基於無線感測器網路的協作波束形成技術研究

《基於無線感測器網路的協作波束形成技術研究》是依託電子科技大學,由黃際彥擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於無線感測器網路的協作波束形成技術研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：黃際彥

項目摘要

協作波束形成技術是無線感測器網路的關鍵技術，近年來得到了廣泛研究。現有的無線感測器網路協作波束形成技術存在以下局限性：（1）相位同步所需的節點定位算法都是基於直達波假設；（2）沒有考慮同步誤差和複雜噪聲；（3）節點選擇算法運算量大，不適合無線感測器網路；（4）性能分析都是基於特定的節點位置分布。針對以上問題，本項目擬開展以下研究：首先提出高精度的非直達波節點定位算法，解決現有同步算法相位同步精度不高的問題，並推導節點定位問題的克拉美羅下界，為同步誤差建模奠定基礎；然後發展對同步誤差和複雜噪聲聯合穩健的無線感測器網路協作波束形成算法；再次考慮網路能量受限問題，提出基於稀疏約束的低運算量節點選擇算法，與之前所提出的穩健波束形成算法結合降低波束形成功率消耗；最後建立適應任意節點分布的協作波束形成性能分析體系。通過上述研究，推動無線感測器網路協作波束形成技術的廣泛套用。

結題摘要

本項目研究的目標是突破現有的協作波束形成算法相位同步所需的節點定位算法定位精度不高、波束形成算法受同步誤差和複雜非高斯噪聲影響大、以及性能分析拘泥於特定的節點位置分布等局限，發展高精度的節點定位算法，在此基礎上研究對同步誤差和複雜噪聲聯合穩健的無線感測器網路協作波束形成算法，以及建立適用於所有節點分布的波束形成性能評價體系，提高現有無線感測器網路協作波束形成技術的實用性。研究成果簡介如下：（1）分步式無線感測器網路節點定位體系結構研究：該體系結構通過依次將未知節點作為偽錨節點對剩餘節點就行定位，突破現有的節點定位體系或者無法對代價函式加權，或者需要N維搜尋局限，為後續的節點定位算法的研究奠定基礎。（2）高精度的節點直達波定位算法研究：基於所提出的分散式節點定位體系結構，發展高精度的節點直達波定位算法，在直達波環境中同時考慮測距誤差和偽錨節點的位置誤差，在每一步的節點計算中得到高精度的閉式解。（3）節點非直達波定位算法研究：基於所提出的分散式節點定位體系結構，將穩健代價函式和偽錨節點的位置誤差相結合，提出非直達波環境下的基於幾何特性的節點定位算法。（4）學習型節點定位算法研究：在現有學習型蜂窩無線定位算法的基礎上考慮節點間的所有測距信息，重構代價函式，改進定位性能。（5）節點定位技術的理論評價體系研究：建立基於非參數核方法的節點定位技術的理論評價體系，該體系將現有的基於直達波環境的節點定位性能評價體系包含在內，能夠適用於各種情況。（6）穩健協作波束形成算法研究，提出了以線性約束最小功率為核心思想的分散式協作波束形成算法，並在此基礎上考慮對衝激噪聲和陣列回響誤差穩健的協作波束形成算法。（7）節點選擇算法研究：有別於多天線陣列的固定陣元，分散式協作波束形成的節點位置是隨機的，因此節點分布的稀疏性也會影響波束的方向圖，不恰當的節點分布會造成旁瓣過高和相位模糊，本項目通過節點選擇和節點移動來進行重新布陣，來抑制旁瓣。（8）基於非參數核方法的波束形成算法性能分析研究：首先構造基於非參數核方法的節點位置和相位誤差機率密度函式，然後結合遠場方向圖利用統計方法推導出分散式協作波束形成的各個特性，所得到的分析結果適應於任意節點和相位誤差分布。受項目資助，一共錄用/發表SCI期刊論文6篇，國際會議論文11篇，中文期刊論文1篇，申請國家發明專利4項，培養博士後1名，碩士研究生5名。