感知“利”器｜无线传感网中的多传输节点协同波束成形方法
2016-12-30 22:04:00   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，专利已不仅仅是创新的一种保护手段，它已成为商业战场中的利器。麦姆斯咨询倾情打造MEMS、传感器以及物联网领域的专利运营平台，整合全产业链知识产权资源，积极推动知识产权保护与有效利用。

无线传感器节点可以连续不断地进行数据采集、事件检测、事件标志、位置监测和节点控制。传感器节点的这些特性和无线连接方式使得无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。

广泛应用的无线传感器网络

在大多数的无线传感网络的设计中，每个传感器节点都是单天线且单节点独立工作。每个节点的发射装置包括信道编码器，基带调制器，成形滤波，射频调制器，如下图所示。

无线传感器网络现有的传感器节点发射装置结构图

信道编码器对传感器感知的信息进行编码，加入一些冗余的信息，以对抗在无线传输过程中信道衰落的影响，纠正在传输过程中造成的误码。同时利用信道编码算法中的检错功能，对传输过程中的误码进行检测，并提供给上层协议作为处理时的参考。

基带调制器则根据所选择的调制方式进行调制。常见的有QPSK或OQPSK等。

成形滤波器对基带调制器的I和Q路输出的数据进行成形滤波。由于基带调制器输出的是方波信号，有丰富的谐波成分，将这样的信号直接输出时其带外的谐波信号会对临近频段上通信的用户造成严重的干扰；另一方面，方波信号输出时得到的频谱效率较低。

射频调制器则由一个本振发生器，一个移相器，一个同相调制器，一个正交调制器和一个合路器组成。合路器与同相调制器和正交调制器相连，将两个调制器的输出合为一路。

【推荐发明专利】

《无线传感网中的多传输节点协同波束成形方法》

【技术背景】

上述这种单天线单节点的工作方式由于没有分集增益，能量效率较低，在能量受限的无线传感网中显然不是最佳的工作方式，不适合应用。另一方面，传感器节点都是随机布设的，考虑到某些节点与簇头节点之间的信道衰落可能会特别严重而导致其感知的信息无法传回，造成节点的失效，因此传感器节点是密集布设的，通过增加传感器节点的冗余度来提高网络的可靠性。这样做一方面布设成本较高，另一方面传感器节点布设密集会导致多个节点感知的信息冗余度较高，信息传输的效率较低。

本发明目的在于提供一种应用于无线传感网中的多传输节点协同波束成形方法，解决的现有无线传感网络的设计中因每个传感器节点都是单天线的工作方式带来的能量效率较低、布设成本较高和信息传输的效率较低的问题。

【本发明的技术优势】

本发明技术方案为：主发射节点和协同发射节点通过协同建立和协同发射两个步骤进行协同工作，其中协同建立过程中确定参与协同发射的节点，并为每个节点分配一个波束成形系数；协同发射过程中各个发射节点获得波束成形系数和发射的数据，并进行协同发射。

多传输节点协同波束成形工作示例图

多传输节点协同工作过程图

主发射节点通过召唤临近的节点作为协同发射节点，并依据各个发射节点与接收节点之间的信道衰落系数进行波束成形矢量计算，为每个发射节点分配一个波束成形系数。各个发射节点采用传统的单天线工作方式，根据主发射节点分配的波束成形系数来调整发射信号的幅度和相位。通过调整各个发射节点发射信号的幅度，整个协同发射单元在保持总的发射功率恒定的条件下，在各个发射节点间获得最佳的能量分配；通过调整各个发射节点发射信号的相位，。在协同工作方式下，接收节点接收到的信号强度由各个发射节点到接收节点间的信道衰落决定，从而保证节点在与接收节点之间衰落比较严重的情况下也具有与接收节点之间可靠的通信链路，提高网络的可靠性。

通过多个节点协同发射，并为每个协同节点分配一个波束成形系数，在保持总的发射功率不变的情况下，通过调整各个节点发射信号的幅度来调整发射节点间的能量分配，并通过调整各个发射节点发射信号的相位来获得最大的分集增益。同时，通过多节点协同发射，接收节点接收到的信号强度由所有发射节点与接收节点之间的信道衰落系数决定，从而保证各个节点与接收节点之间具有一条可靠的通信链路，增强了网络的可靠性。

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