基于无线探测网络的资源分配和调度策略研究

Based on the tremendous potential on the spatial diversity gain, wireless radar sensor networks (WRSNs) are attractive in high accuracy target detection, localization and imaging investigations. However, it is still challenging to exploit the full potential of WRSNs, due to the difficulties in the network scheduling complexity, strict resource constraints and so on. In this project, we try to achieve the fundamental tradeoffs between the target detection performance and the resource efficiency in the cost and complexity limited WRSNs. Since the Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) of target position estimate characterizes the fundamental limits of localization accuracy, and provides valuable performance benchmarks to the system design, we choose CRLB as the performance metric on the target detection performance. By introducing the effective bandwidth factor, we first present joint allocation frameworks of multiple resources, instead of the traditional pure power allocation approaches. After that, efficient and robust scheduling strategies are presented to deal with the asynchronous and uncertain network conditions, respectively. Low complexity distributed strategies are also given to handle the large scale network scheduling problem along with the scaling law. According to the sparsity of resource allocation results, energy efficient network scheduling solutions are presented and validated by practical experiments. The achieved frameworks and developed algorithms in this project will be of great importance to theoretical researches of WRSNs, as well as practical developments.

无线探测网络通过大量间距远大于波长的节点对目标实施独立观测，具有巨大的空间分集增益潜力，是构建复杂环境中的高精度、高分辨率目标探测、定位与成像系统非常有竞争力的方案。但同时无线探测网络也存在节点数目多、网络结构复杂、节点能量和处理能力极度受限的不足。如果没有合理的调度管理机制，不但不能充分发挥出探测网络的性能优势，甚至会由于节点能量迅速耗尽而导致整个网络的快速“死亡”。.本课题针对以上问题，以系统资源分配和优化为切入点，拟从理论上建立起无线探测网络的工作规则，并实现探测性能与资源利用效率的最优折中。本课题选取目标定位的误差下界为探测性能指标，创新性地构建了多样化资源联合分配框架；并结合无线探测网络中节点时钟异步、网络参数不确定、结构复杂等特征，提出低复杂度、高能效的网络调度解决方案，并通过实验分析验证。课题研究成果能够解决分布式探测理论中的关键问题，并为具体系统开发提供参考。

无线探测网络具有巨大的空间分集增益潜力，但同时也有干扰严重、资源利用率低、网络调度复杂等理论问题。.本课题以系统资源分配和优化为切入点，结合多种典型宽带无线信号波形（如chirp、UWB、OFDM、OTFS等）的信号产生与处理方法，通过对网络工作模式的优化，实现感知性能与资源利用率、系统复杂度的折中。主要研究成果包括以下方面：.（1）探测资源优化：以目标位置探测的克拉美劳下界为目标，实现探测系统的异质多维度资源（功率、时间、频率、天线阵元等）优化，能量效率可以提升30%-40%。在此基础上，我们以非闭合式的均方误差为指标，提出了基于强化学习的鲁棒探测节点优化框架，实现探测节点的优化选择，让低效节点保持休眠状态，并通过超宽带系统进行了实测验证。.（2）多雷达信息融合：针对复杂环境中的多径散射干扰，我们提出了一种基于空间栅格的低复杂度信息融合方式，能够有效抑制多径散射的影响，同时充分利用分布式雷达的空间分集增益。为了提升目标感知准确性，我们获取了回波信号的微多普勒特征，结合特定目标的特征进行匹配识别。实验结果证明，在典型室内环境下，目标探测精度可以达到亚米级。.（3）通信感知一体化：对于同时具有定位/感知和通信需求的无线探测系统，若利用同一个发射信号波形实现系统功能，能够有效提升频谱资源利用效率，并避免功能分离系统之间的电磁干扰。本课题基于脉冲超宽带、正交频分复用和正交时频空三种典型波形进行了一体化方案设计和实验验证，可以在频谱效率、系统容量等方面获得明显的提升。..本课题严格按照研究计划执行，达到了预期研究目标。在成果产出方面，共发表论文31篇，获得发明专利授权2项，培养学生19人。目前正与企业、研究所开展后续产业化工作。