一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法
【專利摘要】一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，屬于無線傳感網、分布式波束形成【技術領域】。本發明為了解決現有時隙往返載波同步方法擴展性不強及節點間相位同步緩慢的問題，也是為了單個傳感器功率較小導致的分布式光束不能及時到達衛星的問題，也是為了抑制節點間信號傳輸過程出現的多普勒效應。目標節點向主節點及從節點發送單頻信標信號，主節點經相位鑒別電路處理后得到主節點調制信號；從節點先將接收到的單頻信標信號發送給主節點，經主節點處理后再發送給從節點，從而形成從節點調制信號；主節點調制信號及從節點調制信號在目標節點處同相疊加，獲得功率增益。本發明還適用于無線傳感網絡。
【專利說明】一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于無線傳感網、分布式波束形成【技術領域】。
【背景技術】
[0002]海洋是人類維持生存繁衍和社會實現可持續發展的重要基地，開發海洋、發展海洋經濟是整個人類生存和社會發展的必由之路，鑒于海洋的重要性，對海洋資源與環境的監測正成為世界各國研究的一大熱點。海洋信息通常采用衛星作為中繼進行傳輸，海洋與陸地不同，海面上無法架設大的基站與衛星進行通信，同時基站也無法在海面進行隨機布撒。而傳感器節點由于其低成本和小體積，能夠在海面進行隨機布撒，但是單個傳感器節點的能量較小，無法與衛星直接進行通信，所以需利用海面多傳感器節點的分布式(協同)波束形成遠距離傳輸技術實現傳感器網絡與衛星直接通信，而進行此分布式波束形成的核心問題是載波相位、時間的同步。
[0003]現有的適用于分布式波束形成的載波相位同步方案主要有兩種:其中之一是R.Mudumbai 等人提出的 Scalable Feedback Control for Distributed Beamforming inSensor Networks (傳感器網絡中分布式波束形成可擴展的反饋控制方法)。這種方法需要目的節點對源節點的相位信息進行數次校對判定，最終選擇最優的一種結果進行波束形成。由于這種校對需要進行很多次，也就是目的節點與源節點需要進行頻繁的通信，所以只適用于以飛機或陸地基站作為中繼的短程波束形成的情況，不適用于海面傳感器與衛星直接進行通信的情況。
[0004]另一種是D.Richard Brown 等人提出的 Time-Slotted Round-Trip CarrierSynchronization (時隙往返載波同步)。這種方法由目的節點首先將相位信息發送給所有源節點，源節點間分時隙進行相位累加從而得到節點間的相位同步。其優點在源節點于不需要頻繁的與目的節點進行相位校對，但是由于源節點間采用的是線性結構，其擴展性不強。在海面無線傳感網絡中，單個傳感器功率較小，其輸出的分布式波束不能到達衛星，因此為了保證衛星通信的快速性需要大量的傳感器節點，而這正是基于海面無線傳感網急待解決的問題所在。
【發明內容】
[0005]本發明為了解決現有時隙往返載波同步方法在應用于海面傳感器與衛星直接進行通信時出現的源節點采用線性結構導致該方法擴展性不強及節點間相位同步緩慢的問題，也是為了解決單個傳感器功率較小導致的分布式光束不能到達衛星的問題，也是為了抑制由于海面波動導致的傳感器網絡節點不規則運動導致的節點間信號傳輸過程出現的多普勒效應，提出了一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法。
[0006]一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，本方法是在不考慮頻率及相位估計誤差的條件下進行的，該方法包括如下步驟:[0007]步驟一、源節點Nodei獲取并存儲數據拷貝信號m(t)，源節點Nodei中Node1為主節點，NodeK為從節點，其中，K為大于等于2的正整數；i為大于等于I的正整數；K e i ;
[0008]步驟二、目標節點D向源節點Nodei發送單頻信標信號Xtl (t);源節點Nodei接收所述單頻信標信號Xtl (t)，并形成源節點接收信號& (t);
[0009]源節點接收信號Ytli⑴中Ytll (t)表示主節點接收信號，y0K (t)表示從節點接收信號；
[0010]步驟三、主節點Node1對主節點接收信號ycil(t)進行信號處理得到主節點載波信號Xltl(t)，從節點NodeK對從節點接收信號yciK(t)進行信號處理得到從節點載波信號
xKO (t)；
[0011]步驟四、主節點Node1將所述數據拷貝信號m(t)加載在主節點載波信號x1(l(t)上得到主節點調制信號S1 (t);從節點NodeK將所述數據拷貝信號m(t)加載在從節點載波信號xKQ(t)上得到從節點調制信號sK(t)；
[0012]步驟五、主節點Node1將所述主節點調制信號S1U)發送至目標節點D ;從節點NodeK將所述從節點調制信號sK (t)發送至目標節點D ；
[0013]步驟六、目標節點D將接收到的主節點調制信號Sl(t)及從節點調制信號sK(t)疊加得到目標節點調制信號S (t)。
[0014]本發明還適用于無線傳感網絡。
[0015]本發明的有益效果:本發明采用分布式波束形成環境，基本思想是利用雙向路徑上的互惠特性，通過信號在節點的共軛處理實現路徑積累相位延遲的反轉，使得雙向路徑上產生的相位延遲對消，從而實現分布式波束載波信號相位同步，且在目標節點處形成波束。本發明中源節點采用主-從結構方式，把從節點的相位信息集中通過主節點處理，之后反饋到從節點，作為從節點發射信號參考，雙向互惠路徑上產生相位延遲將反轉對消，實現了載波頻點上信號的相位對齊，使得各節點發射信號在目標處達到相位同步，且實現了疊加從而產生波束增益，可擴展性強且分布式光束到達衛星，本方法有效地抑制了由于海面波動導致的傳感器網絡節點不規則運動導致的節點間信號傳輸過程出現的多普勒效應。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的原理圖；
[0017]圖2為本發明的方法流程框圖；
[0018]圖3為相位鑒別電路圖；
[0019]圖4為【具體實施方式】九中功率效率與相位誤差的關系圖；
[0020]圖5為【具體實施方式】九中功率效率隨時間的變化圖；
[0021]圖6為【具體實施方式】九中效率置信概率隨時間的變化圖。
【具體實施方式】
[0022]【具體實施方式】一、參照圖1和圖2具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，本方法是在不考慮頻率及相位估計誤差的條件下進行的，該方法包括如下步驟:
[0023]步驟一、源節點Nodei獲取并存儲數據拷貝信號m(t)，源節點Nodei中Node1為主節點，NodeK為從節點，其中，K為大于等于2的正整數；i為大于等于I的正整數；K e i ;
[0024]步驟二、目標節點D向源節點Nodei發送單頻信標信號Xtl (t);源節點Nodei接收所述單頻信標信號Xtl (t)，并形成源節點接收信號& (t);
[0025]源節點接收信號y(li (t)中y(ll (t)表示主節點接收信號，y0K (t)表示從節點接收信號;
[0026]步驟三、主節點Node1對主節點接收信號& (t)進行信號處理得到主節點載波信號Xltl(t)，從節點NodeK對從節點接收信號yciK(t)進行信號處理得到從節點載波信號
xKO (t)；
[0027]步驟四、主節點Node1將所述數據拷貝信號m(t)加載在主節點載波信號x1(l (t)上得到主節點調制信號S1 (t);從節點NodeK將所述數據拷貝信號m(t)加載在從節點載波信號xKQ(t)上得到從節點調制信號sK(t)；
[0028]步驟五、主節點Node1將所述主節點調制信號S1 (t)發送至目標節點D ;從節點NodeK將所述從節點調制信號sK (t)發送至目標節點D ；
[0029]步驟六、目標節點D將接收到的主節點調制信號Sl(t)及從節點調制信號sK(t)疊加得到目標節點調制信號S (t)。
[0030]本實施方式中，數據信息拷貝是傳感器網絡要向目標節點/衛星傳輸的數據；波束形成開始之前，傳感器網絡中各節點通過網間的數據分享機制獲得數據并存儲。
[0031]波束的形成主要依靠兩類節點，目標節點/衛星及源節點，源節點分為主節點和從節點。
[0032]本實施方式中所述過程是在假設源節點及目標節點相對靜止，忽略各種干擾因素的影響的條件下進行的。
[0033]本實施方式中，步驟三實現了載波相位同步，步驟四、步驟五及步驟六實現了調制信號的疊加，從而形成了分布式波束，解決了單個傳感器功率較小導致的分布式光束不能衛星的問題。本方法中從節點載波信號及主節點載波信號的形成過程非常快，實現了源節點與目標節點相位同步，且擴展性強。
[0034]【具體實施方式】二、本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法的進一步說明，本實施方式中，步驟二中所述的單
頻信標信號xQ(t)的表達式為
【權利要求】
1.一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟一、源節點Nodei獲取并存儲數據拷貝信號m(t)，源節點Nodei中Node1為主節點，NodeK為從節點，其中，K為大于等于2的正整數；i為大于等于I的正整數；K e i ; 步驟二、目標節點D向源節點Nodei發送單頻信標信號XtlU);源節點Nodei接收所述單頻信標信號Xtl (t)，并形成源節點接收信號& (t);源節點接收信號yodt)中ycil(t)表示主節點接收信號，y0K(t)表示從節點接收信號；步驟三、主節點Node1對主節點接收信號ycil(t)進行信號處理得到主節點載波信號Xltl (t)，從節點NodeK對從節點接收信號yciK(t)進行信號處理得到從節點載波信號Xkci (t)；步驟四、主節點Node1將所述數據拷貝信號m(t)加載在主節點載波信號Xltl(t)上得到主節點調制信號S1 (t);從節點NodeK將所述數據拷貝信號m(t)加載在從節點載波信號Xko (t)上得到從節點調制信號sK(t)； 步驟五、主節點Node1將所述主節點調制信號S1 (t)發送至目標節點D ;從節點Nodedf所述從節點調制信號sK (t)發送至目標節點D ； 步驟六、目標節點D將接收到的主節點調制信號S1 (t)及從節點調制信號sK (t)疊加得到目標節點調制信號S (t)。
2.根據權利要求1所述的一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，其特征在 于，步驟二中所述的單頻信標信號Xtl(t)的表達式為; 其中，h表示起始時間，Φ (!表示單頻參考信號在目標節點D處的初始相位，W為頻率，f = -1，t為時間； 步驟一中所述源節點接收信號^a)的表達式為
y0i(t)=ej[w(t'、W。]; 其中，τ 0i表示目標節點D到源節點Nodei (i = I, 2,..., K)的路徑時延； 當i = I時，主節點接收信號為y(n⑴ 當i = 2,3……K時，帶入源節點接收信號表達式后即為從節點接收信號yciK(t)， 從節點接收信號的表達式為丫隊⑴=^"^。^)^。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，其特征在于，步驟三中所述主節點Node1對主節點接收信號y(ll (t)進行信號處理得到主節點載波信號Xltl (t)，獲得所述主節點載波信號的過程是由相位鑒別電路實現的，獲得所述主節點載波信號的過程為: 步驟三一、主節點Node1中的本地振蕩器產生本地振蕩信號O1U)，其表達式為,其中，A1表示本地信號的初始相位； 步驟三二、根據步驟三一中的本地振蕩信號O1U) ,SfANode1的主節點接收信號Y01 (t)還可以表示為:
4.根據權利要求1或2所述的一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，其特征在于，步驟三中所述從節點NodeK對從節點接收信號yciK(t)進行信號處理得到從節點載波信號Xkci(t)，所述獲得從節點載波信號的過程為: 步驟三A、從節點如(1%對接收的單頻信標信號Xtl (t)進行周期延拓后得到延拓后的單頻信標信號
5.根據權利要求4所述的一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，其特征在于，步驟三C中所述主節點Node1對所述延拓后的從節點接收信號yK1 (t)進行相位鑒別電路處理并得到主從信號x1K (t)，所述得到主從信號x1K (t)的過程為: 步驟Cl、主節點Node1中的本地振蕩器產生本地振蕩信號O1 (t)，其表達式為
6.根據權利要求1所述的一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，其特征在于，步驟四中所述主節點調制信號S1 (t)的表達式為:
7.根據權利要求1所述的一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，其特征在于，步驟六中所述目標節點調制信號S(t)的表達式為:
8.根據權利要求2所述的一種基于海面無線傳感網的分布式波束形成載波相位同步方法，其特征在于，本地振蕩信號O1U)還能以正弦信號的形式存在，表示如下:
【文檔編號】H04L27/18GK104022990SQ201410280637
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優先權日:2014年6月20日
【發明者】石碩, 胡瑞東, 賈敏, 馬健欣, 顧學邁, 王雪, 余方圓, 田斯 申請人:哈爾濱工業大學