一种无线传感器网络波束成形传输阵列节点选择方法

摘要

在分布式无线传感器网络远距离通信领域中，单个节点的通信距离和能量受限，采用多跳的方式存在的误码率较高和时延较大等问题，为此，本发明公布了一种无线传感器网络波束成形传输的协作通信方式及节点的选择方法。具体思路是：首先，确定组成虚拟天线阵列所需的最少节点数量；然后，确定该阵列的理想天线方向图，根据该理想方向图，确定阵列的形状及节点间距等条件，选择出符合该条件的节点组成天线阵列；最后，管理节点协调各组阵节点统一时序，利用波束成形的方式联合发射数据。利用本发明所提出的方法，可有效避免传统无线传感器网络远距离多跳通信所带来的时延过高和能量损耗过大的问题，提高了通信成功的概率并延长了网络生存期。

主权项

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：节点N₀根据自身位置和汇聚节点的位置及天线高度、根据自身与汇聚节点或基站天线的仰角θ以及自身相对于汇聚节点或基站所在二维平面与x轴的夹角确定节点N₀到汇聚节点的最佳天线方向图，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：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；(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：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，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：$d\le \frac{{\lambda }_{min}}{1+\left|{\mathrm{sin\theta }}_{max}\right|}$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，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。