[發明專利]一種盲源分離的無線傳感器網絡節點選擇方法

有效

• 申請號: 201410231647.5
• 申請日: 2014-05-28
• 公開（公告）號: CN104038993B
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 楊震;孫宏娟
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04W52/02
• 分類號: H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 江蘇愛信律師事務所32241
• 代理人: 唐小紅

技術領域

本發明涉及一種盲源分離的無線傳感器網絡節點選擇方法，尤其涉及一種基于節點剩余能量和盲源分離性能折中的無線傳感器網絡節點選擇方法，屬于通信和信號處理技術領域。

背景技術

物聯網(Internet of Things)是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第三次浪潮，在智能交通、智能家居、醫療、農業等領域有廣泛的應用。無線傳感器網絡(Wireless sensor networks,WSN)是物聯網感知層的重要組成部分，被廣泛用于完成信號的檢測、估計以及目標跟蹤等信號處理任務。在WSN實際應用場景中，感知環境中通常同時存在多個信號源，每個傳感器節點采集的信號都可以看成是多個信號的混合。為了準確獲取感興趣的目標信號，去除其他混疊的干擾信號，就需要對節點采集的混合信號進行有效分離以便后續的處理和應用。而WSN一般由大量簡單傳感器節點隨機部署自組織形成，通常對感知區域中存在的多個源信號的先驗信息和其混合方式是未知的，也就是說，WSN對混合信號的分離過程是“盲”的，因此，實現盲源分離是無線傳感器網絡中進行目標識別和跟蹤的先決條件，是又一重要的信號處理任務。

盲源分離(blind source separation,BSS)，是指從若干觀測到的混合信號中提取、分離出無法直接觀測到的各個原始信號，經典的盲源分離算法有獨立成分分析(Independent component analysis,ICA)法、基于二階統計量的方法、基于貝葉斯估計的方法等。本發明研究無線傳感器網絡中的語音信號盲分離問題,即目標是人類，傳感器感知的是目標發出的語音信號。雖然盲源分離問題得到許多研究人員多年的廣泛研究，但無線傳感器網絡中盲源分離問題作為一個特殊的分布式估計問題，目前相關研究較少。傳統盲源分離問題的研究通常忽略噪聲的影響，著重研究如何準確有效的恢復出各個源信號，而在無線傳感器的應用場景中，由于監測環境的復雜多變性，各個節點的觀測噪聲對于盲源分離的影響是不能忽略的，如何在噪聲條件下保證分離性能是WSN盲源分離必須研究的一個方面。另一方面，傳感器節點通常依靠電池供電且不能再充電，生命周期十分有限，因此，如何在保證性能的前提下減少WSN能耗提高生命周期是研究無線傳感器網絡盲源分離的首要問題。

本發明提出一種信號盲分離的無線傳感器網絡節點優化選擇算法，該算法綜合考慮信號分離的性能和WSN生存周期，通過數值擬合的方法確定節點平均觀測噪聲和盲源分離性能之間的關系，在此基礎上，將節點選擇問題建模為基于節點剩余能量和盲源分離性能折中的組合優化問題，并采用基于凸優化的啟發算法求解該問題以確定被選中的節點，最后，被選中的節點將采集的混合信號傳輸到匯聚節點，在匯聚節點處分離出各個源信號。

發明內容

技術問題：盲源分離是無線傳感器網絡的一個重要的信號處理任務，由于單個傳感器節點的能量有限，而且通常不能再充電，因此在保證性能的前提下降低WSN能耗是研究無線傳感器網絡盲源分離的首要問題。本發明的目的在于設計一種無線傳感器網絡節點優化選擇算法，在WSN全部節點中僅選出一部分最合適的節點，利用這些節點采集的混合信號進行分離，而未被選中的節點并不進行數據傳輸，可以在完成盲源分離的同時有效的降低WSN的總能耗。

技術方案：本發明提出一種盲源信號分離的無線傳感器網絡節點選擇方法，考慮節點的觀測噪聲和剩余能量兩個因素，共分為五個步驟：

(1)在信號源個數已知的前提下確定參與盲源分離的節點個數最優值；

(2)定義被選中節點的平均觀測信噪比和基于相關系數的盲源分離性能參數之間的函數關系；

(3)在(1)和(2)的基礎上將節點選擇問題建模為基于節點剩余能量和盲源分離性能折中的組合優化問題；

(4)采用基于凸優化的啟發算法求解(3)中的優化問題以確定被選中的節點；

(5)被選中的節點將觀測數據發送到匯聚節點進行盲源分離。

本發明所針對的實現盲源信號分離的WSN系統模型圖如圖1所示。傳感器節點被隨機部署在觀測區域內，每個傳感器節點都有一個唯一確定的編號，并且已知各傳感器節點到融合中心sink節點的傳輸距離。每個傳感器節點都能采集到多個信源疊加的混合信號，傳感器節點對信號進行量化處理后將觀測數據傳送到融合中心sink節點，融合中心sink節點根據各個傳感器節點的觀測值進行信號盲分離，恢復出各個源信號，本發明采用的節點傳輸能耗模型可以用下式表示：