[发明专利]一种无线传感器网络汇聚节点下行传输干扰抑制方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是一种无线传感器网络汇聚节点下行传输干扰抑制方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量部署在感知区域内的微型传感器节点组成，通过无线通信方式组成一个自组织网络系统，其目的是采集和处理物理世界中的感知对象信息，并通过汇聚节点与观察者进行交互。在无线传感器网络中，汇聚节点相较于传感器节点通常体积较大，可配置有多天线，因此在汇聚节点下行传输过程中，传感器节点不可避免会受到来自其他传感器节点下行传输信号的干扰，使得数据传输性能急剧下降。此外，由于汇聚节点和传感器节点通常采用电池供电，一旦部署较难获得能量补充，因此，如何在抑制汇聚节点下行传输干扰的同时降低数据传输能耗，延长节点生命周期，对无线传感器网络而言显得尤为重要。

目前，对于下行传输干扰抑制问题，通常以总功率最小化准则构建以下行传输总功率最小化为目标函数、信号接收端信干噪比下限为约束条件的优化方程。对于该优化方程求解主要包括半正定规划方法、二次锥规划方法、以及上下行传输对偶方法等，这些方法均假设可准确获得信道状态信息。然而在实际应用中，准确信道状态信息多依据大数定理通过对大量信道状态信息样本的统计平均获得，这无疑会增加信号发送端训练信号和信号接收端反馈信号的通信量，加重了通信能耗。因此，上述方法仅适用于拥有充足能量供给的无线通信系统，无法有效的应用于能量受限的无线传感器场景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线传感器网络汇聚节点下行传输干扰抑制方法，在有限信道状态信息样本的情况下抑制汇聚节点下行传输干扰，保证传感器节点信号接收信干噪比满足性能要求的同时，降低汇聚节点和传感器节点的能量消耗，提升网络信号传输质量的同时延长网络生命周期。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种无线传感器网络汇聚节点下行传输干扰抑制方法，该方法基于的无线传感器网络架构包括1个配置有M根天线的汇聚节点和N个配置有单根天线的传感器节点，其中M、N均为1以上的自然数，具体包括以下步骤：

步骤1，汇聚节点选择P个不同时刻，在每一个时刻向网络中的所有传感器节点广播训练信号，其中P为1以上的自然数；

步骤2，各传感器节点根据接收到的每一次训练信号采用信道估计方法，获得各传感器节点与汇聚节点之间信道的统计自相关矩阵R_n(p)，并将信道统计自相关矩阵反馈给汇聚节点，其中，表示M×M维的复矩阵，n＝1,2,…,N、p＝1,2,…,P；

步骤3，汇聚节点将不同时刻反馈得到的各传感器节点的信道统计自相关矩阵作为反映信道状态信息的样本，构建以汇聚节点下行传输总功率最小化为目标函数、传感器节点接收信干噪比下限和干扰信号功率上限为约束条件的干扰抑制优化问题；

步骤4，通过对约束条件中的样本进行特征值分解，并对优化问题中的复向量进行实数化处理，将优化问题转换为标准的支持向量回归机问题，进而求解得到汇聚节点相对于各传感器节点的下行传输权向量；

步骤5，汇聚节点在信号传输阶段对各传感器节点的传输信号乘以步骤4所得的相应下行传输权向量，实现对信号干扰的抑制。

作为本发明的一种优先技术方案：步骤3中所述构建以汇聚节点下行传输总功率最小化为目标函数、传感器节点接收信干噪比下限和干扰信号功率上限为约束条件的干扰抑制优化问题，具体为：

(3.1)令汇聚节点下行传输总功率为P_T，则：

式中，w_n为汇聚节点对第n个传感器的下行传输权向量，||·||_F为Frobenius范数；

令第n个传感器节点接收信干噪比为SINR_n，则：

其中，σ²为噪声功率，(·)^H为共轭转置运算符；

令干扰信号功率为P_I,n,i，则n＝1,2,…,N，i≠n；

(3.2)采用汇聚节点下行传输总功率最小化准则，分别以传感器节点接收信干噪比下限和干扰信号功率上限为约束条件，则系统干扰抑制问题的优化方程为：

n＝1,2,…,N,i≠n and p＝1,2,…,P

其中，表示第n个传感器节点接受信干噪比下限阈值，Δ_n,i表示第n个传感器节点对其它传感器节点的干扰功率上限阈值。