一种无线中继传感器网络最优传输策略方法技术

本发明专利技术涉及一种无线中继传感器网络最优传输策略的方法。其根据受无线传感器网络技术和中继通信技术的启发，提出了具有放大转发中继的分布式放大转发无线传感器网络，传感器在噪声环境中观测动态参数，观测结果放大转发到中继，中继放大转发接收到的观测值至融合中心(fusion center，FC)，FC用观测值在卡尔曼滤波器进行参数跟踪，解决了在参数估计的均方误差(MSE)约束下，如何找到传感器传输的最优增益，最小化传感器的总功率和独立功率消耗的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络、中继通信等技术，尤其指一种无线中继传感器网络最优传输策略方法。
技术介绍
传感器节点一般采用内置电池供电，能量十分有限，数量巨大且长期工作在不易到达的无人值守环境中，不易更换电池。但网络的生存时间却要长达数月甚至数年，节点的能量一旦耗尽，就会立即退出网络，这将直接影响网络的生命周期及整体功能的实现。因此高效优化的功率传输策略对保证网络覆盖、降低节点功耗、优化网络性能具有重要意义。中继通信作为一种强有力的空间分集技术，它可以改善传统点到点的通信性能。通信系统中继的引入，源节点可以通过中继的帮助向目的节点传送信息，大大降低了无线终端的传输功耗，从而减少干扰和延长终端设备电池的寿命。因此，受无线传感器网络技术和中继通信技术的启发，本专利技术涉及一种无线中继传感器网络最优传输策略方法。关于分布式放大转发传感器网络的估计，现有的大多数研究考虑的是参数在时不变、确定的或独立同分布高斯的情况。现有工作已经研究了FC具有从每个传感器获得各个信号的情况，考虑了两种类型的问题：在总功率和独立功率约束下最小化参数的估计误差，以及最小化传感器总的发射功率在参数估计误差的约束下。根据信道不同接入方案和不同的功率分配策略，已推导出参数估计误差随着传感器节点数目变化的表达式。
技术实现思路
本专利技术提出一种无线中继传感器网络最优传输策略方法，以解决现有技术中，在于考虑(1)无线中继传感器网络系统中传感器节点内置电池供电，能量十分有限的问题；(2)数量巨大且长期工作在不易到达的无人值守环境中，不易更换电池的问题；(3)网络的生存时间却要长达数月甚至数年，节点的能量一旦耗尽，就会立即退出网络的问题；(4)通信系统中继的引入，能够大大降低无线终端的传输功耗，减少干扰和延长终端设备电池的寿命的问题。针对上述问题，本专利技术高效优化的功率传输策略对保证网络覆盖、降低节点功耗、优化网络性能具有重要意义。为了实现本专利技术的专利技术目的，采用的技术方案如下：本专利技术的技术方案是：一种无线中继传感器网络最优传输策略方法。处于噪声环境中传感器节点观测动态参数，观测结果放大转发到中继，中继放大转发接收到的观测值至融合中心(fusion center，FC)，FC的卡尔曼滤波器跟踪参数，本专利技术涉及传感器节点的最佳传输增益，所述方法包括：(1)设定系统有N个无线传感器，传感器在噪声环境中观测动态参数，利用一阶高斯-马尔科夫过程模拟复数动态参数θn的演化；(2)每个传感器节点在观测到动态参数θn之后，放大转发观测信号到中继；(3)中继放大接收到的观测信号，且这些信号和转发至融合中心(fusion center，FC)；(4)FC用观测值在卡尔曼滤波器(Kalman Filter)进行参数跟踪；作为进一步的优选方案，无线中继传感器网络系统采用卡尔曼滤波器(Kalman Filter)进行参数跟踪；作为进一步的优选方案，所述步骤(1)动态参数θn根据以下公式决定：θn＝αθn-1+un，其中n代表时间步长，α是相关参数，un是过程噪声且服从复正态分布，均值为0、方差为表示为作为进一步的优选方案，所述步骤(2)无线中继传感器网络中所有传感器节点对同一个参数θn进行观测；作为进一步的优选方案，所述步骤(2)传感器节点的放大转发因子即复数传输增益ai,n；作为进一步的优选方案，所述步骤(3)中继的放大因子β根据以下公式决定：其中p1为传感器的发射功率，p2为中继放大转发信号的功率，h1是源节点到中继节点的信道；作为进一步的优选方案，最优传输策略可以从以下两个角度判定：(1)在参数估计的均方误差(MSE)约束下，无线中继传感器网络系统中所有传感器发射功率的总和最小；(2)在参数估计的均方误差(MSE)约束下，无线中继传感器网络系统中单个传感器发射功率最小，即峰值功率最小；作为进一步的优选方案，所述均方误差(MSE)的取值为0.02、0.04；本专利技术显著的改善了系统的通信质量、性能，降低了节点功耗、保证了网络覆盖、优化了网络性能，从而减少干扰和延长终端设备电池的寿命，同时使得基础设施的成本更低而且组网灵活，建设速率快。附图说明图1为本专利技术无线传感器网络构成图；图2为本专利技术中继放大转发协议原理图；图3为无线中继传感器网络系统模型图；图4为基于卡尔曼滤波的目标(参数)跟踪流程图；图5示出了对于不同MSE约束，传感器的最大单个的发射功率与数量；图6示出了对于不同MSE约束，传感器所需总的发射功率与数量。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明。本专利技术提供一种无线中继传感器网络最优传输策略方法。本专利技术结合无线传感器网络如图1所示和中继通信技术且本专利技术采用放大转发中继，其放大转发协议原理如图2所示，具有放大转发中继的分布式放大转发无线传感器网络如图3所示，传感器在噪声环境中观测动态参数，观测结果放大转发到中继，中继放大转发接收到的观测值至汇聚中心(fusion center，FC)，FC用观测值在卡尔曼滤波器进行参数跟踪，本专利技术提供了无线中继传感器网络最优传输策略方法。(1)本专利技术设定无线中继传感器网络系统有N个无线传感器，传感器在噪声环境中观测动态参数，利用一阶高斯-马尔科夫过程模拟复数动态参数θn的演化，即θn＝αθn-1+un (1)其中n代表时间步长，α作为相关参数在这里指所应用的一阶高斯-马尔科夫过程中的变化系数，其根据传感器类型可以进一步设定，过程噪声un服从复正态分布且均值为0、方差为表示为本专利技术假设θn的均值为0，范数|α|<1，则有θn是一个平稳过程。因此，θn的方差是一个常数，且(2)每个传感器节点在观测到动态参数θn之后，放大转发观测信号到中继，si,n＝θn+vi,n (2)其中si,n是在时间n第i个传感器节点的观测值，vi,n是观测噪声，服从复正态分布且将其表示为yR是所有传感器节点信号的相干总和，即 y R = a n H h n θ n + a n H H n v n + w n - - - ( 3 ) ]]>其中hn＝[h1,n,...,hN,n]T第i个传感器节点到放大转发中继的无线信道增益的向量，an＝[a1,n,...,a1,n]H是包含传感器传输增益的的共轭向量，Hn＝diag{h1,n,...,hN,n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线中继传感器网络最优传输策略方法，其用于处于噪声环境下且具备N个无线传感器的无线中继传感器网络，其特征在于，(1)利用一阶高斯‑马尔科夫过程模拟复数动态参数θn的演化，所述N个传感器在噪声环境中对θn进行观测；(2)每个传感器节点在观测到动态参数θn之后，对所述动态参数θn的观测值求总和，然后进行放大并转发到中继；(3)中继对接收到的信号再次进行放大并转发至融合中心；(4)所述融合中心使用卡尔曼滤波器对中继转发来的信号进行参数跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种无线中继传感器网络最优传输策略方法，其用于处于噪声环境下且具备N个无线传感器的无线中继传感器网络，其特征在于，(1)利用一阶高斯-马尔科夫过程模拟复数动态参数θn的演化，所述N个传感器在噪声环境中对θn进行观测；(2)每个传感器节点在观测到动态参数θn之后，对所述动态参数θn的观测值求总和，然后进行放大并转发到中继；(3)中继对接收到的信号再次进行放大并转发至融合中心；(4)所述融合中心使用卡尔曼滤波器对中继转发来的信号进行参数跟踪。2.根据权利要求1所述的无线中继传感器网络最优传输策略方法，其特征在于，所述无线中继传感器网络中各传感器采用内置电池供电。3.根据权利要求2所述的无线中继传感器网络最优传输策略方法，其特征在于，步骤(1)中的所述利用一阶高斯-马尔科夫过程对初始参数进行模拟演化得到动态参数为：θn＝αθn-1+un，其中n代表时间步长，α是一阶高斯-...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广驰，高彤，崔苗，李学易，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44