[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

说明书

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：