[发明专利]用于无线传感网扩展类分多址访问的带宽分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于无线传感网扩展类分多址访问的带宽分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线传感网是一类在工农业生产、智能家居、环境监测等领域有着广泛应用的无线通信网络。无线传感网通常由大量传感器节点和一个融合中心构成，负责观测环境中的温度、湿度等物理量。传感器节点搭载有传感元件，可对诸如温度、湿度等物理量进行观测，然后传感器节点将观测结果通过通信电路传输给融合中心。受到通信带宽，能耗等因素的限制，传感器节点在进行通信时需要选择带宽效率，能量效率较高的通信方案传输各自的观测，同时还需要通信方案具有较低的复杂度。融合中心则根据接收到的来自各个节点的信号做出对所观测物理量的估计。

由于无线传感网中通常具有较多的节点，因此若采用传统的正交多址访问技术，即给各个节点分配正交的信道资源，其所需带宽会因随节点数增多而增加，带宽利用效率也随之下降。

在无线传感网中，融合中心为了得到被观测物理量的估计值，通常无需得到各个传感器节点的原始观测信息，这使得在无线传感网中使用非正交多址访问技术成为可能。常见的非多址访问传输方法包括模拟幅度调制传输、类分多址访问传输等。

在类分多址访问传输时，需要首先依据各个节点的观测，将传感器节点划分为节点类，然后为每个节点类分配一个正交波形，即一个单位的带宽资源。属于同一节点类的节点传输同一正交波形，这些传输信号经过无线多址信道在融合中心处叠加，形成融合中心的接收信号。融合中心根据接收信号估计被观测物理量。

类分多址适用于加性高斯白噪声多址信道和信道衰落系数均值不等于零的衰落无线多址信道，但在实际中，无线多址信道的信道衰落系数往往为零均值。当信道衰落系数为零均值时，使用类分多址传输方式后，融合中心的估计性能会剧烈恶化。

为解决该问题，一些方案考虑让融合中心向每个节点反馈信道信息，这样节点在发射信号时可以补偿信道衰落，形成等价的非零均值信道。

考虑融合中心向节点的反馈信息后，无线传感网对环境中物理量的观测过程由以下几个步骤组成：

1.节点使用传感器元件观测物理量。

2.节点将观测结果传输给融合中心。

3.融合中心接收来自节点的信号，估计被观测物理量，汇报给用户。

4.融合中心计算反馈量，反馈给节点。

5.节点接收反馈量并根据反馈量更新发射方案，重复步骤1至5，进行下一次观测。

虽然融合中心反馈节点的信道信息可以提高估计的性能，但反馈信道信息需要节点向融合中心发射用于信道估计的训练序列，融合中心需要分别向每个节点传输各自的信道信息，上述两个过程都需要通过正交多址访问来实现，这样在大规模无线传感网中，仍然无法避免带宽效率较低的问题。

通过更好地设计融合中心至传感器节点的反馈量，可以使反馈通过广播来实现，即无需给每个节点反馈不同的信息，从而提高信道利用效率。在反馈信息的基础上，可以设计传感器节点的带宽分配方法，提高融合中心估计的性能，从而同时提高无线传感网对被观测参数的观测质量和通信带宽利用效率，解决现有技术的不足。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于无线传感网扩展类分多址的带宽分配方法，以更高效地利用带宽资源，并提高融合中心对待观测参数的估计质量和通信带宽的使用效率。

本发明提出的用于无线传感网扩展类分多址访问的带宽分配方法，包括以下各步骤：

(1)无线传感网中的各节点对无线传感网工作环境中的参数θ进行观测，得到观测结果x_i，节点将观测结果x_i进行M阶量化，将M个量化值定义为S_m，m＝1，…，M，量化值相同的节点划分为一个节点类，设第i个节点的量化值为S_m，则第i个节点属于m节点类；

(2)在初始状态下，每个节点为每个节点类均匀分配初始K_m个带宽，每个节点根据分配的带宽，生成的正交波形为：φ_m，k(t)，m＝1，…，M，k＝1，…，K_m，其中0≤t≤T，T为正交波形的时间宽度；

(3)每个节点生成的正交波形中选择一个正交波形，向无线传感网中的融合中心传输观测结果，选择方法为：设第i个节点属于m节点类，则该节点从为m节点类分配的上述K_m个正交波形中任意选择一个，使该节点的发射信号为：