高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

卫星物联网场景下基于节点选择的协作波束成形技术研究

席博 洪涛 张更新

席博, 洪涛, 张更新. 卫星物联网场景下基于节点选择的协作波束成形技术研究[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(12): 2882-2890. doi: 10.11999/JEIT190707
引用本文: 席博, 洪涛, 张更新. 卫星物联网场景下基于节点选择的协作波束成形技术研究[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(12): 2882-2890. doi: 10.11999/JEIT190707
Bo XI, Tao HONG, Gengxin ZHANG. Research on the Collaborative Beamforming Technique Based on the Node Selection for Satellite Internet of Things[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2020, 42(12): 2882-2890. doi: 10.11999/JEIT190707
Citation: Bo XI, Tao HONG, Gengxin ZHANG. Research on the Collaborative Beamforming Technique Based on the Node Selection for Satellite Internet of Things[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2020, 42(12): 2882-2890. doi: 10.11999/JEIT190707

卫星物联网场景下基于节点选择的协作波束成形技术研究

doi: 10.11999/JEIT190707
基金项目: 国家自然科学基金(91738201, 61801445, 61971440)
详细信息
    作者简介:

    席博:男,1996年生,硕博连读生,研究方向为卫星通信

    洪涛:男,1982年生,讲师,研究方向为多天线收发系统、卫星通信

    张更新:男,1967年生,教授,博士生导师,研究方向为卫星通信、深空通信、空间信息网络等

    通讯作者:

    洪涛 hongt@njupt.edu.cn

  • 中图分类号: TN92

Research on the Collaborative Beamforming Technique Based on the Node Selection for Satellite Internet of Things

Funds: The National Natural Science Foundation of China (91738201, 61801445, 61971440)
  • 摘要: 针对卫星物联网(IoT)场景下信号长距离传输衰减大以及单个终端节点传输性能受限的问题,该文提出一种基于节点选择的协作波束成形算法,增强终端节点的传输能力。在实际终端位置信息存在误差的条件下,推导出了协作波束成形平均方向图函数,分析了不同系统参数对于协作波束成形平均方向图和瞬时方向图差异的影响。在此基础上,根据卫星物联网链路传输性能需求,提出一种区域分组优化的协作节点选择算法。仿真结果表明,相比于传统的分布式协作波束成形节点选择算法,该文提出的算法在实际的误差模型中旁瓣抑制和零陷生成方面具有更好的性能。
  • 图  1  卫星物联网场景下协作波束成形技术示意图

    图  2  节点选择模型示意图

    图  3  节点阈值随误码率变化曲线

    图  4  基于区域分组策略与基于虚拟阵列优化方向图对比

    图  5  不同参数时${C_{m(\phi )}}(z)$随门限功率z的变化曲线

    图  6  节点选择平均功率方向图和瞬时功率方向图对比

    图  7  区域分组与虚拟阵选择节点的${C_{m(\phi )}}(z)$对比

    图  8  分组策略算法与基于虚拟阵列算法的收敛性能对比

    图  9  区域分组与虚拟阵节点选择算法的PSLL性能对比

    表  1  区域分组节点选择算法

     ${\rm{List}}m$=[]:存放$[{A_m}\sim {A_{m + k - 1}}]$中节点集合;${\rm{List}}m'$=[]:存放$[{A_{M + m}}\sim {A_{M + m + k - 1}}]$中节点集合;
     ${\rm{List}}C$=[]:存放$[{A_m}\sim {A_{m + k - 1}}]$中用于协作传输节点集合;${\rm{List}}C'$=[]:存放$[{A_{M + m}}\sim {A_{M + m + k - 1}}]$中用于协作传输节点集合;
     ${\rm{List}}F$=[]:存放代价函数值的集合;初始随机产生$S$个节点:${P_s}({r_s},{\phi _s}),\;s = 1,2,···,S$;
     $S$:源节点覆盖节点数;$M$:分组对数;$N$:协作波束成形节点数;$E$:迭代次数;
      For $s$=1 to $S$ do
       For $m$=1 to $M$ do
        If ${\phi _s} \in [\phi {A_m}\sim \phi {A_{m + k - 1}}]$ then
         ${\rm{List}}m$=${\rm{List}}m$+${P_s}$;
        End
        If ${\phi _s} \in [\phi {A_{M + m}}\sim \phi {A_{M + m + k - 1}}]$ then
         ${\rm{List}}m'$=${\rm{List}}m'$+${P_s}$;
        End
       End
     End
     For $e$=1 to $E$ do
       For $m$=1 to $M$ do
        从${\rm{List}}m$中随机选择${{[N} / {\rm{2}}}]$或${{[(N + 1)} / {\rm{2}}}]$个节点放入${\rm{List}}C$中;
        从${\rm{List}}m'$中随机选择${{[N} / {\rm{2}}}]$或${{[(N + 1)} / {\rm{2}}}]$个节点放入${\rm{List}}C'$中;
        根据${\rm{List}}C$和${\rm{List}}C'$中的节点计算代价函数${f_m}$;
       End
       ${\rm{List}}F$=${\rm{List}}F + {f_m}$;
     End
     Find(min(${\rm{List}}F$(average)))$\xrightarrow{{}}$$\{ {A_{{\rm{best}}}}\sim {A_{{\rm{best}} + k - 1}},{A_{M + {\rm{best}}}}\sim {A_{M + {\rm{best}} + k - 1}}\} $。
    下载: 导出CSV

    表  2  仿真参数设计表

    参数
    卫星轨道高度$d$=600 km
    卫星天线增益${G_R}$=25 dBi
    卫星品质因数${G / T}$=5 ${\rm{dB}}{{\rm{K}}^{ - 1}}$
    空间传播损耗${L_f}$=168.7 dB
    频率2.6 GHz
    节点天线增益(全向天线)${G_s}$=0 dBi
    节点发射功率${P_s}$=10 dBm
    调制方式QPSK
    信息速率${R_b}$=2048 kbps
    无线传感器网络范围500$ \times $500 m2
    网络节点总数300
    源节点覆盖范围R=100 m,约60个左右
    定位误差$B$=1 m,(约10个波长)
    期望/非期望方向(600 km,${30^{ \circ} }$,${0^{ \circ} }$)/(600 km,${30^{ \circ} }$,${1^{ \circ} }$)
    下载: 导出CSV
  • [1] CIONI S, DE GAUDENZI R, DEL RIO HERRERO O, et al. On the satellite role in the era of 5G massive machine type communications[J]. IEEE Network, 2018, 32(5): 54–61. doi:  10.1109/MNET.2018.1800024
    [2] QU Zhicheng, ZHANG Gengxin, CAO Haotong, et al. LEO satellite constellation for internet of things[J]. IEEE Access, 2017, 5: 18391–18401. doi:  10.1109/Access.2017.2735988
    [3] XIA Tingting, WANG M M, and YOU Xiaohu. Satellite Machine-type communication for maritime Internet of Things: An interference perspective[J]. IEEE Access, 2019, 7: 76404–76415. doi:  10.1109/Access.2019.2919253
    [4] DE SANCTIS M, CIANCA E, ARANITI G, et al. Satellite communications supporting internet of remote things[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2016, 3(1): 113–123. doi:  10.1109/JIOT.2015.2487046
    [5] CHIEN W C, LAI C F, HOSSAIN M S, et al. Heterogeneous space and terrestrial integrated networks for IoT: Architecture and challenges[J]. IEEE Network, 2019, 33(1): 15–21. doi:  10.1109/MNET.2018.1800182
    [6] MUDUMBAI R, BROWN III D R, MADHOW U, et al. Distributed transmit beamforming: Challenges and recent progress[J]. IEEE Communications Magazine, 2009, 47(2): 102–110. doi:  10.1109/MCOM.2009.4785387
    [7] JAYAPRAKASAM S, RAHIM S K A, and LEOW C Y. Distributed and collaborative beamforming in wireless sensor networks: Classifications, trends, and research directions[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2017, 19(4): 2092–2116. doi:  10.1109/COMST.2017.2720690
    [8] OCHIAI H, MITRAN P, POOR H V, et al. Collaborative beamforming for distributed wireless ad hoc sensor networks[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2005, 53(11): 4110–4124. doi:  10.1109/tsp.2005.857028
    [9] AHMED M F A and VOROBYOV S A. Collaborative beamforming for wireless sensor networks with gaussian distributed sensor nodes[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2009, 8(2): 638–643. doi:  10.1109/TWC.2009.071339
    [10] JAYAPRAKASAM S, ABDUL RAHIM S K, LEOW C Y, et al. Multiobjective beampattern optimization in collaborative beamforming via NSGA-II with selective distance[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017, 65(5): 2348–2357. doi:  10.1109/tap.2017.2684187
    [11] AHMED M F A and VOROBYOV S A. Sidelobe control in collaborative beamforming via node selection[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2010, 58(12): 6168–6180. doi:  10.1109/tsp.2010.2077631
    [12] CHEN J C, WEN Chaokai, and WONG K K. An efficient sensor-node selection algorithm for sidelobe control in collaborative beamforming[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(8): 5984–5994. doi:  10.1109/TVT.2015.2478898
    [13] SUN Geng, LIU Yanheng, WANG Aimin, et al. Sidelobe control by node selection algorithm based on virtual linear array for collaborative beamforming in WSNs[J]. Wireless Personal Communications, 2016, 90(3): 1443–1462. doi:  10.1007/s11277-016-3403-9
    [14] SUN Geng, LIU Yanheng, ZHANG Jing, et al. Node selection optimization for collaborative beamforming in wireless sensor networks[J]. Ad Hoc Networks, 2016, 37: 389–403. doi:  10.1016/j.adhoc.2015.08.031
    [15] SUN Geng, LIU Yanheng, LIANG Shuang, et al. A sidelobe and energy optimization array node selection algorithm for collaborative beamforming in wireless sensor networks[J]. IEEE Access, 2018, 6: 2515–2530. doi:  10.1109/ACCESS.2017.2783969
    [16] 蒋俊正, 李杨剑, 赵海兵, 等. 一种大规模传感器网络节点分布式定位算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(12): 3022–3028. doi:  10.11999/JEIT181101

    JIANG Junzheng, LI Yangjian, ZHAO Haibing, et al. A distributed node localization algorithm for large scale sensor networks[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2019, 41(12): 3022–3028. doi:  10.11999/JEIT181101
    [17] 汪晗, 成昂轩, 王坤, 等. 无线传感器网络分布式迭代定位误差控制算法[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(1): 72–78. doi:  10.11999/JEIT170344

    WANG Han, CHENG Angxuan, WANG Kun, et al. Error control algorithm of distributed localization in wireless sensor networks[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2018, 40(1): 72–78. doi:  10.11999/JEIT170344
    [18] KIM Y, LEE B, SO H, et al. Localization technique considering position uncertainty of reference nodes in wireless sensor networks[J]. IEEE Sensors Journal, 2018, 18(3): 1324–1332. doi:  10.1109/JSEN.2017.2782805
    [19] STOLERU R, STANKOVIC J A, and SON S H. On composability of localization protocols for wireless sensor networks[J]. IEEE Network, 2008, 22(4): 21–25. doi:  10.1109/MNET.2008.4579767
  • [1] 程一凡, 曲至诚, 张更新.  低轨卫星星座物联网业务量建模, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT200091
    [2] 闫青丽, 陈建峰.  混合高斯噪声背景下基于多目标优化的节点选择方法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT191031
    [3] 肖帅芳, 郭云飞, 白慧卿, 金梁, 黄开枝.  面向物联网准静态信道的中继协作密钥生成方法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT170384
    [4] 李磊, 楚喻棋, 汪萌, 韩莉, 吴信东.  基于NSGA2的网络环境下多标签种子节点选择, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT161266
    [5] 黄开枝, 张波.  异构密集网中一种抗多窃听者的协作安全波束成形方案, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT161152
    [6] 洪涛, 宋茂忠, 王保云.  基于随机天线阵的物理层安全通信系统峰均功率比问题研究, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT140089
    [7] 徐霄飞, 陈翔, 赵明, 周世东, 王京.  基于分布式天线的全双工中继系统最大化和速率波束成形设计, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT150450
    [8] 王达, 张晓宁, 依那, 项海格, 金野.  多小区蜂窝网络波束成形优化策略, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.01579
    [9] 卢忠亮, 杨雪霞, 谭冠南.  一种平面印刷电控波束扫描天线阵, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.01214
    [10] 田雨, 马林华, 唐红, 张嵩.  基于虚拟MIMO的协作通信节点选择算法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.01008
    [11] 黄辰, 张伟, 李可维, 黄本雄, 戴彬.  基于层次化网络编码的无线物联网协作切换机制, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2012.00468
    [12] 唐伦, 刘通, 陈前斌, 曾孝平.  Two-way中继系统协作节点选择及功率分配策略, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2010.00004
    [13] 张余, 蔡跃明, 潘成康, 徐友云.  WSN中一种能量有效的自适应协同节点选择方案, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2008.01441
    [14] 吴丹, 蔡跃明, 潘成康, 盛雁鸣, 徐友云.  一种联合中继节点选择的博弈功率控制算法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2008.01654
    [15] 吴舟, 赵春晖.  基于博弈论的二次博弈波束成形算法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2006.01981
    [16] 张勇, 徐友云, 蔡跃明.  非正交选择译码转发协同, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2007.00128
    [17] 肖疆, 朱敏慧, 范景云.  用于机载SAR的距离向波束赋形微带天线阵的研究, 电子与信息学报.
    [18] 孙秀斌, 陈光禑, 谢永乐.  模拟集成电路的测试节点选择, 电子与信息学报.
    [19] 杨宏春, 阮成礼, 裴俊.  线元天线阵列波束扫描研究, 电子与信息学报.
    [20] 张亦希, 傅君眉, 汪文秉.  卫星阵馈反射面多波束天线赋形波束的性能分析, 电子与信息学报.
  • 加载中
  • 图(9) / 表(2)
    计量
    • 文章访问数:  759
    • HTML全文浏览量:  277
    • PDF下载量:  52
    • 被引次数: 0
    出版历程
    • 收稿日期:  2019-09-16
    • 修回日期:  2020-04-27
    • 网络出版日期:  2020-05-28
    • 刊出日期:  2020-12-08

    目录

      /

      返回文章
      返回

      官方微信,欢迎关注