CN110138428A

CN110138428A - 一种无接收端反馈信息下的波束形成方法

Info

Publication number: CN110138428A
Application number: CN201910476200.7A
Authority: CN
Inventors: 侯健; 吴正波
Original assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Current assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU; Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2019-08-16

Abstract

本发明公开了一种无接收端反馈信息下的波束形成方法，包括步骤：步骤S1、初始化通信网络；步骤S2、更新移动辅助节点的位置；判断辅助节点与原点距离是否大于距离阈值，若是，执行步骤S4，若否，执行步骤S3；步骤S3、更新传感器的相位，执行步骤S2；步骤S4、更新传感器的相位。本发明不需要接收端和传感器阵列之间直接的通讯，只需较少的更新次数就能实现通讯，允许测评距离和方向时存在一定的误差。

Description

一种无接收端反馈信息下的波束形成方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，具体涉及无线传感器网络中在无法获得接收端反馈信息时基于移动辅助传感器的分布式波束形成方法。

背景技术

在无线传感器网络中，如何实现长距离通讯是一个常见问题。通常，由于传感器自身尺寸大小和传输功率的限制，所以难以实现单个传感器节点和较远距离的接收端的直接通讯。因此采用波束形成技术来解决这个问题。

波束形成是一种信号处理技术，使传感器组在特定方向的信号形成接收或传输光束。传统波束形成技术通常采用集权控制传感器组的方法来获得一些集中优化的固定参数，比如：均方误差、输出能量、信噪比、或者信号与干扰加噪声比。如果接收端相对传感器组的方向总是固定不变，那么这些优化后的参数不需要调整。然而，如果相对方向随着时间变化的话，一些适应波束算法，像是样本矩阵求逆算法、最小均方算法、递归最小二乘法和广义特征值方法，就需要重新计算优化权重。

随着无线传感器网络技术的发展，以分布式方法实现波束形成的技术被广泛应用。这两者之间的不同之处在于分布式传感器阵列的几何形状是未知的。此外，所有的节点均拥有独立的振荡器，从而节点之间的相位与载波频率均是独立的。为了确保频率同步，通常采用的方法是将一个参考信号广播发送给所有节点。另一方面，现有技术集中解决相位同步的问题，包括主从开环同步、回路开环、全反馈信息闭环同步和双向源同步等。

公开号为CN101094021的发明专利公开了一种自适应多天线通信方法和装置，根据阵列接收信号的相关矩阵和发射信号的相关矩阵特性，进行信道分类，针对不同类型的信道分别选择不同的调制方式和空时处理方式，包括以下步骤：接收端信道估计，反馈信道状态信息，通信信道环境特征的估计和识别，依据信道特征实时选择调制方式和空时处理方式，以多天线垂直贝尔实验室分层空时码方式或空时网格编码方式或波束形成等方式进行实施。

然而，这些现有技术都需要传感器阵列与接收端的直接通讯。在实际环境中，由于传输能量的有限以及初始信号在接收端尚未同步，信号可能无法抵达接收端。因此传感器阵列无法获得接收端的反馈信息。因此，针对现有技术的缺陷，如何实现一个能够快速和高效实现最优波束形成的方法是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种无接收端反馈信息下的波束形成方法。利用辅助节点沿着接收端的方向移动来优化传感器阵列的通讯区域，使在接收端的信噪比将足够大从而满足系统要求。能够不需要接收端和传感器阵列之间直接的通讯，只需较少的更新次数就能实现通讯。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种无接收端反馈信息下的波束形成方法，包括步骤：

步骤S1、初始化通信网络；

步骤S2、更新移动辅助节点的位置；判断辅助节点与原点距离是否大于距离阈值，若是，执行步骤S4，若否，执行步骤S3；

步骤S3、更新传感器的相位，执行步骤S2；

步骤S4、更新传感器的相位。

进一步地，所述步骤S1包括：初始化移动辅助节点、传感器及接收端的位置。

进一步地，所述移动辅助节点初始化于笛卡尔坐标系的原点，所述传感器随机分布在以原点为圆心、半径为r的圆盘上，所述接收端在y轴上。

进一步地，所述移动辅助节点为智能体。

进一步地，所述步骤S2具体为：

给定距离阈值d*，当辅助节点与原点距离d<d*且时，更新它的位置到d+δd并且测试是否还处在通讯范围之内，δd为人为设定；如果在辅助节点位置的信噪比低于X但是大于X-ε，辅助节点停止运动，其中za为所述辅助节点的位置，X、ε分别为所述移动辅助节点和接收端处的信噪比阈值和最大错误容忍度。

进一步地，所述辅助节点在原点处时SNR(za)>X。

进一步地，所述更新传感器的相位具体为：传感器阵列将利用所述移动辅助节点所反馈的信噪比信息来调整相位使在所述移动辅助节点位置的信噪比能达到最大值。

进一步地，所述传感器坐标分别为[0.1,0]，[-0.1,0]，[0.3,0]，[-0.3,0]，[0.1,π/k]，[-0.1,π/k]，[0.3,π/k]，[-0.3,π/k]，[0.1,-π/k]，[-0.1,-π/k]，[0.3,-π/k]，[-0.3,-π/k]。

本发明提出了一个不需接收端反馈信息的分布式波束形成算法，不需要接收端和传感器阵列之间直接的通讯。假定接收端的距离和方向是已知的，且存在一个朝着接收端方向移动并能接收到信号和将信噪比信息反馈回传感器阵列的辅助节点。在辅助节点的信噪比优化后，接收端的信噪比也将接近优化值。由于在辅助节点处优化的信噪比加强了沿着接收端方向的波束，所以只需少量的位置更新和信噪比优化就能保证辅助节点达到距离阈值，这比无反馈波束策略需要的更新次数少很多。此外，本发明在存在较小误差时也可有效运用。通过特殊的传感器阵列分布可以提高方法对方向估计误差的容忍度。

附图说明

图1为本发明无接收端反馈信息下的波束形成方法流程图；

图2为初始时刻的通讯区域；

图3为策略更新后的通讯区域；

图4为辅助节点到达距离d^*与接收端角度误差β之间的关系；

图5为特殊分布的传感器阵列优化后的通讯区域；

图6为特殊分布的传感器阵列下，接收端信噪比与收端角度误差β之间的关系。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例一

如图1所示，本实施例提出了一种无接收端反馈信息下的波束形成方法，包括：

步骤S1、初始化通信网络；

具体地，初始化通信网络包括初始化移动辅助节点、传感器及接收端的位置。

假设有一队机器人被分配到某个场地进行数据采集的任务。在获得所需的数据后，这些机器人将停止运动并通过无线通讯将数据发送给较远距离的接收端。然而，由于传感器功率的有限且初始的信号并不同步，接收端可能无法接收来自传感器的信息。因此提出本方法能够实现机器人(智能体)和接收端之间的通讯。

例如，通信网络中有m个传感器发送一个共同的信号到接收端。由于每个传感器上的天线都是全向的，所以单个传感器会向各个方向均匀地发送信号。有一个自主移动的辅助节点，初始时刻位于m个传感器共同作用的通讯范围之内。辅助节点能够调整自己的位置以及发送反馈信息给m个传感器，使传感器阵列能加强在特定方向上的信号强度。

在本通信网络中，我们给定如下假设：1.所有传感器的最大传输功率是一样的。2.该系统内每个节点发送的载波频率都为ω。3.传感器阵列和接收端的通讯通过窄带无线信道实现。4.假定目标方向可知且距离可估计，该假设可通过接收端初始时刻发送的信号来估计。

移动辅助节点初始化于笛卡尔坐标系的原点，m个传感器随机分布在以原点为圆心、半径为r的圆盘上，接收端在y轴上。将m个传感器位置分别定义为z₁、z₂…和z_m。接收端位置定义为z_r。辅助节点位置定义为z_a。接收端和原点的距离估计为一个远大于r的R。

辅助节点和接收端处的信噪比阈值和最大错误容忍度分别为X和ε>0(合适的单位)，那么辅助节点能够接收信号和发送反馈的条件就为SNR(z_a)>X-ε。由于辅助节点在原点处时，与其他传感器的距离非常近，所以可以安全地假设辅助节点在原点处时SNR(z_a)>X。通过更新沿着目标方向移动的辅助节点的位置和每个传感器的相位变量使得信噪比在辅助节点处最大化，同时可以确保在接收端处的信噪比会超过阈值。

给定距离阈值d^*，当辅助节点与原点距离d<d^*且SNR(z_a)>X时，更新它的位置到d+δd并且测试是否还处在通讯范围之内，δd为人为设定。如果在辅助节点位置的信噪比低于X但是大于X-ε，辅助节点停止运动。

本发明中，辅助节点沿着y轴移动，即坐标总为z_a＝(0，d)，d为辅助节点与原点之间的距离。我们假定开始时辅助节点位于原点，我们的目标是计算阈值d^*，一旦辅助节点到达d^*且最大化信噪比，那么在接收端的信噪比也会大于阈值X。

步骤S3、更新传感器的相位，执行步骤S2；

具体地，辅助节点更新位置后，发送回馈信息来更新传感器的相位。可借用已存在的方法来调节相位，在本发明中不作任何限定。

本发明中，更新辅助节点的位置，从而保证所有的传感器都能利用来自辅助节点的信噪比信息调节它们的相位以实现传感器阵列和接收端的直接通讯。

步骤S4、更新传感器的相位。

具体地，本发明不断重复位置更新过程，直到d>＝d^*且SNR(z_a)达到最大。

我们选择一个充当辅助节点的智能体沿着接收端的方向移动来优化传感器阵列的通讯区域。在此方案下，智能体在达到通讯区域的边界时停止移动，接下来传感器阵列将利用移动智能体所反馈的信噪比信息来调整相位以求在移动智能体位置的信噪比能达到最大值。在优化之后，智能体将继续朝着接收端方向移动然后再重复上面的更新步骤。通过这样的方式，一旦移动智能体到达一个指定位置且信噪比最大化，那么在接收端的信噪比将足够大从而满足系统要求。

实施例二

本实施例假设传感器阵列分布在半径为6m，圆心在原点的圆内。接收端距离原点500m。通讯频率为433MHz、波长为0.69m、波数为k＝1.44。对本发明的方法进行验证。

假设对接收端方向和距离估计无误差，由接收端坐标为[0,500],可计算d^*＝27。图2为初始时刻的通讯区域，图3为优化后的传感器通讯区域。由图3可知，接收端在优化后的传感器通讯范围之内。验证过程中，[0,27]位于初始化时刻的通讯范围之内，这意味着只需更新一次位置便能使接收端处于通讯范围之内。此外我们借用一个信噪比反馈策略来实现波束在辅助节点的优化。在此策略中，所有的传感器各自拥有一个唯一的id，并且依据id排序。在每一步的迭代中，为了使接收端的信噪比的变化更合乎逻辑，我们只更新单个传感器的相位。在有m个传感器的情况下，成功优化所需迭代次数一般在2m次数之内。

从验证结果可知信噪比在辅助节点和接收端处都达到最大。由于在辅助节点处优化的信噪比加强了沿着接收端方向的波束，所以只需少量的位置更新和信噪比优化就能保证辅助节点达到d^*，这比无反馈波束策略需要的更新次数少很多。

假设对接收端方向和距离估计存在较小的误差，对接收端的方向估计存在误差β，图4表示辅助节点到达距离d^*与接收端角度误差β之间的关系。由图可知β会使d^*快速上升但不会使在接收端信噪比下降太多，这说明该方法能够容忍较小的误差。

为提升对误差的容忍度，我们将传感器阵列布置为特殊图案。十二个传感器坐标分别为[0.1,0]，[-0.1,0]，[0.3,0]，[-0.3,0]，[0.1,π/k]，[-0.1,π/k]，[0.3,π/k]，[-0.3,π/k]，[0.1,-π/k]，[-0.1,-π/k]，[0.3,-π/k]，[-0.3,-π/k]。其优化后通讯区域见图5。从图6可以看出信噪比下降不大，这说明特殊的传感器分布策略能有效提高误差的容忍度。

综上，本发明提出了一个不需接收端反馈信息的分布式波束形成算法。假定接收端的距离和方向是已知的，且存在一个朝着接收端方向移动并能接收到信号和将信噪比信息反馈回传感器阵列的辅助节点。在辅助节点的信噪比优化后，接收端的信噪比也将接近优化值。此外，本发明在存在较小误差时也可有效运用。通过特殊的传感器阵列分布可以提高方法对方向估计误差的容忍度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种无接收端反馈信息下的波束形成方法，其特征在于，包括步骤：

步骤S1、初始化通信网络；

步骤S3、更新传感器的相位，执行步骤S2；

步骤S4、更新传感器的相位。

2.根据权利要求1所述的波束形成方法，其特征在于，所述步骤S1包括：初始化移动辅助节点、传感器及接收端的位置。

3.根据权利要求2所述的波束形成方法，其特征在于，所述移动辅助节点初始化于笛卡尔坐标系的原点，所述传感器随机分布在以原点为圆心、半径为r的圆盘上，所述接收端在y轴上。

4.根据权利要求3所述的波束形成方法，其特征在于，所述移动辅助节点为智能体。

5.根据权利要求3所述的波束形成方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：给定距离阈值d^*，当辅助节点与原点距离d<d^*且SNR(z_a)>X时，更新它的位置到d+δd并且测试是否还处在通讯范围之内，δd为人为设定；如果在辅助节点位置的信噪比低于X但是大于X-ε，辅助节点停止运动，其中z_a为所述辅助节点的位置，X、ε分别为所述移动辅助节点和接收端处的信噪比阈值和最大错误容忍度。

6.根据权利要求5所述的波束形成方法，其特征在于，所述辅助节点在原点处时SNR(z_a)>X。

7.根据权利要求5所述的波束形成方法，其特征在于，所述更新传感器的相位具体为：传感器阵列将利用所述移动辅助节点所反馈的信噪比信息来调整相位使在所述移动辅助节点位置的信噪比能达到最大值。

8.根据权利要求3所述的波束形成方法，其特征在于，所述传感器坐标分别为[0.1,0]，[-0.1,0]，[0.3,0]，[-0.3,0]，[0.1,π/k]，[-0.1,π/k]，[0.3,π/k]，[-0.3,π/k]，[0.1,-π/k]，[-0.1,-π/k]，[0.3,-π/k]，[-0.3,-π/k]。