无线传感器网络中的分布式发射波束形成技术的研究

发布时间：2017-09-05 07:08

  本文关键词：无线传感器网络中的分布式发射波束形成技术的研究

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【摘要】：无线传感器网络被广泛应用的同时,往往会受到传统的传感器-汇聚节点-基站结构的限制,特殊环境下汇聚节点不能布设,以至于网络无法适用。如何基于能量受限的传感器节点,建立与基站直接的通信链路,成为进一步推动无线传感器网络广泛应用亟待解决的关键问题。波束形成是通过天线阵列的协作,形成定向功率增益,可显著提高通信性能。一般意义上,N元天线阵列能够形成2N倍的功率增益,意味着2N倍改善的信噪比,或者N倍扩展的通信范围。本文着眼于扩展通信范围,针对无线传感器网络中的分布式发射波束形成相关问题展开了研究。基本思想是将波束理论应用到无线传感器网络中,以传感器节点为阵元,形成“虚拟天线阵列”,获得定向功率增益,扩展通信范围。首先,作者在理论上分析了分布式波束的空间特征。讨论了在传感器网络中应用波束理论的限制条件;分析了随机分布传感器网络的分布式波束特征,给出了波束分布的数学结论;研究了不同相位误差水平下功率增益的统计特性。研究结论为分布式通信链路计算提供了理论参考。其次,针对实现分布式波束关键的步骤研究载波同步的方案设计。作者在充分研究典型性方案的优点和不足的基础上,设计了适用于大规模网络、远距离分布式波束形成的可扩展载波同步方案,仿真结果证明,该方案具有良好的可扩展性和抗噪声性能。最后,本文提出了基于分布式波束的传感器网络—飞艇通信链路设计方案,讨论了链路设计过程中需要考虑的具体问题。链路计算结果表明,Zig Bee协议BPSK通信方式下,通过传感器节点协作能够建立满足通信性能要求的上行链路;可扩展载波同步方案被应用在分布式波束通信链路设计过程中,实验结果验证了可扩展载波同步方案的适用性。分布式发射波束形成,可以建立传感器网络与基站的直接通信链路,扩展了通信范围,改善传感器网络的能耗效率,延长生命周期;还可以简化了网络结构,便于无线传感器网络快速布置,同时提高恶劣环境中网络的抗毁性和鲁棒性,增强了网络的生存能力。
【关键词】：无线传感器网络 分布式波束形成 波束特征 载波同步 链路设计
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 无线传感器网络介绍10-11
• 1.3 分布式发射波束形成介绍11-13
• 1.4 国内外相关研究工作13-17
• 1.5 本文主要内容和文章结构安排17-19
• 第2章 分布式波束特征分析19-36
• 2.1 引言19
• 2.2 波束形成基础理论19-21
• 2.3 分布式波束特征分析21-34
• 2.3.1 几何模型21-23
• 2.3.2 重新定义“远场条件”23-26
• 2.3.3 分布式波束空间特性26-30
• 2.3.4 定向功率增益30-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第3章 可扩展载波同步方案36-49
• 3.1 引言36
• 3.2 经典方案分析36-39
• 3.2.1 1-bit反馈同步方式36-37
• 3.2.2 round-trip同步方式37-38
• 3.2.3 two-way同步方式38-39
• 3.3 可扩展方案设计39-44
• 3.3.1 系统模型39-40
• 3.3.2 工作流程40-41
• 3.3.3 数学描述41-43
• 3.3.4 功能讨论43-44
• 3.4 性能分析44-48
• 3.4.1 幅值与相位误差44-45
• 3.4.2 同步过程仿真45-47
• 3.4.3 节点运动影响47-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第4章 分布式波束链路设计49-60
• 4.1 引言49
• 4.2 上行链路设计49-52
• 4.2.1 基本参数49-51
• 4.2.2 链路计算51-52
• 4.3 链路性能分析52-55
• 4.3.1 载波同步52-54
• 4.3.2 性能分析54-55
• 4.4 其它问题讨论55-58
• 4.4.1 信号带宽56
• 4.4.2 下行链路56-57
• 4.4.3 接收端移动性57-58
• 4.5 本章小结58-60
• 结论60-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果66-68
• 致谢68

【参考文献】

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1 邹莹;彭端;肖启峰;;分布式波束成形载波同步策略[J];计算机技术与发展;2011年10期

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本文编号：796533