一种收发机设计方法、汇集节点及感知节点

技术领域

本发明涉及模拟空中技术领域，特别是涉及一种收发机设计方法、汇聚节点及感知节点。

背景技术

模拟空中计算(Analog Function Computation)是一项运用在无线传感器网络中的数据传输方法。无线传感器网络中，所有传感器传输数据的最终目的都是为了实现一个特定的功能(如求和、平均、最大值与最小值)而不是很在意传输过程中的数据，那么与其将每个传感器的数据逐一收集，不如通过特殊的手段使得能直接收集我们最感兴趣的结果。因此，模拟空中计算应运而生。

实际无线网络传输中，MAC(Multiple Access Channel，多址接入信道)对从不同路径收集的信号有不同的衰落，这使得信号在接收端存在不同程度的失真，因此需要对信号经过不同的预处理，这便是收发机设计。收发机设计的主要思想是基于网络节点到接收端的CSI(Channel State Information信道状态信息)补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，从而在接收端更准确地恢复数据。

传统的收发机设计的流程为，无线传感器节点依次发送导频信号至汇聚节点，依据导频信号，汇聚节点可获取各节点至本地的CSI，从而计算出最优的收发机；汇聚节点将计算的最优发送机依次发送至对应的无线传感器节点。

发明人对现有技术的研究过程中发现，无线传感器节点依次发送导频信号，使得汇聚节点对单个传感器节点的CSI逐一收集将导致对收发机设计的高时延。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种收发机设计方法、汇聚节点及感知节点，技术方案如下：

一种收发机设计方法，包括：

确定各感知节点至汇聚节点的信道状态信息；

广播接收机预处理向量，以使所述各感知节点根据对应的所述信道状态信息和所述接收机预处理向量确定发送机向量；

确定第一有效信道状态信息，第一有效信道状态信息为根据各感知节点同时发送的第一导频信号确定；

确定第二有效信道状态信息，第二有效信道状态信息为根据各感知节点同时发送的第二导频信号确定，所述第二导频信号为根据所述信道状态信息和所述发送机向量确定；

根据所述第一有效信道状态信息和所述第二有效信道状态信息确定目标接收机向量。

优选地，还包括：

向所述各感知节点广播所述目标接收机向量，以使所述各感知节点根据对应的所述信道状态信息和所述目标接收机向量确定目标发送机向量。

优选地，还包括：

确定目标接收机向量与接收机预处理向量的接收机向量差值和目标发送机向量和发送机向量的发送机向量差值；

判断接收机向量差值是否小于第一阈值，且发送机向量差值是否小于第二阈值；

若是将所述目标接收机向量作为最优接收机向量，将所述目标发送机向量作为最优发送机向量；

否则，以所述目标接收机向量代替所述接收机预处理向量，并返回执行汇聚节点广播接收机预处理向量，以使所述各感知节点确定与所述接收机预处理向量对应的发送机向量的步骤。

优选地，确定各感知节点至汇聚节点的信道状态信息，包括：

广播第三导频信号，以使各感知节点根据所述第三导频信号确定所述汇聚节点至所述各感知节点的信道状态信息；

根据信道互易性，将所述汇聚节点至所述各感知节点的信道状态信息作为各感知节点至汇聚节点的信道状态信息。

一种收发机设计方法，包括：

确定汇聚节点至感知节点的信道状态信息；

接收接收机预处理向量，并根据所述信道状态信息和所述接收机预处理向量确定发送机向量；

与其它传感节点同时发送第一导频信号，以使汇聚节点根据第一导频信号确定第一有效信道状态信息；

与其它传感节点同时发送第二导频信号，以使汇聚节点根据第二导频信号确定第二有效信道状态信息，所述第二导频信号为根据所述信道状态信息和所述发送机向量确定。

优选地，还包括：

接收目标接收机向量，所述目标接收机向量为所述汇聚节点根据所述第一有效信道状态信息和所述第二有效信道状态信息确定；

根据对应的所述信道状态信息和所述目标接收机向量确定目标发送机向量。

一种汇聚节点，包括：

第一确定单元，用于确定各感知节点至汇聚节点的信道状态信息；

第一广播单元，用于广播接收机预处理向量，以使所述各感知节点根据对应的所述信道状态信息和所述接收机预处理向量确定发送机向量；

第二确定单元，用于确定第一有效信道状态信息，第一有效信道状态信息为根据各感知节点同时发送的第一导频信号确定；

第三确定单元，用于确定第二有效信道状态信息，第二有效信道状态信息为根据各感知节点同时发送的第二导频信号确定，所述第二导频信号为根据所述信道状态信息和所述发送机向量确定；

第四确定单元，用于根据所述第一有效信道状态信息和所述第二有效信道状态信息确定目标接收机向量。

优选地，还包括：

第二广播单元，用于向所述各感知节点广播所述目标接收机向量，以使所述各感知节点根据对应的所述信道状态信息和所述目标接收机向量确定目标发送机向量。

一种感知节点，包括：

第五确定单元，用于确定汇聚节点至感知节点的信道状态信息；

第一接收单元，用于接收接收机预处理向量，并根据所述信道状态信息和所述接收机预处理向量确定发送机向量；

第一发送单元，用于与其它传感节点同时发送第一导频信号，以使汇聚节点根据第一导频信号确定第一有效信道状态信息；

第二发送单元，用于与其它传感节点同时发送第二导频信号，以使汇聚节点根据第二导频信号确定第二有效信道状态信息，所述第二导频信号为根据所述信道状态信息和所述发送机向量确定。

优选地，还包括：

第二接收单元，用于接收目标接收机向量，所述目标接收机向量为所述汇聚节点根据所述第一有效信道状态信息和所述第二有效信道状态信息确定；

第六确定单元，用于根据对应的所述信道状态信息和所述目标接收机向量确定目标发送机向量。

本发明实施例提供的技术方案，汇聚节点确定有效信道状态信息时，各感知节点可以同时发送导频信号，相对于现有技术中各传感器节点依次发送导频信号的信令流程，本发明方案大大降低了收发机设计时的时延。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种发机设计的网络部署结构图；

图2为本发明实施例所提供的一种收发机设计的一种流程示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种收发机设计的另一种流程示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种收发机设计的另一种流程示意图；

图5为本发明实施例所提供的一种汇聚节点的结构示意图；

图6为本发明实施例所提供的一种感知节点的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在介绍本发明实施例前，介绍收发机设计的网络部署结构图，如图1所示，包括：

多个感知节点110和汇聚节点120；

感知节点110包括方程前处理单元1101、发送机预处理单元1102和发送天线1103；

汇聚节点120包括接收天线1201、接收机预处理单元1202和方程后处理单元1203；

所有感知节点110发射的信号在空中叠加，由汇聚节点120接收；汇聚节点120通过接收机预处理单元1202后，再经过方程后处理单元1203，以此获取目标方程估计值。

实际应用中，感知节点可以包括无线传感器节点。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种收发机设计方法的一种实现流程图，本实施例从汇聚节点的角度进行描述，以汇聚节点作为执行主体，该方法包括：

步骤S201、确定各感知节点至汇聚节点的信道状态信息。

汇聚节点广播第三导频信号，各感知节点通过该第三导频信号可获取汇聚节点至各感知节点的CSI，根据信道互易性可知，该CSI与各感知节点至汇聚节点的CSI相同，定义为H_K。

步骤S202、广播接收机预处理向量，以使各感知节点根据对应的信道状态信息和接收机预处理向量确定发送机向量。

接收机预处理向量为初始接收机向量，通过广播的方式，各感知节点可以获取接收机预处理向量，根据步骤S201的信道状态信息和接收机预处理向量，各感知节点可以确定发送机向量。

其中，各感知节点根据对应的信道状态信息和接收机预处理向量确定发送机向量，所使用的公式如下：

其中，a为接收机预处理向量，H_K为感知节点k至汇聚节点的CSI，b_k为感知节点k的发送机预处理向量，并满足功率限制n为服从分布的噪声。

基于图1的网络部署结构图，以下介绍用于确定发送机向量的公式的实现过程：

在感知节点处，若感知节点的总数为K，则感知的信号为s₁,s₂,...,s_K，记s_i经过相应的方程前处理后的信号为x_i，i＝1,2,..,K。

在汇聚节点处，记经过信道传输和接收机预处理的信号为：

其中，a为接收机预处理向量，H_K为节点k至汇聚节点的CSI，b_k为节点k的发送机预处理向量，并满足功率限制n为服从分布的噪声。

记方程后处理为ψ(·)，且实际目标方程值为：

则在接收端的目标方程估计值为：

为了达到目标方程估计值的最小MSE，所需的收发机为：

其中μk为拉格朗日乘数，其满足

步骤S203、确定第一有效信道状态信息，第一有效信道状态信息为根据各感知节点同时发送的第一导频信号确定。

各感知节点同时发送第一导频信号，如导频信号1，则汇聚节点利用信道叠加特性可以确定第一有效信道状态信息CS1为向量：

步骤S204、确定第二有效信道状态信息，第二有效信道状态信息为根据各感知节点同时发送的第二导频信号确定，第二导频信号为根据信道状态信息和发送机向量确定。

各感知节点同时发送第二导频信号，如导频信号则汇聚节点利用信道叠加特性可以确定第一有效信道状态信息CS1为矩阵：

步骤S205、根据第一有效信道状态信息和第二有效信道状态信息确定目标接收机向量。

根据g和F，计算目标接收机向量a为：

在确定目标接收机向量后，还可以向各感知节点广播目标接收机向量，以使各感知节点根据对应的信道状态信息和目标接收机向量确定目标发送机向量。

本发明实施例提供的技术方案，汇聚节点确定有效信道状态信息时，各感知节点可以同时发送导频信号，相对于现有技术中各传感器节点依次发送导频信号的信令流程，本发明方案大大降低了收发机设计时的时延。

确定目标发送机向量的公式与步骤S202中确定发送机向量的公式相同，所不同的是，公式中的a的取值为目标接收机向量。

为了得到最优的目标接收机向量和目标发送机向量，需要对目标接收机向量和目标发送机向量进行训练，如图3所示，还包括：

步骤S301、确定目标接收机向量与接收机预处理向量的接收机向量差值和目标发送机向量和发送机向量的发送机向量差值。

步骤S302、判断接收机向量差值是否小于第一阈值，且发送机向量差值是否小于第二阈值，若是执行步骤S303，否则执行步骤S304。

步骤S303、将目标接收机向量作为最优接收机向量，将目标发送机向量作为最优发送机向量；

步骤S304、以目标接收机向量代替接收机预处理向量，并返回执行步骤S202。

请参阅图4，图4为本发明实施例提供的一种收发机设计方法的一种实现流程图，本实施例从感知节点的角度进行描述，以感知节点作为执行主体，该方法包括：

步骤S401、确定汇聚节点至感知节点的信道状态信息。

汇聚节点广播第三导频信号，感知节点通过该第三导频信号可获取汇聚节点至各感知节点的CSI，定义为H_K。

步骤S402、接收接收机预处理向量，并根据信道状态信息和接收机预处理向量确定发送机向量。

接收机预处理向量为初始接收机向量，各感知节点根据对应的信道状态信息和接收机预处理向量确定发送机向量，所使用的公式如下：

其中，a为接收机预处理向量，H_K为感知节点k至汇聚节点的CSI，b_k为感知节点k的发送机预处理向量，并满足功率限制n为服从分布的噪声。

步骤S403、与其它传感节点同时发送第一导频信号，以使汇聚节点根据第一导频信号确定第一有效信道状态信息。

与其它传感节点同时发送第一导频信号，如导频信号1，则汇聚节点利用信道叠加特性可以确定第一有效信道状态信息CS1为向量：

步骤S404、与其它传感节点同时发送第二导频信号，以使汇聚节点根据第二导频信号确定第二有效信道状态信息，第二导频信号为根据信道状态信息和发送机向量确定。

各感知节点同时发送第二导频信号，如导频信号则汇聚节点利用信道叠加特性可以确定第一有效信道状态信息CS1为矩阵：

优选地，还包括：

接收目标接收机向量，所述目标接收机向量为所述汇聚节点根据所述第一有效信道状态信息和所述第二有效信道状态信息确定；

根据g和F，计算目标接收机向量a为：

根据对应的所述信道状态信息和所述目标接收机向量确定目标发送机向量。

本发明实施例提供的技术方案，各感知节点可以同时发送导频信号，以使汇聚节点确定有效信道状态信息，相对于现有技术中各传感器节点依次发送导频信号的信令流程，本发明方案大大降低了收发机设计时的时延。

请参阅图5，图5为本发明实施例提供的一种汇聚节点的一种结构示意图，该结构示意图中的各模块的工作过程参照图2对应的实施例中方法的执行过程，包括：

第一确定单元510，用于确定各感知节点至汇聚节点的信道状态信息。

第一广播单元520，用于广播接收机预处理向量，以使各感知节点根据对应的信道状态信息和接收机预处理向量确定发送机向量。

第二确定单元530，用于确定第一有效信道状态信息，第一有效信道状态信息为根据各感知节点同时发送的第一导频信号确定。

第三确定单元540，用于确定第二有效信道状态信息，第二有效信道状态信息为根据各感知节点同时发送的第二导频信号确定，第二导频信号为根据信道状态信息和发送机向量确定。

第四确定单元550，用于根据第一有效信道状态信息和第二有效信道状态信息确定目标接收机向量。

优选地，还包括：

第二广播单元，用于向各感知节点广播目标接收机向量，以使各感知节点根据对应的信道状态信息和目标接收机向量确定目标发送机向量。

本发明实施例提供的技术方案，汇聚节点确定有效信道状态信息时，各感知节点可以同时发送导频信号，相对于现有技术中各传感器节点依次发送导频信号的信令流程，本发明方案大大降低了收发机设计时的时延。

请参阅图6，图6为本发明实施例提供的一种汇聚节点的一种结构示意图，该结构示意图中的各模块的工作过程参照图3对应的实施例中方法的执行过程，包括：

第五确定单元610，用于确定汇聚节点至感知节点的信道状态信息。

第一接收单元620，用于接收接收机预处理向量，并根据信道状态信息和接收机预处理向量确定发送机向量。

第一发送单元630，用于与其它传感节点同时发送第一导频信号，以使汇聚节点根据第一导频信号确定第一有效信道状态信息。

第二发送单元640，用于与其它传感节点同时发送第二导频信号，以使汇聚节点根据第二导频信号确定第二有效信道状态信息，第二导频信号为根据信道状态信息和发送机向量确定。

优选地，还包括：

第二接收单元，用于接收目标接收机向量，目标接收机向量为汇聚节点根据第一有效信道状态信息和第二有效信道状态信息确定；

第六确定单元，用于根据对应的信道状态信息和目标接收机向量确定目标发送机向量。

本发明实施例提供的技术方案，各感知节点可以同时发送导频信号，以使汇聚节点确定有效信道状态信息，相对于现有技术中各传感器节点依次发送导频信号的信令流程，本发明方案大大降低了收发机设计时的时延。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

对于装置或系统实施例而言，由于其基本相应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置或系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，在没有超过本发明的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本发明的目的。例如，所述单元或子单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或多个子单元结合一起。另外，多个单元可以或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

另外，所描述系统，装置和方法以及不同实施例的示意图，在不超出本发明的范围内，可以与其它系统，模块，技术或方法结合或集成。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。