（通信与信息系统专业论文）基于多节点协作通信的无线传感器网络载波同步技术的研究.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络发展至今，应用越来越广泛，使用范围开始涉及到生活的方方面 面。对无线传输的数据速率与服务质量的要求正在不断地提高，无线传感器网络的研 究也越来越深入。与传统的无线通信网络不同，无线传感器网络不仅仅要考虑通信质 量问题，还要考虑传感器自身条件的限制。多天线技术可以简单有效的提高通信系统 的信噪比和可靠性。无线传感器网络中的传感器节点形成虚拟多天线阵列，通过智能 天线技术中的波束成形技术来获得高增益，提高信道通信质量。 波束成形技术是智能天线技术与分集集中技术的结合。无线传感器网络中，由于 传感器节点的分散以及不固定性，研究人员提出分布式传输波束成形这一概念。分布 式波束成形是一种协作通信方式，其中两个或两个以上的信源同时传输一个共同的信 息并控制其传输相位，这样信号就可以在目标端较好的组合。分布式波束形成的高功 率增益可以转化为信号传播范围，速率和能源效率等方面的急剧提升，用以满足不同 传感器网络的设计目标和要求。由于传输能量在非目标方向的损耗减少，分布式波束 成形因此具有提高安全性和减小干扰的特性。分布式波束成形技术面临的最关键问题 是分布式载波同步，载波同步后传输信号才能在目标端的结合。本文将对现有的同步 方案进行研究，以求获得提高无线传感器网络性能的有效同步方案。 本文提出了一种基于主从同步的改进分布式波束成形同步方案。提出的方案主从 架构下，在源传感器之间选择一个主传感器，该主传感器向从传感器发送基准信号， 同步过程在源传感器之间以主从节点方式进行，传感器与基站只需要最少的通道互惠 协调过程就可以达到波束形成。因此，本文使用通信消耗较低的本地传感器之间的协 调过程来替代通信成本较高的与基站之间的协调过程，降低了通信能耗。该方法与主 从同步方案对比，简化了实现过程， 关键词：无线传感器网络；多天线技术；分布式波束成形；载波同步 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sd e v e l o p ，t h ea p p l i c a t i o nf i e l db e c o m e sm o r ea n dm o r ew i d e l y a n dr e f e r st oa l la s p e c t so fo u rl i f e t h er e q u i r e m e n to fd a t ar a t ea n dq u a l i t yo fs e r v i c ei s g e t t i n gh i g h e rc o n s t a n t l y t h es t u d ya b o u tw s n i sg e t t i n gd e e p e r w s nh a st oc o n s i d e rn o t j u s tq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b u ta l s ot h el i m i tf r o ms e n s o r s f e a t u r e m u l t i a n t e n n a t e c h n i q u ei sa l le f f e c t i v em e a n so fi m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m s e n s o r so fw s n c a nf o r mv i r t u a lm u l t i a n t e n n aa r r a y , b yw a yo ft r a n s m i tb e a m f o r m i n gt e c h n i q u et h e d e s t i n a t i o no b t a i n sh i g hg a i n s ，c o m m u n i c a t i o nq u a l i t yt h e ni m p r o v e s d i s t r i b u t e dt r a n s m i tb e a m f o r m i n gi saf o r mo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni nw h i c ht w o o rm o r ei n f o r m a t i o ns o u r c e ss i m u l t a n e o u s l yt r a n s m i tac o m m o nm e s s a g ea n dc o n t r o lt h e p h a s eo ft h e i rt r a n s m i s s i o n ss ot h a tt h es i g n a l s c o n s t r u c t i v e l yc o m b i n ea ta ni n t e n d e d d e s t i n a t i o n d e p e n d i n g o nt h ed e s i g no b j e c t i v e sa n dc o n s t r a i n t s ，t h ep o w e rg a i n so f d i s t r i b u t e db e a m f o r m i n gc a l lb et r a n s l a t e di n t od r a m a t i ci n c r e a s e si nr a n g e ，r a t e ，o re n e r g y e f f i c i e n c y d i s t r i b u t e db e a m f o r m i n gm a ya l s op r o v i d eb e n e f i t s i nt e r m so fs e c u r i t ya n d i n t e r f e r e n c er e d u c t i o ns i n c el e s st r a n s m i t sp o w e ri ss c a t t e r e di nu n i n t e n d e dd i r e c t i o n s k e y c h a l l e n g eo fd i s t r i b u t e db e a m f o r m i n gi s d i s t r i b u t e dc a r t i e rs y n c h r o n i z a t i o ns ot h a tt h e t r a n s m i s s i o n sc o m b i n ec o n s t r u c t i v e l ya tt h ed e s t i n a t i o n t l l i sa r t i c l er e v i e w sp r o m i s i n g r e c e n tr e s u l t si nm e t h o d so fc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ，a n dl o o k sf o rm o r ee f f e c t i v em e t h o df o r w s nt oa r i s et h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a ni m p r o v e dd i s t r i b u t e db e a m f o r m i n gc a r t i e r s y n c h r o n i z a t i o nb a s e do nm a s t e r - s l a v e s y n c h r o n i z a t i o ni sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n w ep r e s e n tam a s t e r - s l a v ea r c h i t e c t u r e w h e r ead e s i g n a t e dm a s t e rt r a n s m i t t e rc o o r d i n a t e st h es y n c h r o n i z a t i o no fo t h e r ( s l a v e ) t r a n s m i t t e r sf o rb e a m f o r m i n g w eo b s e r v et h a tt h et r a n s m i t t e r sc a na c h i e v ed i s t r i b u t e d b e a m f o r m i n g 、 ，i t hm i n i m a lc o o r d i n a t i o nw i t ht h eb a s es t a t i o nu s i n gc h a n n e lr e c i p r o c i t y t h u s ，i n e x p e n s i v el o c a l c o o r d i n a t i o nw i t ham a s t e rt r a n s m i t t e rm a k e st h ee x p e n s i v e c o m m u n i c a t i o nw i t had i s t a n tb a s es t a t i o nr e c e i v e rm o r ee f f i c i e n t t h i ss c h e m ei se a s i e rt o a c h i e v et h a nt h em a s t e r - s l a v es y n c h r o n i z a t i o n ，a n dc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw s n s y s t e m k e y w o r d s ：w s n ；m u l t i - a n t e n n a t e c h n i q u e ；d i s t r i b u t e db e a m f o r m i n g ； c a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o n 广东工业大学硕士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c t i t a b l eo fc o n t e n t s i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2r e s e a r c hs t a t u s 1 1 3m a i nw 6 r ki nt i l i sd i s s e r a t a t i o n 2 c h a p t e r2w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 3 2 1i n t r o d u c t i o no fw s na r c h i t e c t u r e 3 2 1 1n o d es t r u c t u r eo fw s n 3 2 1 2n e t w o r ks t r u c t u r eo f w s n 4 2 1 3n e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fw s n 5 2 2f e a t u r e so fw s n 6 2 3a p p l i c a t i o nf i e l d so fw s n 7 2 4h o tt o p i c so fw s n 9 2 4 1e n e r g ys a v i n gt e c h n o l o g i e s 9 2 4 2c o l l a b o r a t i v ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g 9 2 4 3s u p p o r t i n gt e c h n i q u e 1 ( ) c h a p t e r3d i s t u i b u t e db e a m f o i w i n gf o rw s n 12 ：；1m u l t i p l ea n t e n n ac o l l a b o r a t i v et e c h n o l o g y 1 2 3 1 1m i m o t e c h n o l o g y 1 2 3 1 2m i m or e l a t e dt e c h n o l o g y 。l5 3 1 3s m a r ta n t e n n ae n g i n e e r i n g 17 ：；：! d i s t r i b u t e db e a m f o r m i n g 18 3 3f r e q u e n c ya n dp h a s eo fc a r r i e r 1 9 3 4i n f l u e n c eo fs y s t e mp e r f o r m a n c e 19 c h a - p t e r4m e t h o d sf o rc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n0 fw s n 21 4 1m a s t e r - s l a v es y n c h r o n i z a t i o n 21 4 2o n e b i tf e e d b a c ks y n c h r o n i z a t i o n 2 3 4 3r o u n d t r i ps y n c h r o n i z a t i o n 2 6 4 3 1o v e r v i e w 2 6 4 3 21 、w o s o u r c er o u n d t r i ps y n c h r o n i z a t i o n 2 7 4 3 3m u l t i s o u r c er o u n d t r i ps y n c h r o n i z a t i o n 2 9 4 4a ni m p r o v e dd i s t r i b u t e db e a m f o r m i n gc a r t i e rs y n c h r o n i z a t i o nb a s e do n m a s t e r - s l a v es y n c h r o n i z a t i o n 31 c o n c l u s i o na n de x p e c l ：a t i o n 3 9 r e f e r e n c e 4 0 a c a d e m i cp a p e rd u r i n gt h em l s t e rp e i u o d 4 3 o i u g i n a ls t a t e m e n t 4 4 t h a n k s 。4 5 i v 第一章绪论 1 1 论文背景及意义 第一章绪论 无线传感器网络( w s n ) 是一组传感器以a dh o e 方式组成的有线或者无线网络， 其目的是协作地感知、收集和处理传感器网络所覆盖地理区域中感知对象的信息，并 传递给观察者【l 】。这种传感器网络集中了传感器技术、嵌入式计算机技术和无线通信技 术，能协作地感知、监测和收集各种环境下所感知对象的信息，通过对这些信息的协 作式信息处理，获得感知对象的准确信息，然后通过a dh o c 方式传送给需要这些信息 的用户【2 】。 其强大的获取数据能力以及处理能力使得无线传感网络的应用范围非常广泛，可 以被应用于军事、防爆、救灾、环境、医疗、家居、工业等领域，无线传感器网络已 经得到越来越多的关注，引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关 ；主【， 4 】。从2 0 0 0 年起，国际上开始出现一些有关无线传感网络的研究报道，美国自然科 学基金委员会2 0 0 3 年制定了传感网络研究计划，支持相关基础理论的研究【5 】。 无线传感器网络具有网络节点数量多、密度高；节点的通信能力、电池能量、计 算能力和存储容量有限；网络拓扑结构复杂；数据量少等特点。本文将协作分集技术 引入无线传感器网络。通过能量累加增加接收端信号强度，通过分集克服信道衰落影 响，通过复用提高信息速率，可以大大改善网络的能耗特性、网络连通性等。 1 2 国内外研究现状 关于无线传感器网络的研究始于2 0 世纪9 0 年代末期，现已成为国内外研究热点。 2 0 0 3 年美国自然科学基金委员对无线传感器网络制定相关研究部署，美国军事部门对 无线传感器网络也极为关注，并将其列为重要军事研究课题【6 1 。学术界方面，康奈尔大 学、麻省理工学院、南加州大学在经过一段时间研究之后提出了一些适合无线传感器 网络的路由协议其中包括s p i n 、l e a c h 、d i r e c t e dd i f f u s i o n 、t e e n 、p e g a s i s 、 a p t e e r n 等路由协议。综上可知，无线传感器网络引起了军事界、工业界和学术界等 各方面的极大关注。不过对无线传感器网络的研究暂时还处于理论阶段，主要应用于 军事方面，还没有大范围的应用于人们实际生活方面。 广东工业大学硕士学位论文 我国对无线传感器网络技术的研究工作开展时间并不长，率先进入该研究领域的 是中国科学院。自其2 0 0 2 年加入该领域后，我国在该领域获得了一些研究成果，主要 体现在核心通信协议方面，如3 d p 无线传感器网络核心通信协议，它是由具有自主知 识产权的中科院研究生院无线传感器网络实验室独立开发的。该协议的低能耗性，抗 干扰性、传输可靠性等重要指标都优于各国际主流核心协议。目前，国内各方研究机 构及高校都积极加入到对无线传感器网络技术研究中来，展开一系列的关于无线传感 器网络研究热点的研究，提供坚实的理论与技术保障给无线传感器网络技术的应用。 目前国内外针对基于无线传感器网络的协作通信的研究都集中在物理层调制解 调、电路能耗、m a c 层协议、路由协议、数据集合、节点定位、功率分配、协作节点 选择、网络能量控制、网内数据信息处理、层间优化设计、分布式空时编码等方面， 从检索国内外研究文献来看，目前国外的研究都集中在无线传感器网络多节点协作通 信系统定时同步和在载波同步方面，未见国内研究的报道。 1 3 本文主要工作 本文主要研究基于无线传感器网络的协作通信同步方法，全文安排如下： 第一章首先介绍了本文的研究背景及研究意义，本文的基本结构，从而引出了本 文的主要工作。 第二章概括性地介绍了无传感器网络的相关知识。 第三章介绍了现有的适用于无线传感器网络的分布式波束成形技术以及载波同步 对其的重要性，并分析了该技术对系统性能的影响。 第四章介绍了现有的适用于无线传感器网络的s i m o ( 单输入多输出) 载波同步方 案，并在现有方法的基础上进行了一定的改进，提出了相关改进方案。 最后对全文作了总结，并给出了这一研究方向后续工作的一些展望。 2 第二章无线传感器网络 第二章无线传感器网络 2 1 无线传感器网络结构介绍 2 1 1 传感器网络节点结构 图2 1 传感器网络节点结构 f i g 2 1n o d es t r u c t u r eo fw s n 无线传感器网络的传感器节点包含丰富的的功能和类型，有湿度传感器、热量传 感器、磁力传感器、红外传感器、压力传感器、可见光传感器，声波传感器等等。各 种传感器可以单独工作，也可以联合工作，共同完成对各种外界环境的监测，如：温 度，湿度，压力，光强，速度，噪音水平，土壤组成，车辆移动，目标物的出现与消 失，目标物的运动方向、尺寸等等t 。传感器节点一般都由传感单元、处理单元、通信 单元、能量单元以上四个部分组成。 如图2 1 所示，传感器节点内置传感装置在制定区域内收集实时数据，包括亮度、 音量、温度、压强等不同类型的数据。经模数转换后将数据传送至处理单元；处理单 元进行数据处理，处理后数据传送至通信单元；通信单元负责将处理数据进行传送。 而数据在单元间的通信为双向传送，即通信单元可以接收由传感器通过无线信道发送 的数据传送给处理单元，也可以将己处理好的数据发送出去；传感单元输送数据至处 理单元，同时也可接收控制命令，控制传感器、采样频率等。电源为整个传感器运行 广东工业大学硕士学位论文 提供能量，电源为传感器白带，是一次性的；现在有针对能源的补充方面的研究，使 传感器可持续提供电源【2 】。 2 1 2 传感器网络结构 图2 2 传感器网络结构 f i g 2 - 2n e t w o r ks t r u c t u r eo f w s n 无线传感器网络的网络结构很有特色。图2 2 是常用的传感器网络结构。在一定 区域内布置传感器节点，布置方式有很多种，如飞行器撤播、人工埋置等等。 节点通过自组织形式来构成网络，节点通过多跳中继方式传送监测数据到数据采 集节点( s i n k 节点) ，用临时建立的数据采集链路将整个区域内收集到的数据传送到远程 中心，在远程中心集中处理的数据。数据采集节点可以选择各种设备，如地面站、掌 上电脑等。数据采集链路有多种方式可以选择，如卫星链路、有线链路等，甚至选用 监测区无人飞机以回收数据采集节点数据都可以。监测区域内的网络组织也是多种多 样，如区域很大，可以采用聚类分层的管理模式，如区域较小，则可以采用直送的方 式。整个网络主要包括以下几部分1 6 1 ： 网络用户( 任务管理节点) ：在网络中获得有用信息，并对网络做出必要的指示和操 作等。 传输介质( i n t e n e t 网或通讯卫星) ：联系用户与传感器网络。 s i n k 节点( 接收发送器) ：将传感器网络中能量有限的节点上发送的信息转发到传输 4 介质上。 传感网络：一定区域中，节点通过传感网络将监测收集到的信息发送至s i n k 节点， 或接收来自s i n k 节点的操作命令。传感网络是传感器网络的核心。 2 1 3 传感器网络的体系结构 圈圈匪田圈 0 图2 - 3 无线传感器网络体系结构 f i g 2 - 3n e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fw s n 无线传感器网络网络体系结构是网络分层和网络协议的总体结构，描述网络的组 成部分，定义各个部分的功能。网络包含物理层、数据链路层、网络层、传输层以及 应用层这五个组成部分： 1 ) 物理层 各种网络传输介质，如红外，光介质等。无线传感器网络主要通过无线传输，调 制并接收发送数据。 广东工业大学硕士学位论文 2 ) 数据链路层 数据链路层负责数据流多路复用、成帧帧检测、媒体访问接入和差错控制。 3 ) 网络层 无线传感器网络的网络层以数据为中心，负责路由的选择与生成。 4 ) 传输层 负责数据流的传输控制，传输层协议是基于地址的端到端传输协议。 5 ) 应用层 根据特定的需要，与物理层传感器类型联系较大。所提供的服务和通信架构都是 针对特定应用设计的。 网络体系结构还有一些支撑技术，如传感器定位技术、能量管理、时间同步，网 络安全技术等。 2 2 无线传感器网络特点 无线传感器网络集中了传感器技术、嵌入式计算机技术和无线通信技术，能协作 地感知、监测和收集各种环境下所感知对象的信息，通过对这些信息的协作式信息处 理，获得感知对象的准确信息，然后通过a dh o e 方式传送给需要这些信息的用户【7 】。 相比传统的无线网络，新兴的无线传感器网络具有如下特点： 1 ) 大面积的空间分布 由于传感器的数量可以很大，在布置传感器时范围面积受到的限制较小，形成大 面积的传感器网络。 2 ) 能源受限制 每个传感器的电源装置都是自带的且不可再生的，目前尚未开发出可再充电的传 感器节点，因此每个节点可利用的能源是有限的。在能源受限制的情况下，网络功耗 应该尽量减少以延长网络的寿命。因此在通信方式上，一般认为短距离的无线低功率 通信技术最适合传感器网络使用f 3 1 。 3 ) 动态拓扑 由于传感器网络中的传感器具有可移动性，导致网络拓扑结构发生变化。又由于 网络其他方面的特性，网络拓扑构的变化非常快，这些都对网络各种算法的有效性提 出了更高的要求。 6 第二章无线传感器网络 4 ) 节点数量多 传感器节点电源能量有限，为了节约电源，一般使用低功率通信技术，所以节点 的通信范围设计在几十米以内。而为了能够对指定区域范围实时有效的实时探测和数 据收集及有效传送，所需投放的传感器节点必须达到一定的数量。因此无线传感器网 络有节点数量多，且分布较密集的特点。节点间因此有高度的连接性，网络获得高容 错性、强抗毁性，并且提高了收集信息的精确性。 5 ) 多跳路由 每个节点通信覆盖范围一般只有几十米，而整个无线传感器网络的覆盖范围很大， 如果传感器节点将采取到的数据直接传送至基站，由于传感器节点自身的传输功率不 够大，离基站较远的一些信息可能会因为能量不足，耗尽能量而传送不到基站。这种 单跳方式会导致离基站较远的节点起不到应有的作用。研究提出在无线传感器网络中 信息可以通过节点及其相邻节点通信来传送信息，一旦基站是超过单个节点的通信覆 盖范围时，可以选择多跳路由方式进行通信。 6 ) 面向应用 无线传感器网络根据实际情况来决定其应用区域，因此不同的应用领域，现场环 境有着很大差异。而所需的传感器类型、收集的数据类型以及处理数据的方式都不同。 随之导致网络硬件平台、网络协议和操作系统都有很大的差别。根据不同具体应用环 境而设计无线传感器网络是其不同于传统网络的一个显著区别。 2 3 无线传感器应用领域 无线传感器网络的技术特点及分布式传感器极多的特点使得它有广阔的应用范围 和前景。现有的应用主要分布在军事应用、环境科学、农业应用、医疗护理以及其他 适用领域。在空间探索、救灾抗难、家居生活中都有很大的应用空间。综合为以下几 个应用方面： 1 ) 军事应用 w s n 最先在军事上实际应用。传感器的部署可以非常隐秘，不易于被敌方所察觉， 因此传感器具有快速隐秘的部署、高容错性和隐蔽性强的特点。利用无线传感器网络 的这些特点可以很容易实现无人值守的对方兵力和装备的监控、实时监视战场情况、 定位目标i 监测和搜索对方可能发出的各种类型的攻击等功能。 7 广东工业大学硕士学位论文 2 ) 环境科学 随着人文科学的发展，人类对所生存的环境越来越关注，随之环境科学也受到越 来越广泛的关注。在复杂的自然环境中，通过人工收集的方式来采集原始数据是非常 困难的工作，无线传感器网络为收集野外研究数据提供了更简单方便的方法，适合广 泛地应用于生态环境监测、生物种群研究、气象和地理研究、地震、洪水等天灾的检 测。 3 ) 农业应用 中国是人口大国，农业的发展对国家的经济发展意义重大。无线传感器网络的技 术优势使其在农业上也有很大的应用空间。它可用于检测土壤酸碱度变化、灌溉情况、 温度的变化、圈养家畜的环境状况和大面积的地表检测。人们可以根据不同的需要在 需要探测的区域安放不同种类的传感器以组成网络。 4 ) 医疗护理 医疗研究、护理领域方面无线传感器网络也有应用之处。通过在病人身体内放置 特种传感器来实时采集病人身体状况数据，处理相关数据来远程管理病人情况。主要 的应用包括紧急救护、实时远程监控看护等。 5 ) 其他方面 智能家居。无线传感器网络可以将传感器嵌入家居设备中，将各类家电家居联系 起来，收集数据，收集到的数据通过无线网络与i n t e r n e t 连接在一起，利用远程监控系 统，可完成对家电的远程遥控，为人们提供舒适便利的生活。 智能交通应用。智能交通监测系统中，各处节点采用视频、图像、声音、湿度、 温度等各类传感器，节点部署于交通需要所处，车辆上的g p s 全球定位设备也可以算 是传感器的类型，收集车辆所处位置，与卫星基站通信确定到达目标的路线。汇聚节 点可以安装在路边立柱、横杠等交通设施上，网关节点可以集成在交叉路口的交通信 号控制器内。专用传感器终端节点可以填埋在路面下或者安装在路边，道路上的运动 车辆也可以安装传感器节点动态加入传感器网络。通过信号控制器的专有网络，将所 采集到的数据发送到交管中心作进一步处理。 除了上述应用，在其它方面，无线传感器网络在建筑物状态监控、机器故障检测、 空间探索、反恐救灾等，随着对无线传感器网络的深入研究，传感器网络商用价值增 高，进一步的降低传感器节点的价格，无线传感器网络可以广泛应用于人们的实际生 活当中。 8 第二章无线传感器网络 2 4 无线传感器网络研究热点 2 4 1 节能技术 无线传感器网络中，传感器节点数量大且价格低廉，一般应用于人力较难探测的 复杂环境，但是传感器节点的能量有限。能量消耗完的传感器节点只能失效并被废弃， 需要重新补充新传感器，不能对电源进行补充。如果网络中传感器节点废弃的数量达 到一定数值比例，则传感器网络可靠性会降低，网络不可用。因此传感器节点能源限 制是无线传感器网络的重要限制。传感器能量消耗大部分是数据传送时，对无线传感 器网络通信能量控制的关键在于尽量减少传感器节点在通信方面的能量消耗。 2 4 2 协同信息处理 随着无线传感器网络的应用日益扩展，吸引了越来越多的学者对其进行研究。作 为一个新兴的无线网络，巨大数量的传感器之间的协作问题日益凸显，对这种网络来 说，网络的可靠性和容错性非常重要，而关键问题就是同步问题。此前，大量针对无 线传感器网络的研究工作都是设定一个零误差通信信道，并且每个节点之间的连接都 是理想同步状态。而实际情况中，传感器振荡器不可能理想同步，即使是理想的振荡 器得到的减少频偏的效果也很有限，因此载波频率偏移是不可避免的，此时就需要考 虑信道影响以及时间和频率的偏移问题。这大大促进了无线传感器网络载波频率偏移 算法的发展 1 0 - 1 2 j 。 假设每个传感器节点具有接收和发射数据的独立天线，整个传感器网络可以视为 一个多节点多天线系统。如果接收端具有理想信道估计，则无线多天线信道的平均容 量与发送接收天线数量呈线性关系。而随着传感器节点的增加，未知因素也随之增加， 信道状态估计越加重要。 在衰弱信道环境中，使用多天线可以提供天线多样性和空间多样性，这极大地提 高了系统性能和信道容量陋蚓。与高斯白噪声信道对比，衰弱信道的误码率问题来自于 路径增益的随机衰落。信道处于深度衰落时信道增益下降，导致同信噪比下误码率变 9 广东工业大学硕士学位论文 大。单个信道处于深度衰弱的可能性大于所有信道皆处于深度衰落的可能性。因此当 某个信道处于深度衰落时，信息依旧可能通过其他信道进行传输。 w s n 中的协同式信息处理技术是指通过各节点的协作与通信，将信息在网络环境 中进行分布式处理。对无线传感器而言，每个节点处理、通信能力都很有限，又受能 量限制控制，网络是以数据为中心的，每个节点只能感知所在有限区域的数据，因此 是不完整、不准确的。要想准确、及时、全面地获取信息必须分布式地设计信息处理 算法，靠节点间的协作来完成任务。与传统信息处理技术相比，协同式信息处理技术 具有下面的特点： ( 1 ) 由于信息分布在w s n 的各个节点上，再加上节点密度高，节点数据存在较大 冗余性。为了有效提取分布在各个节点上的信息，并有效去除冗余数据，需要设计合 适的空时处理算法。 ( 2 ) 由于w s n 中的信息处理是在网络环境下进行的，还必须考虑与信息路由的交 互问题。 2 4 3 支撑技术 无线传感器网络中的支撑技术主要包括节点定位技术、时间同步、网络拓扑架构 等。由于传感器节点的配置较低，节点晶振漂移现象严重。对各节点进行定期的时间 同步可以保证各个节点以统一步调运作。节点晶振漂移对无线传感器网络的协作通 信载波影响也非常大，载波同步问题对协作通信性能影响更大。时间同步问题对于时 间敏感的应用非常关键，并且是对同步要求较高的网络协议设计的基础。由于原有时 间同步技术的实现过程复杂且通信消耗太大，并不适合无线传感器网络，现在的国内 外学者已经开始针对w s n 进行时间同步问题的研究工作。 定位技术w s n 网络的另一个关键支撑技术，也是w s n 的应用和网络协议设计的 基础条件。目前的定位算法是在传统t d o a 、t o a 以及信号接收强度估计方法上进行 扩展的。但是这些算法的缺点是受环境、多径传播以及信号衰落的影响较大，现在提 出的新的通过多点协作的定位算法是通过节点间的关系进行定位，与传统方法不同， 更适合w s n 网络状况。 l o 第二章无线传感器网络 2 5 本章小结 无线传感器网络有着巨大的应用前景，现已得到了广泛关注。由于无线传感器能 量受限、节点不保持稳定、环境变化，节点高密度等特点，又有要求系统实时性、可 靠性达到一定标准，w s n 的研究工作遇到了很多不同于传统网络的挑战。本章首先介 绍了无线传感器网络的基本概念、结构、特点；接着描述了w s n 的研究现状和研究热 点，重点描述了协同通信问题。 广东工业大学硕士学位论文 第三章w s n 中的分布式波束成形 3 1多天线协作技术 3 1 1m i m o 技术 m i m o 是智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高 通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。多输入 多输出( m i m o ) 无线通信技术的概念是任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端 均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线m i m o 系统。 该系统采用空时处理技术进行信号处理。m i m o 技术实质上是为系统提供空间复 用增益和空间分集增益，目前针对m i m o 信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。 m i m o 系统的原理图如图3 1 所示。 广 c l ( k ) 发射接收 图3 1 m i m o 系统的示意图 f i g 3 - 1d i a g r a mo fm i m os y s t e m 传输信息s ( k ) 经过空时编码后形成n 个子信息流c i ) ，i = l ，2 ，n 。这n 个子流由 n 个天线发射出去，经空间信道后由m 个接收天线接收。n 个子流同时发送到信道中， 各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的信道脉冲响应 1 2 第三章w s n 中的分布式波束成形 相互独立，则m i m o 系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地 传输信息，数据速率必然可以提高。由于无线通信系统处于很多散射物的传播环境中， 可以认为信道服从瑞利分布。假设各接收天线之间的衰落互不相关，只要接收端天线 之间的相互距离大于半个波长，就可以认为各个天线上的信号互不相关。 表征信道最重要的参数是信道容量。信道容量是指信道中可以以任意低的错误概 率传输的最大传输速率，数据可以在信道中以低于信道容量的速率进行可靠地传输。 假设发射端有n t 根发射天线，接收端有n r 根接收天线，第i 根发射天线至第j 根接收 天线之间的信道系数为h j i ，且发送信号为x i ( t ) ，接收信号为y j ( t ) ，则图2 - 6 所示的信 道模型可用矩阵表示为 y ( t ) = h 。x ( t ) + n ( t )( 3 1 ) 其中， y ( t ) = 【y l ( t ) ，y 2 ( t ) ，y 3 ( t ) ，y 胁( t ) 】t x ( t ) = 【xl ( t ) ，x 2 ( t ) ，x 3 ( t ) ，x r ( t ) 】t n ( t ) = 【n l ( t ) ，n 2 ( t ) ，n 3 ( t ) ，n 胁( t ) 】t h = h i ，i h 2 ，i h n r 。i h i ，2 h 2 ，2 h n r ，2 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) villlllj m 册 肿 饥砬；梳 广东工业大学硕士学位论文 图3 2m i m o 系统的信道模型 f i g 3 2c h a n n e lm o d e lo fm i m os y s t e m 根据f o s c h i n i 理论【1 3 】，当信道矩阵为准静态，且信道状态信息对接收方已知时， m i m o 系统的信道容量用互信息表示为 c - m “a x ) i ( x ，功 ( 3 6 ) ， j 其中，f i x ) 为x 的概率密度函数。由信息论知识可得互信息为 i ( x ，y ) = h ( - h ( y i x )( 3 7 ) 其中，h 表示信息熵，上式中，第二项的源信息与接收信号之间互不相关，简化 为 i ( x ，= h ( y ) - h ( 1 唧( 3 8 ) 当h ( y ) 取最大值时得到m i m o 系统的信道容量。对于均值为o ，方差为1 的独立 同分布复高斯随机变量，可以得到h ( 与接收方协方差矩阵r 仃之间的关系。t e l a t a r o l 得出了最终的信道容量表达式为 c = n 罡蓦巯1 。9 2 d e t ( i nr + 7 r _ , - x 。h r x x h h ) ( 3 9 ) n ( 尼h ) = 册 。 、 ，7 ，7 、厂n 、 考虑发送端未知信道状态信息的情况，即鼢( x = i n r ，故可得简化的信道容量表示 式为 1 4 第三章w s n 申的分布式波束成形 c = l 0 9 2 d e t ( i n r + 而e x h h h )( 3 1o ) 当n t = n r = i 时，简化为单天线下的香农信道容量公式为 c = l 。9 2 ( 1 + 瓦e x ) ( 3 1 1 ) 当n t 、n r 很大时，简化为 c m i n ( n t ，n r ) i 。薛( 丽e x ) ( 3 1 2 ) 式( 3 1 2 ) 意味着信道容量随天线数的增大而线性增大。当各子信道相互独立时，即 h j ，i = l ，简化为 c = l 。9 2 ( 1 + n t n r 。瓦e x ) ( 3 1 3 ) 式( 3 1 3 ) 意味着系统获得了n t x n r 的分集增益。对m i m o 系统的信道建模与理论 推导可知，m i m o 系统的信道容量的增大源于各个子信道之间的充分独立及不相关性， 而协作无线通信系统中的各节点分布极其广阔，正好能够提供丰富的散射环境，因此 非常话合仲用m i m o 传输方案。 3 1 2m i m o 相关技术 1 ) 空时编码技术 在发射和接收端使用多个天线是空时编码的基本硬件条件。空时编码主要是在时 间和空间两维同时进行信号处理来构造码字，可以达到有效抵消衰落，提高通信功率 效率的效果。空时编码技术可以实现在传输信道中并行多路传送信息，提高频谱效率。 空时编码技术主要为空间分集，应用情况为多散射体多径信道，为了使发射、接收信 号保持相互独立性，天线间要求一定的间距。独立的接收发射信号可以充分利用多散 射体所产生的多径( 即为充分多径) 。 空时编码方案要求信道编码和多发送天线两个技术结合，首先空时编码，编码后 数据转换成n 路数据流，将每一路数据流进行脉冲形成、调制等过程，通过n 个天线