基于时间反演电磁波传输的无线传感器网络共存研究

It is very essential for wireless sensor networks to solve the problems related to multipath interference and coexistence between densely deployed nodes operating in multipath environments. This project aims at breaking through the traditional research methods and exploring the space-time focusing mechanism of time reversal electromagnetic waves to develop new interference suppression methods as well as new coexistence techniques from the perspective of electromagnetic wave propagation. This study includes: (1) We will make study on the space-time focusing evolution mechanism and the radiated power distribution characteristics of the time reversal electromagnetic waves and analyze the computataion of the radiated power of the time reversal electromagnetic waves.(2) We will make study the statistic charateristics of the time reversal electromagnetic waves and build interference modelsfor WSN system analysis and coexistence research. (3) We will utilize these models and the spectrum sensing techniques of th cognitive radio to develop fast methods to predict the spectrum holes and make more efficient use of the spectrum resources. (4) We will combine the sub-wavelength micro-structured array antennas and waveform matching methods to explore novel coexistence methods and techniques that can enhance the dense deployment of wireless sensors. The achievement of the project will provide effective theory and techniques for the dense deployment, network planning, and the development of wireless sensor networks.

解决节点密集共存和多径干扰抑制难题对无线传感器网络的发展具有十分重要的意义。本项目旨在突破传统研究思路，拟从电磁波传播角度出发，探索利用时间反演电磁波的空-时聚焦传输机制，发展新型的电磁干扰抑制措施和无线共存方法。具体包括：（1）研究时间反演电磁波的空-时聚焦形成机制及其辐射功率分布规律，对时间反演电磁波引起的电磁干扰进行量化分析；（2）研究时间反演电磁波传播的统计规律，为无线传感器网络的系统设计和共存分析建立电磁干扰统计模型；（3）利用所建模型和认知无线电的频谱感知技术，研究频谱空洞的快速预测方法，实现频谱资源的高效再利用；（4）结合亚波长微结构阵列天线和波形匹配技术，发展可实现传感器节点密集部署的共存方法和技术。项目成果将为无线传感器网络的节点密集部署、网络规划及其应用发展提供理论支撑和技术支持。

本项目从电磁波传播控制的角度出发，利用时间反演技术独特的空-时聚焦传播机制及理论，对无线传感器密集共存问题进行了深入的研究，取得如下研究成果：(1) 建立了TR 电磁波功率分布量化计算模型，实现了对由TR电磁波引起电磁干扰情况进行快速、量化分析；(2) 建立了路径损耗和电磁干扰的统计模型，为WSN系统设计和节点共存研究提供了基本分析手段；(3) 提出了频谱空洞快速预测方法，实现了比传统方法更为高效的时间和空间资源利用效率；(4) 设计出两款亚波长微结构超分辨天线，分辨率分别为λ/10和λ/41，实验证实了无线传感器节点天线在亚波长间距部署下实现更高密度部署以及扩大共存区域的可行性；（5）基于时间反演聚焦波的角域数字化和空域数字化技术，提出了可实现多节点同频并发通信的两个无线通信系统方案，是本项目中最具原创性的研究成果，截止目前在国际上还未见到与之类似的研究成果报道。（6）依托于本项目，发表标注有本基金项目号的学术论文19篇（SCI收录10篇，会议论文9篇），其中EI收录18篇，申请中国发明专利11项（已获授权5项），培养优秀青年教师1名，博/硕士研究生合计8人，前往美国进行国际学术交流1次，超额完成项目预期目标。项目研究成果为解决密集部署无线传感器间的电磁干扰以及传感网络系统容量提升提供了有效解决方案，对无线传感器网络的节点密集部署、网络规划及其应用发展具有重要的推进作用，对其他类型的无线通信及网络系统的研究与发展也具有重要的推广应用价值。