基于无线传感器网络的协作波束形成技术研究

Collaborative beamforming is a key technique in wireless sensor networks and has been widely studied in the last few years. Main limits of the existing collaborative beamforming include: (1) all of node localization algorithms required for phase synchronization are based on the assumption of light-of-sight propagation;(2) the synchronization error and non-Gaussian noise haven't been considered;(3)node selection methods with large computational burden are not sutiable for wireless sensor networks;(4)performance analysis of collaborative beamforming is based on some specific node distributions. The following research works will be performed in this project for solving the above problems: node location methods with the high positioning accuracy for non-light-of-sight propagation will be proposed first for pefect phase synchronization and the corresponding CRLB will also be derived for non-light-of-sight situation which can help to model the synchronization error. Subsequently, a novel collaborative beamformer considering both of synchronization error and non-Gaussian noise will be developed.With the proposed collaborative beamforming approach, a node selection approach based on sparse constraint will be designed for reducing the powe consumption in wireless sensor networks. The proposed node selection approach can rapidly converage to the minmum point with the low computation burden.Finally, the beampattern properties of collaborative beamforming will de derived for arbitrary node distributions. The above researches can promote the wide applications of collaborative beamforming.

协作波束形成技术是无线传感器网络的关键技术，近年来得到了广泛研究。现有的无线传感器网络协作波束形成技术存在以下局限性：（1）相位同步所需的节点定位算法都是基于直达波假设；（2）没有考虑同步误差和复杂噪声；（3）节点选择算法运算量大，不适合无线传感器网络；（4）性能分析都是基于特定的节点位置分布。针对以上问题，本项目拟开展以下研究：首先提出高精度的非直达波节点定位算法，解决现有同步算法相位同步精度不高的问题，并推导节点定位问题的克拉美罗下界，为同步误差建模奠定基础；然后发展对同步误差和复杂噪声联合稳健的无线传感器网络协作波束形成算法；再次考虑网络能量受限问题，提出基于稀疏约束的低运算量节点选择算法，与之前所提出的稳健波束形成算法结合降低波束形成功率消耗；最后建立适应任意节点分布的协作波束形成性能分析体系。通过上述研究，推动无线传感器网络协作波束形成技术的广泛应用。

本项目研究的目标是突破现有的协作波束形成算法相位同步所需的节点定位算法定位精度不高、波束形成算法受同步误差和复杂非高斯噪声影响大、以及性能分析拘泥于特定的节点位置分布等局限，发展高精度的节点定位算法，在此基础上研究对同步误差和复杂噪声联合稳健的无线传感器网络协作波束形成算法，以及建立适用于所有节点分布的波束形成性能评价体系，提高现有无线传感器网络协作波束形成技术的实用性。研究成果简介如下：（1）分步式无线传感器网络节点定位体系结构研究：该体系结构通过依次将未知节点作为伪锚节点对剩余节点就行定位，突破现有的节点定位体系或者无法对代价函数加权，或者需要N维搜索局限，为后续的节点定位算法的研究奠定基础。（2）高精度的节点直达波定位算法研究：基于所提出的分布式节点定位体系结构，发展高精度的节点直达波定位算法，在直达波环境中同时考虑测距误差和伪锚节点的位置误差，在每一步的节点计算中得到高精度的闭式解。（3）节点非直达波定位算法研究：基于所提出的分布式节点定位体系结构，将稳健代价函数和伪锚节点的位置误差相结合，提出非直达波环境下的基于几何特性的节点定位算法。（4）学习型节点定位算法研究：在现有学习型蜂窝无线定位算法的基础上考虑节点间的所有测距信息，重构代价函数，改进定位性能。（5）节点定位技术的理论评价体系研究：建立基于非参数核方法的节点定位技术的理论评价体系，该体系将现有的基于直达波环境的节点定位性能评价体系包含在内，能够适用于各种情况。（6）稳健协作波束形成算法研究，提出了以线性约束最小功率为核心思想的分布式协作波束形成算法，并在此基础上考虑对冲激噪声和阵列响应误差稳健的协作波束形成算法。（7）节点选择算法研究：有别于多天线阵列的固定阵元，分布式协作波束形成的节点位置是随机的，因此节点分布的稀疏性也会影响波束的方向图，不恰当的节点分布会造成旁瓣过高和相位模糊，本项目通过节点选择和节点移动来进行重新布阵，来抑制旁瓣。（8）基于非参数核方法的波束形成算法性能分析研究：首先构造基于非参数核方法的节点位置和相位误差概率密度函数，然后结合远场方向图利用统计方法推导出分布式协作波束形成的各个特性，所得到的分析结果适应于任意节点和相位误差分布。受项目资助，一共录用/发表SCI期刊论文6篇，国际会议论文11篇，中文期刊论文1篇，申请国家发明专利4项，培养博士后1名，硕士研究生5名。