[发明专利]一种无线传感器网络波束成形传输阵列节点选择方法

权利要求书

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。