专利名称：基于协作通信的分布式估计方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉 及无线网络技术，尤其涉及一种基于协作通信的分布式估计方法及系统。
背景技术：
分布式估计是无线传感器网络的重要应用之一，分布式估计系统通过系统中的多个传感器节点对网络中传感器节点信源进行观测，并根据这些节点获取的观测信息对信源进行估计。现有的分布式估计系统中，多个传感器节点对信源进行独立观测，并且每个传感器节点以无线信道直接将其获取的观测信息传输到融合中心，融合中心将多个传感器节点的观测信息进行信息融合后获得对信源的估计结果。在传感器节点将观测信息传给融合中心的过程中，传感器节点是以广播方式传输信息，由于传输信号受到多径衰落、噪声等因素的影响，一些传感器节点的观测信息不能有效地传输到融合中心，即使传输到融合中心的观测信息也可能并非是观测质量较高的信息，从而使得融合中心对信源的估计精度不高。因此，亟需一种高估计精度的分布式估计方法。
发明内容
本发明提供一种基于协作通信的分布式估计方法及系统，能够有效传输观测质量较高的传感器节点的观测信息，从而提供一种高估计精度的分布式估计方法。本发明的第一个方面是提供一种基于协作通信的分布式估计方法，包括步骤I、融合中心根据各个节点对信源的观测质量确定协作节点对，所述协作节点对由相互为协作伙伴的一个观测质量较好的节点和一个观测质量较差的节点组成，并将协作节点对的确定结果发送给对应的节点；步骤2、所述融合中心根据当前的信道状况和观测质量对各个节点进行传输功率分配；步骤3、各个节点根据接收的协作节点对的确定结果判断自身是否具有协作伙伴，若有，则执行步骤4，否则执行步骤5 ；步骤4、协作节点对内相互为协作伙伴的两节点根据所述确定结果确定观测质量较好的节点和观测质量较差的节点，并按照所述融合中心分配的传输功率分别将观测质量较好的节点对所述信源进行观测获取的观测信息传输至所述融合中心；步骤5、没有协作伙伴的节点按照所述融合中心分配的传输功率将自身对所述信源进行观测获取的观测信息直接传输至所述融合中心；步骤6、所述融合中心对接收到的观测信息进行融合，获取所述信源的估计值。本发明的另一个方面是提供一种基于协作通信的分布式估计系统，包括信源、多个节点和融合中心，所述融合中心，用于根据所述多个节点中的各个节点对所述信源的观测质量确定协作节点对，所述协作节点对由相互为协作伙伴的一个观测质量较好的节点和一个观测质量较差的节点组成，并将协作节点对的确定结果发送给对应的节点；还用于对各个节点的传输信道进行信道估计，获取信道状况，并根据当前的信道状况和观测质量对各个节点进行传输功率分配；以及用于对接收到的观测信息进行融合，获取所述信源的估计值；所述多个节点，用于对所述信源进行观测获取观测信息，协作节点对内相互为协作伙伴的两节点根据接收的协作节点对的确定结果确定观测质量较好的节点和观测质量较差的节点，并按照所述融合中心分配的传输功率分别将观测质量较好的节点对所述信源进行观测获取的观测信息传输至所述融合中心；没有协作伙伴的节点按照所述融合中心分配的传输功率将自身对所述信源进行观测获取的观测信息直接传输至所述融合中心。本发明的技术效果是通过融合中心根据各个传感器节点对信源的观测质量确定协作节点对，所述协作节点对由相互为协作伙伴的一个观测质量较好的节点和一个观测质量较差的节点组成，观测质量较差的节点协助观测质量较好的节点进行数据传输，以提高其信号传输质量，从而提高估计精度；而且通过没有组成协作节点对的传感器节点也将其观测获取的观测信息采用直接传输方式传输给融合中心，从而保证融合中心充分利用网络中节点的观测信息，获取更加准确信源的估计值。
图I为本发明基于协作通信的分布式估计系统实施例的结构示意图；图2为本发明基于协作通信的分布式估计方法实施例的流程图；图3为本发明实施例中协作节点对的分配流程图；图4为本发明实施例中传输功率分配的操作流程图；图5为本发明实施例中一种传输功率分配方法流程图；图6为本发明与现有技术的估计精度仿真结果测试对比图；图7为本发明与现有技术的中断概率仿真结果测试对比图。
具体实施例方式以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式
，以下实施例中的节点以传感器节点为例，但不以传感器节点为限。图I为本发明基于协作通信的分布式估计系统实施例的结构示意图，如图I所
示，本实施例的系统包括信源Θ、多个传感器节点in，i12......iK1，iK2，J1......_]\_21 和
融合中心FC，其中，融合中心，用于根据所述多个传感器节点中的各个传感器节点对所述信源的观测质量确定协作节点对，所述协作节点对由相互为协作伙伴的一个观测质量较好的节点和一个观测质量较差的节点组成，并将协作节点对的确定结果发送给对应的传感器节点；还用于对各个传感器节点的传输信道进行信道估计，获取信道状况，并根据当前的信道状况和观测质量对各个传感器节点进行传输功率分配；以及用于对接收到的观测信息进行融合，获取所述信源的估计值；所述多个传感器节点，用于对所述信源进行观测获取观测信息，协作节点对内相互为协作伙伴的两传感器节点根据接收的协作节点对的确定结果确定观测质量较好的节点和观测质量较差的节点，并按照所述融合中心分配的传输功率分别将观测质量较好的节点对所述信源进行观测获取的观测信息传输至所述融合中心；没有协作伙伴的传感器节点按照所述融合中心分配的传输功率将自身对所述信源进行观测获取的观测信息直接传输至所述融合中心。图I中节点in，i12......iK1，iK2中组成协作节点对的
两节点，如节点in和i12，iK1和iK2分别将观测质量较好的节点in对所述信源Θ进行观测
获取的观测信息传输至所述融合中心，而没有组成协作节点对的节点J1......jL-2K将自身
对所述信源Θ进行观测获取的观测信息直接传输至所述融合中心，从而融合中心可以对其接收到的所有观测信息进行信息融合，获取对信源的估计值。图2为本发明基于协作通信的分布式估计方法实施例的流程图，本实施例的方法中的可由上述图I所示的系统执行，本实施例的方法包括步骤I、融合中心根据各个传感器节点对信源的观测质量确定协作节点对，并将协作节点对的确定结果发送给对应的传感器节点。其中，所述协作节点对由相互为协作伙伴的一个观测质量较好的节点和一个观测 质量较差的节点组成，步骤2、所述融合中心根据当前的信道状况和观测质量对各个传感器节点进行传输功率分配；步骤3、各个传感器节点根据接收的协作节点对的确定结果判断自身是否具有协作伙伴，若有，则执行步骤4，否则执行步骤5 ;步骤4、协作节点对内相互为协作伙伴的两传感器节点根据所述确定结果确定观测质量较好的节点和观测质量较差的节点，并按照所述融合中心分配的传输功率分别将观测质量较好的节点对所述信源进行观测获取的观测信息传输至所述融合中心；步骤5、没有协作伙伴的传感器节点按照所述融合中心分配的传输功率将自身对所述信源进行观测获取的观测信息直接传输至所述融合中心；步骤6、所述融合中心对接收到的观测信息进行融合，获取所述信源的估计值。本实施例中，融合中心首先根据网络中各个传感器节点对信源的观测质量确定由一个观测质量较好的节点和一个观测质量较差的节点组成协作节点对，并将其确定结果发送给对应的节点，从而对应的节点接收到该结果时可以获知自身是否具有协作伙伴以及自身被确定为观测质量较好的节点还是观测质量较差的节点，观测质量较差的节点协助观测质量较好的节点进行数据传输，以提高观测质量较好的节点的信息传输质量，从而提高估计的精度。网络内允许存在多个协作节点对，具体多少个协作节点对由融合中心计算确定。具体来说，网络中各个传感器节点对同一信源进行观测时，其观测质量会有所差别，而且各个节点向融合中心传输数据的信道的状况也会不同，传感器节点向融合中心传输观测数据时，人们希望能将观测质量较好的节点的观测信息尽量有效地传输到融合中心，因此，本实施例利用协作通信使网络中的两个传感器节点组成协作节点，且让观测质量差的协助观测质量好的节点将其观测信息传输给融合中心，从而保证观测质量较好的节点的观测信息能够最大程度地有效地传输到融合中心。而为了提高网络中观测信息的利用率，没有组成协作节点对的传感器节点也将其观测获取的观测信息采用直接传输方式传输给融合中心，保证融合中心充分利用网络中节点的观测信息，根据更多的观测信息量进行信息融合，从而获取更加准确信源的估计值。本实施例通过融合中心根据各个传感器节点对信源的观测质量确定协作节点对，所述协作节点对由相互为协作伙伴的一个观测质量较好的节点和一个观测质量较差的节点组成，观测质量较差的节点协助观测质量较好的节点进行数据传输，以提高其信号传输质量，从而提高估计精度；而且通过没有组成协作节点对的传感器节点也将其观测获取的观测信息采用直接传输方式传输给融合中心，从而保证融合中心充分利用网络中节点的观测信息，获取更加准确信源的估计值。在上述实施例中，各个传感器节点的传输信道的信道状况可由融合中心实时进行信道估计获取信道状况，也可以获取预存储的节点的信道状况。当获取更新的信道状况时，融合中心在执行步骤2之前，还包括步骤7、所述融合中心对各个传感器节点的传输信道进行信道估计，获取当前的信道状况。当然，融合中心也可以在每计算完一次信源估计值后进行节点的信道估计，获取信道状况，并将该信道状况作为下次融合中心进行传输功率分配的依据。图3为本发明实施例中协作节点对的分配流程图，如图3所示，上述图2所示实施 例中步骤I中的协作节点对的分配操作具体可以包括步骤11、所述融合中心将各个传感器节点按照观测噪声由小到大排列，并以最小观测噪声和最大观测噪声的均值作为分界线将传感器节点对应划分到观测质量较好的节点集合和观测质量较差的节点集合。具体来说，传感器节点的观测噪声方差可以反映节点对信源的观测质量的好坏，本步骤中，将节点的观测噪声方差升序排列，有<^7::<41__<<，并以(σ — 作为区分节点观测性能好坏的分界线，用ip i2...，iK(方差由低到高排列)表示的观测质量较好的节点序号，j1; ...，JVk(方差由低到高排列)表示观测质量较差的节点序号(假设网络中有L个节点)。步骤12、所述融合中心通过线性拟合方式，获取每个观测质量较好的节点的观测噪声与在一定观测质量条件下的协作伙伴节点的观测噪声阈值的函数关系。具体方法如下以两节点为例进行说明，首先构造出一个只有两节点的网络场景，其中节点I为信源节点，观测噪声已知，节点2为观测噪声未知的中继节点。通过比较两种传输方式来获得使协作之后系统性能更优的中继节点(节点2)的观测噪声阈值(下界)，即融合中心通过运算获取相比两节点独立传输具有更好地观测性能而设定的条件下对协作伙伴节点的观测噪声的要求。方式A、节点I传输观测信息，节点2作为中继节点，两者以协作通信方式传输I的观测信息。方式B、节点1、2独立传输各自的观测信息在A中协作方式具有如下步骤在第一个时隙中，节点I传输其观测信息至融合中心，节点2监听此信息。在第二个时隙中，节点2将监测获取的节点I的观测信息传输至融合中心。设节点2为节点I (观测性能较好)的中继节点，则按照本发明所采用的放大转发协作方式(见上述步骤4)与信息融合方式(见上述步骤6)，在网络中只考虑这两个节点的情况下，融合中心FC收到的信号为如下公式⑴的71和72J1 =+ Qaigini + ci)J2 = ^α2§2§ι,7αιθ + (·/α 2S 2Si,2a ini + V 7i7 ci.2 + e2) (I)
权利要求
1.一种基于协作通信的分布式估计方法，其特征在于，包括 步骤I、融合中心根据各个节点对信源的观测质量确定协作节点对，所述协作节点对由相互为协作伙伴的一个观测质量较好的节点和一个观测质量较差的节点组成，并将协作节点对的确定结果发送给对应的节点； 步骤2、所述融合中心根据当前的信道状况和观测质量对各个节点进行传输功率分配； 步骤3、各个节点根据接收的协作节点对的确定结果判断自身是否具有协作伙伴，若有，则执行步骤4，否则执行步骤5 ； 步骤4、协作节点对内相互为协作伙伴的两节点根据所述确定结果确定观测质量较好的节点和观测质量较差的节点，并按照所述融合中心分配的传输功率分别将观测质量较好的节点对所述信源进行观测获取的观测信息传输至所述融合中心； 步骤5、没有协作伙伴的节点按照所述融合中心分配的传输功率将自身对所述信源进行观测获取的观测信息直接传输至所述融合中心； 步骤6、所述融合中心对接收到的观测信息进行融合，获取所述信源的估计值。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤2之前，还包括 步骤7、所述融合中心对各个节点的传输信道进行信道估计，获取信道状况。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述步骤I具体包括 步骤11、所述融合中心将各个节点按照观测噪声由小到大排列，并以最小观测噪声和最大观测噪声的均值作为分界线将节点对应划分到观测质量较好的节点集合和观测质量较差的节点集合； 步骤12、所述融合中心通过线性拟合方式，获取每个观测质量较好的节点的观测噪声与在一定观测质量条件下的协作伙伴节点的观测噪声阈值的函数关系； 步骤13、所述融合中心对观测质量较好的集合中的节点根据观测质量由好到差逐一在观测质量较差的集合中寻找协作伙伴，寻找条件为若观测质量较差的集合中的候选节点的观测噪声大于对应的观测噪声阈值，且该候选节点未被标记为其他节点的协作伙伴； 步骤14、所述融合中心将找到的符合所述寻找条件的候选节点标记为对应观测质量较好的节点的协作伙伴，确定该观测质量较好的节点与该候选节点为协作节点对，并将确定结果分别发送给对应的两节点； 步骤15、若观测质量较好的集合中的所有节点寻找协作伙伴未遍历完，则执行步骤13。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤15之后还包括 步骤16、若观测质量较好的集合中的所有节点寻找协作伙伴节点已遍历完，则所述融合中心将未找到符合所述寻找条件的观测质量较好的集合中的节点以及不符合所述寻找条件的观测质量较差的集合中的节点作为没有协作伙伴的节点。
5.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括 步骤41、协作节点对内相互为协作伙伴的两节点根据所述确定结果判断自身是观测质量较好的节点还是观测质量较差的节点，若是观测质量较好的节点，则执行步骤42，否则执行步骤43 ； 步骤42、按照所述融合中心分配的传输功率将自身对所述信源进行观测获取的观测信息进行放大后传输到所述融合中心； 步骤43、监听该协作节点对中观测质量较好的节点放大后的观测信息，获取所述放大后的观测信息的含噪副本，并按照所述融合中心分配的传输功率将所述含噪副本放大后传输到所述融合中心。
6.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述步骤6具体为所述融合中心将接收到的所有观测信息采用线性最优无偏估计方法进行信息融合，获取所述信源的估计值。
7.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括 步骤21、所述融合中心根据协作节点对的划分，计算并确定协作节点对和没有协作伙伴的传感器节点的开通状态； 步骤22、对开通的协作节点对和没有协作伙伴的节点进行传输功率分配； 步骤23、对开通的协作节点对根据协作节点对内两节点的信道状况，对两节点进行内部传输功率再分配； 步骤24、将各个节点的开通状态及分配的传输功率对应发送给各个节点，以使各个节点根据所述开通状态确定是否传输观测信息以及根据分配的传输功率传输观测信息。
8.一种基于协作通信的分布式估计系统，包括信源、多个节点和融合中心，其特征在于， 所述融合中心，用于根据所述多个节点中的各个节点对所述信源的观测质量确定协作节点对，所述协作节点对由相互为协作伙伴的一个观测质量较好的节点和一个观测质量较差的节点组成，并将协作节点对的确定结果发送给对应的节点；还用于对各个节点的传输信道进行信道估计，获取信道状况，并根据当前的信道状况和观测质量对各个节点进行传输功率分配；以及用于对接收到的观测信息进行融合，获取所述信源的估计值； 所述多个节点，用于对所述信源进行观测获取观测信息，协作节点对内相互为协作伙伴的两节点根据接收的协作节点对的确定结果确定观测质量较好的节点和观测质量较差的节点，并按照所述融合中心分配的传输功率分别将观测质量较好的节点对所述信源进行观测获取的观测信息传输至所述融合中心；没有协作伙伴的节点按照所述融合中心分配的传输功率将自身对所述信源进行观测获取的观测信息直接传输至所述融合中心。
全文摘要
本发明公开了一种基于协作通信的分布式估计方法及系统。其中方法包括融合中心根据各个传感器节点对信源的观测质量确定协作节点对，协作节点对由相互为协作伙伴的一个观测质量较好的节点和一个观测质量较差的节点组成；融合中心根据当前的信道状况和观测质量对各个传感器节点进行传输功率分配；各个传感器节点判断自身是否具有协作伙伴，若有，则相互为协作伙伴的两传感器节点分别将观测质量较好的节点对信源进行观测获取的观测信息传输至融合中心，否则没有协作伙伴的传感器节点将自身对信源进行观测获取的观测信息直接传输至融合中心；融合中心对接收到的观测信息进行融合，获取信源的估计值。本发明有利于提高分布式估计系统的估计精度。
文档编号H04W24/02GK102869026SQ20121019897
公开日2013年1月9日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者韩宇, 费礼, 高强 申请人:北京航空航天大学