基于无线传感器网络的精确干扰关键技术研究

来源 :国防科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hua6952
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)具有灵活多变的拓扑结构和对复杂战场环境的强大适应能力,以WSN为搭载平台的精确干扰技术成为新一代电子对抗技术研究核心。然而,其庞大的传感器节点数目也为算法处理时效性带来巨大挑战。针对该问题,本文建立了具有高效运算性能的精确干扰框架并提出了具有分布式运算能力的合作定位算法和精确功率传输算法。具体工作和创新点如下:一、搭建了以分布式运算框架为基础的WSN精确干扰框架。根据实际场景和应用需求,搭建了以分布式算法技术为核心的精确干扰框架系统。通过所搭建的系统,确立了对复杂环境具有较强适应性的干扰理念及流程:即依据高精度合作定位技术实现传感器节点自定位,通过节点位置关系构建超稀疏无线阵列,然后设计阵列发射信号实现对干扰目标区域精准功率传输,同时保证附近友方设备正常通信。在此基础上,明确了精确干扰系统对合作定位技术和精确功率传输技术的几项技术指标,对于后文展开技术研究具有重要指导意义。二、针对复杂场景下现有合作定位算法运算效率低、先验信息不足导致精度下降严重等问题,针对三种不同场景分别提出了具有高运算效率的分布式合作定位算法:(1)提出了应用于视距传播(Line-of-Sight,LOS)环境下的分布式合作定位算法。针对LOS环境中由于传感器网络节点数目庞大导致基于集中式优化框架的合作定位算法复杂度高、运算效率低、中心节点容易信息阻塞等问题,设计了基于并行分布式优化框架的合作定位算法。首先,通过设计冗余模型将原本不可分解的定位优化问题投影至互不交迭的高维空间,实现可分解优化问题建模。其次,对高维度优化问题进行分解降维,转换成多个小规模子优化问题并行解算,子问题的数目等于节点数目,其规模大小等于各节点的邻域点数目。子优化问题并行解算的框架打破了传感器网络规模的限制,通过分解降维从本质上降低了解算问题的复杂度。然后,在解算子优化问题时,采用半定松弛,将非凸问题转换成半定规划进行解算。最后,提出了惩罚因子自适应更新模型来保证非凸优化问题在分布式框架下的迭代收敛性。仿真结果及理论分析表明,所提算法极大地降低了运算复杂度,同时确保了定位精度高于现有同类型算法。(2)提出了应用于非视距传播(None-Line-of-Sight,NLOS)环境下的分布式合作定位算法。针对NLOS环境中,由于测距偏差导致定位精度严重下降,以及集中式处理框架运算效率低的问题,提出了降低NLOS误差、提高运算效率的分布式NLOS定位算法。首先,依据测量距离在NLOS环境中的上下界建立了启发式修正模型,该模型可以应用于缺乏NLOS传播路径等先验信息的情况。其次,采用投影松弛将建立的修正非凸优化模型转换成其凸包络优化模型。然后,设计了适应该凸包络模型的冗余表述形式,并搭建分布框架实现优化问题的分解降维,将原来的高维度凸优化问题转换成多个低维度子凸问题并行解算。由于该模型的子问题属于非光滑型凸问题,不能直接采用传统优化算法进行解算,因此进一步提出了近端梯度法对子问题进行求解。仿真结果及理论分析表明,所提NLOS合作定位算法极大地降低了算法复杂度,提高了NLOS环境下的定位精度。(3)提出了在LOS环境和NLOS环境下都能保持较高精度的强鲁棒分布式合作定位算法。传统NLOS定位算法和LOS定位算法都有一定局限性,算法应用环境不能互换,当先验信息严重不足导致无法预先判别传感器网络应用环境时,模型的限制可能导致定位性能下降。针对这一问题,提出了能同时适应LOS和NLOS环境的分布式合作定位算法。首先,利用距离测量的物理特性,引入修正因子建立了具有强鲁棒性的乘性模型。其次,采用投影松弛将非凸优化模型转换成其凸包络进行求解。然后,建立并行分布式框架,实现原大规模优化问题的分解降维和并行解算,在解算框架中,提出并推导了近端梯度法解算非光滑子问题。最后,从理论上分析推导了算法的几项重要指标:凸性、收敛性以及算法复杂度。仿真结果及理论推导均表明,所提算法有效打破了LOS和NLOS合作定位算法之间的壁垒,在LOS和NLOS环境中均具有相比同类型算法更高的定位精度,分布式框架极大地降低了算法复杂度。三、针对现有精确功率传输算法复杂度高而难以满足实际应用需求以及超稀疏无线阵列结构导致严重的栅瓣效应问题,分别提出了具有高效运算能力和抑制栅瓣效应的精确功率传输算法:(1)分析验证了基于合作定位的精确干扰可行性。从理论上推导了合作定位算法的Cramer-Rao下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB);分析总结了影响定位误差的因素。根据精确功率传输的基本原理,推导了满足功率聚焦的定位精度要求。理论结果与仿真实验表明,合作定位精度能够满足通信频段和部分雷达频段干扰需求。(2)提出了基于WSN的快速精确功率传输(Focused Energy Delivery,FED)算法。针对现有FED算法均存在算法复杂度高的问题,提出了基于极大-极小(Majorization-Minimization,MM)框架的快速FED算法。该算法直接对阵元发射信号进行优化设计,通过建立二次优化(Quadratic Constraint Quadratic Programming,QCQP)模型保证了目标区域的功率有效聚焦而被保护区域干扰功率得以抑制。通过推导目标二次函数的上界函数,将原本复杂的QCQP问题转换成一系列可直接得到闭式解的子问题进行迭代优化。仿真结果表明,所提算法实现了精确干扰的基本功能,降低了算法复杂度。(3)提出了抑制栅瓣效应的快速FED算法和分布式FED算法。针对WSN存在较为严重栅瓣效应的问题,分别提出了基于MM框架的快速FED算法和具有分布式运算能力的FED算法。首先,通过建立FED指标和栅瓣指标重新构建精确干扰优化模型。该模型在目标函数中加入l1范数对栅瓣水平进行约束。其次,为解决目标函数中同时具有二次函数和l1范数的混合规划问题,推导了新目标函数的上界函数,并通过连续两次采用MM算法实现快速FED算法解算。但是该算法因第二次MM框架嵌套中进行了特征分解而导致算法复杂度有较大提升,为进一步降低运算压力,随后提出了分布式FED算法。在该分布式算法中,通过引入交互变量实现了二次项和l1范数项的分布式交替独立优化,在各子问题解算中,分别采用MM框架和近端梯度算法来解算QCQP问题和l1范数问题,算法复杂度得以进一步降低。仿真结果表明,快速FED算法和分布式FED算法均实现了栅瓣抑制的作用,而分布式FED算法具有更低于快速FED算法的复杂度。
其他文献
随着现代互联网络技术的快速发展,各种网络应用已经深深地渗透到了社会的每一个角落:从基本的工作应用需求出发,一直延伸到人们的衣食住行,社交和娱乐需求中。丰富的互联网应用在给人们带来多彩生活的同时,却给支撑起这些应用的基础通信网络带来了各种挑战。这些挑战包括:首先,网络规模的不断扩大,网络用户数量的逐年增加,以及通信数据的海量传输,使得不断增加的互联网带宽仍显捉襟见肘;与此同时,网络特性的变化对网络服
科技强则国家强,科技兴则军队兴。依靠创新科技推动国防和军队建设实现新跨越,是为迎接世界局势变化带来的挑战,加速推进中国特色军事变革的必然要求。本研究以演化经济学作为基础理论,结合演化经济学中的适应性原理、复杂系统原理以及耗散结构原理,将国防科技协同创新活动视作一个具有非线性、动态性、多层次性的复杂创新系统。依照演化经济学理论中“新奇”的创生、传播、适应三个演化过程为线索,创造性地将复杂的国防科技协
“兵者,国之大事,死生之地,存亡之道,不可不察也。”战争关乎国家安危,必须运用科学的理论和方法做出正确的决策,作战行动计划质量的高低事关战争的成败,必须运用科学的方法对其进行研究。信息技术的发展使得武器装备系统之间的互联互通更加频繁,作战体系化和网络化的特征愈发明显,尤其是无人装备和集群作战样式的兴起,使得作战体系(Combat System of Systems,CSo S)网络化的趋势更加明显
习主席强调指出,“掌握思想领导是掌握一切领导的第一位。”思想政治教育是我军政治工作的重要组成部分,其根本目的就是要将我们党的精神、意志和主张灌注于官兵的头脑和灵魂之中,从而牢牢掌握官兵思想,确保我军始终置于党的绝对领导之下。当前,随着网络信息技术的迭代更新速度不断加快,各种类型的社交媒体花样翻新、层出不穷,它们一方面因为能够为广大官兵的学习、工作和生活提供极大便利而日益成为广大官兵须臾不可或缺的生
信息系统与信息管理是以信息为核心资源,以信息技术为核心能力,面向宏观与微观各层面的解决经济和管理实际问题的重要科学领域,具有“信息、技术、管理”三个重要维度。信息的爆炸式增长催生了以计算机网络为基础的分布式系统。尽管分布式系统不断演进并得到广泛推广和应用,仍然存在一些基础性问题制约其效能的充分发挥。内容同步技术就是一个典型代表。分布式场景下,都存在不同主机之间需要快速准确的内容同步需求,例如集群节
作为一种广泛使用的在线凸优化方法,在线梯度下降算法通常用来求解在线学习问题。它把在线学习的过程建模为一个连续地博弈问题。博弈的双方分别为学习者和未知环境。在每次博弈时,由学习者先出牌,它根据历史信息给出一个出牌策略,即决策模型。然后由未知环境再出牌,它根据学习者给出的决策模型给出一个损失函数,因此带来了具体的损失。大量的文献研究了在线梯度下降算法以及它的各种变种方法,并分析了它们的性能。相关工作通
卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)近年来发展势头迅猛,被广泛应用在图像识别、模式识别等领域。用于图像识别CNN的错误率从2010年的28%降至2016年的3%,已经优于人类5%的错误率。目前,大型CNN的参数数量已经达到数百万,并且每幅图像需要多达数百亿次操作。随着卷积神经网络应用场景的拓展和计算需求的继续增长,学术界和工业界展开了对CNN加速器的探索
随着计算机技术的发展,实现对人体行为的分析和理解,将人作为计算环节的一部分,是未来人本计算的发展趋势。近年来基于射频信号的行为分析技术引起了学者的广泛关注,其通过人体对射频信号的扰动特征来感知和分析人体行为,具有非接触、非视距、无需额外设备、不受光照影响等优点,可利用已有网络基础设施实现快速大规模低成本部署,具有很大的发展潜力。当前,射频行为分析已经被应用在日常行为感知、身份认证、呼吸心跳检测等众
无人值守地面传感器(Unattended Ground Sensors,UGS)系统通常简称为地面传感器系统,是由布放在监测区域地面上的传感器节点、汇聚节点和监控节点所组成的无线监测网络。传感器节点对监测区域的目标信息进行采集、处理,并以无线方式将监测信息上传至汇聚节点,最终上传至远程监控中心。UGS监测系统具有快速部署、使用便捷、成本较低等优点,在战场信息采集及要地监控等领域有广阔的应用前景。但
人脸属性预测在娱乐、安防、社交媒体等实际应用中扮演着重要角色。现有研究多采用分类和回归性能较好的经典机器学习算法对人脸单个属性进行预测,由于单属性预测算法提取的特征较浅,未能挖掘更深层的特征,人脸属性预测准确率难以达到现实应用需求。随着计算机技术的快速发展,深度学习算法能高效地获取与属性相关的浅层和深层特征,能够取得比经典学习算法更好的性能,但由于深度学习算法层数较深,需大量的训练样本,现有的公开