；从环和扇区中进行节点选择，提高了系统性能的优势，提出在双环扇区进行交叉的选择，有效的提升了节点的稀疏性，增强了传输性能。

附图说明

图1是本发明的系统模型图；

图2是本发明和文献[1],[3]在相同的圆盘半径和仿真条件下的波束对比图，图2中仿真数据为R_2.out＝R,R_2.in＝0.9*R，R_1.out＝0.6*R，R_1.in＝0.41*R；

图3、4是本发明在改变圆环大小时和文献[1]，[3]的波束对比图；

图3仿真数据为R_2.out＝R,R_2.in＝0.9*R，R_1.out＝0.7*R，R_1.in＝0.55*R；

图4仿真数据为R_2.out＝R,R_2.in＝0.8*R，R_1.out＝0.7*R，R_1.in＝0.36*R；

图5是本发明和对比文献[1],[3]在增大选择节点数目时的对比图；

图5仿真数据为N＝20，R_2.out＝R,R_2.in＝0.9*R，R_1.out＝0.6*R，R_1.in＝0.41*R。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面将以上述技术方案为基准，介绍本发明的实施过程，且本发明的实施范围为一般场景，不只限于下文所述情形。

假设本案例圆盘中有500个协作节点，1个目的节点，协作节点结构简单，分别配备单天线，为了降低能耗，增加通信距离，并且减小对附近基站或AP的影响，需要从圆盘中选择N＝10个协作节点同时向目标节点发送协作波束。协作节点随机分布在R＝5的圆形区域中，且其圆心与目的节点的距离D＝100；在信号传播过程中，信道为静变信道，对发送节点的功率进行归一化处理，主要考虑到达目的节点波束能量，并通过仿真分析波束信号形成的波束图。

下面将根据上述搭建好的系统对本发明进行详细的实施步骤：

步骤1：对上述圆盘进行双环和扇区划分。首先将圆盘划分为两个同心的圆环，第一个环的外环半径为R_2.out＝R，环的内半径R_2.in＝0.9*R；第二个环的外半径为R_1.out＝0.6*R，内半径为R_1.in＝0.41*R，如此划分的依据在于确保两个环的面积相等。同时将圆盘划分为N个大小相等的扇区，则每个扇形区域都有相同的中心角度2π/N。

步骤2：对划分好的圆盘分别对外环和内环的每个扇区进行标号，令S_2,i和S_1,i分别表示外环和内环中被扇区分割的第i个区域(i＝{1,2...,N})。假设每个节点都知道自己的位置，因此它们也知道自己分别属于哪个区域。

步骤3：当对圆盘的各个区域进行标号后，接下来将从这2N个区域中选择N个节点进行协作波束传输，节点选择的依据如下：从外环的S_2,1,S_2,3,S_2,5...S_2,i...S_2,N-1各个区域分别随机选择一个节点，即从外环的每个奇数扇区进行随机选择传感节点，则总共会选出N/2个节点。从内环的S_1,2,S_1,4,S_1,6...S_1,i...S_1,N的各个区域分别随机选择一个节点，即从内环的每个偶数扇区进行随机选择传感节点，则总共会选出N/2节点。至此，分两步从圆盘的外环和内环选出了N个节点

步骤4：当选择好N个协作节点以后，对协作节点进行时间同步和载波同步，接下来这些节点将共享相同的数据信息，同时向目的节点进行协作波束传输。

步骤5：目的节点接收到来自协作节点的数据信息，计算相应的阵列因子F(φ|r,ψ)和远场波形P(φ)＝|F(φ)|²，至此一次协作波束成形完成，协作节点将进行下一次的数据传输。后面将通过波束仿真图分析提出方法的优良性能。

图2，图3和图4画出了文献[1],[3]和本文3种不同的基于节点选择的协作波束对比图，图中的X轴为方向角，Y轴为波束信号在1000次仿真后的平均功率。在不同的环半径的情况下，这三幅图刻画了从圆盘中选择10个节点时的波束图案。文献[1]中提出了在圆盘中进行节点的随机选择方法，而文献[3]则提出基于单环和扇区结合的方法进行节点选取，从图中可以看到，文献[1]的方法具有比较宽的主瓣，且旁瓣也较高但趋于平稳，这种方法造成接收端的能量不聚集，波束的方向性较差；而文献[3]的方法虽然主瓣变得更加狭窄，但是其旁瓣却异常的高，这在一些场景中是不允许的，可能会对临近节点造成极大的干扰。而提出的方法使以上两个问题得到了更好的解决，即在得到较窄主瓣的同时，极大地降低了波束的旁瓣值，从图中可以看出，的方法既有狭窄主瓣的同时，旁瓣的高度相比其它两种方法也得到了有效的抑制。

图5给出了当N＝20时，即选择节点数目增大一倍时的波束图案。从图中可以明显的看到，当选择的节点数目增加时，提出方法的旁瓣抑制效果得到了极大的提升，旁瓣的峰值明显降低，这种优良性能来源于当节点数目增加时，提出的方法具有更强的节点稀疏性，因此性能也趋于更优。

Claims (1)

1.一种基于双环的节点选择旁瓣抑制方法，该方法包括：

步骤1：建立模型；

在一个半径为R的圆形区域内设置K个传感节点，每个节点的位置随机且满足均匀分布，在距离圆盘中心为A的位置有一个目的节点，需要从这K个节点中选择N个节点同时向目的节点进行协作传输数据信息；圆盘的中心被选为极点，因此，第k个节点的极坐标表示为s_k(r_k,ψ_k)，目的节点的坐标表示为D(A,φ₀)，其中r_k和ψ_k分别表示第k个节点的极径和极角，A和φ₀表示极点与目的节点的距离和角度，每个传感节点配备一根全向天线，且发送功率相同；

步骤2：区域划分；

将圆形区域划分出一个内环区域和一个外环区域；其中：内环区域和外环区域面积相等，内环区域的外半径为R_1,out，内半径为R_1,in，外环区域的外半径为R_2,out＝R，内半径为R_2,in，且R₂._in≥R_1.out，因此，π(R_2.out ²-R_2.in ²)＝π(R_1.out ²-R_1.in ²)；同时将圆形区域划分为N个大小相等的扇区，则每个扇形区域都有相同的中心角度2π/N；设已知每个节点的位置及所属区域；令S_2,i和S_1,i分别表示外环和内环中被扇区分割的第i个区域(i＝{1,2...,N})，则属于这部分区域的节点表示为：

步骤3：协作节点选择；

从外环的每个奇数或偶数扇区进行随机选择传感节点，则总共会选出N/2个节点，再从内环的每个偶数或奇数扇区进行随机选择传感节点，则总共会选出N/2节点；将选择出的共N个节点同时向接收端发送数据信息，进行协作波束传输；

步骤4：协作波束信号传输：当选择好N个协作节点以后，这些节点将共享相同的数据信息，同时进行协作波束传输；

选择的第k个节点与任一接收节点(A,φ)的欧几里得距离表示为：

由于A＞＞r_k，因此欧几里得距离可近似为：

d_k(φ)≈A-r_kcos(φ-ψ_k)

设第k个节点的初始相位为

其中k＝1,2...,N，载波的波长为λ，因此令其初始相位为：

则形成的阵列因子为：

设φ₀＝0，则上面的阵列因子重写为：

最终，远场波形表示如下：

P(φ)＝|F(φ)|²；

步骤5：目的节点接收到来自协作节点的数据信息，计算相应的阵列因子F(φ|r,ψ)和远场波形P(φ)＝|F(φ)|²。

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