CN102013957A

CN102013957A - 一种基于分簇无线传感器网络的传输方法

Info

Publication number: CN102013957A
Application number: CN2010105656396A
Authority: CN
Inventors: 丁杰; 刘丹谱; 尹长川; 郝建军; 罗涛; 李剑峰; 乐光新
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2011-04-13

Abstract

一种基于分簇无线传感器网络的传输方法，本发明实施例的技术方案，首先，无线传感器网络节点自组织形成簇，其中每个簇由簇头节点和簇成员节点组成；其次，簇头节点对接收到的所述簇成员节点发送的数据进行融合；再次，基站根据所述簇头节点的位置信息将相邻的簇头节点分成一组；最后，每组中的簇头节点对所述融合后的数据进行空时编码后采用MIMO的方式传输给基站。本发明实施例采用的技术方案可以有效的减少簇头节点的能耗，延长无线传感器网络的寿命。

Description

一种基于分簇无线传感器网络的传输方法

技术领域

本发明实施例属于无线传感器网络技术领域，特别涉及一种基于分簇无线传感器网络的传输方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量的低成本和低能耗的节点组成的，集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术与一体的网络信息系统，它能实现传感、计算和通信等功能。在无线传感器网络的很多应用中，电池更换是很困难的，因此能量有效性是设计无线传感网络重要的考虑因素之一。

在无线传感器网络节点大规模布设的情况下，为了节省能量消耗，通常的方法是让无线传感器网络节点周期性地自组织形成簇，每个簇由一个簇头节点和位置相近的簇成员节点组成。簇头节点负责簇的组织，收集簇成员节点的数据，进行数据融合并把融合后的数据发送到数据收集基站。然而，对于基站距离传感器监测区域较远的情况，由于传统的分簇协议仅使用单个簇头节点向基站传输，簇头的能量会被快速消耗。

发明内容

本发明提供了一种基于分簇无线传感器网络的传输方法及系统，通过MIMO进行远距离传输，可以有效的减少簇头节点的能耗，延长无线传感器网络的寿命。

本发明提供的一种基于分簇无线传感器网络的传输方法，包括：

无线传感器网络节点自组织形成簇，其中每个簇由簇头节点和簇成员节点组成；

所述簇头节点对接收到的所述簇成员节点发送的数据进行融合；

基站根据所述簇头节点的位置信息将相邻的簇头节点分成一组；

每组中的簇头节点对所述融合后的数据进行空时编码后采用MIMO的方式传输给基站。

本发明通过分簇无线传感器网络中簇头节点的位置信息将簇头节点分成一组，并且每组中的簇头节点将融合后的数据进行空时编码后采用MIMO的方式进行传输的技术方案，可以有效的减少簇头节点的能耗，延长无线传感器网络的寿命。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于分簇无线传感器网络的传输方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于分簇无线传感器网络的传输方法中三个阶段与时间对应的示意图，其中

表示一帧；

图3是本发明实施例提供的一种基于分簇无线传感器网络的传输方法中无线传感器网络中自组织形成的簇的示意图，其中“○”表示簇成员节点，“●”表示簇头节点，“---”表示自组成形成的簇；

图4是本发明实施例提供的一种基于分簇无线传感器网络的传输方法中将簇头节点分成两组的示意图，其中“○”表示簇成员节点，“●”表示簇头节点，“---”表示自组成形成的簇，三个簇头节点相连即分成一组；

图5是本发明实施例提供的一种基于分簇无线传感器网络的传输方法中第一分组内簇头节点采用STBC编码方式同时将数据发送给基站进行MIMO传输的示意图，其中“○”表示簇成员节点，“●”表示簇头节点，“---”表示自组成形成的簇，三个簇头节点相连即分成一组，

表示基站，“-------------”表示虚拟传输线。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种适用于分簇无线传感器网络的虚拟MIMO传输方案的系统，可以包括簇成员节点(即为普通的传感器节点)、簇头节点和基站。其具体的传输方案可以为：簇成员节点和簇头节点形成簇，相邻的簇头节点形成虚拟MIMO传输单元，基站的天线数目与每个虚拟MIMO传输单元内的簇头数目相等。该方案周期性地运行，在每个周期的开始，传感器节点自发地形成簇，每个簇有一个簇头节点负责本簇的组织与数据融合；每个簇成员节点把收集到的数据发送给簇头进行数据融合，去除冗余的数据。然后等待基站的数据请求广播消息，当簇头收到请求消息后回应基站一个消息，基站通过这个回应消息对簇头进行分组和安排调度。在特定的时间，虚拟MIMO传输单元的簇头对数据进行空时编码并通过MIMO传输方式把数据传输给基站。

本发明实施例提供了一种基于分簇无线传感器网络的传输方法，是周期性运行的方法，每个周期具体可以分为如图2所示的三个阶段，即簇建立(步骤11)、稳定的簇内数据传输(步骤12)以及协作MIMO传输(步骤13和14)三个阶段，具体如图1所示，仅以一个周期为例进行说明，包括：

步骤11、无线传感器网络节点自组织形成簇，其中每个簇由簇头节点和簇成员节点组成，具体无线传感器网络中自组织形成的簇的示意图如图3所示

进一步可以包括：

步骤111、无线传感器网络节点根据最优分簇个数与无线传感器网络中节点总数的比值确定自身是否成为簇头节点，确定后的簇头节点发布广播消息给其它节点，所述最优分簇个数为基站配置的协作天线的数目。

具体地，例如：若最优分簇个数与无线传感器网络中节点总数的比值为2/10，则根据每个无线传感器网络节点产生的随机数，确定自身是否成为簇头节点，一般情况下若产生的随机数小于等于所述比值0.2，则确定自身是簇头节点，若大于0.2则不能成为簇头节点。

步骤112、其它节点接收到所述广播消息后，选择给所述广播消息信号强度最高的簇头节点发送请求加入消息。

步骤113、簇头节点接收到所述请求加入消息后，确定发送所述请求加入消息的其它节点为簇成员节点，并对所述簇成员节点的传输时间进行安排，将安排后的传输时间表发送给所述簇成员节点。

基于上述步骤111至步骤113即完成了自组织形成簇的过程，此过程是一个周期的开始，每个周期都要先进行上述步骤。

步骤12、簇头节点对接收到的所述簇成员节点发送的数据进行融合。

进一步可以包括：

步骤121、簇成员节点接收簇头节点发送的安排后的传输时间表，并根据传输时间表中安排给自身的时隙发送数据给簇头节点；例如，若传输时间表如下表1：

第1时隙	簇成员节点A
		第2时隙	簇成员节点B
第3时隙	簇成员节点C

则簇成员节点A在第1时隙发送数据给簇头节点，簇成员节点B在第2时隙发送数据给簇头节点，簇头节点C在第3时隙发送数据给簇头节点。

步骤122、簇头节点接收簇成员节点发送的数据后进行数据融合；具体融合的过程与低能量自适应成簇体系协议(LEACH)的融合方式相同，若假定完全融合，则最终融合后的数据量与每个簇节点发送的数据量是相等的。

步骤13、基站根据所述簇头节点的位置信息将相邻的簇头节点分成一组。

进一步可以包括：

步骤131、基站发送数据请求广播消息给无线传感器网络中的每个簇头节点；

步骤132、簇头节点接收到所述数据请求广播消息后，发送应答消息给所述基站，所述应答消息包括簇头节点的身份标识号码ID、位置信息和数据准备状况的指示信息；

步骤133、基站根据所述应答消息中的位置信息将簇头节点分成不同的组，并对每一组中的簇头节点建立一个时分多址(TDMA)调度表，把所述分组信息和所述TDMA调度表发送给组内的簇头节点，具体将簇头节点分成两组的示意图如图4所示。例如，若传输时间表如下表2：

第1时隙	第一分组(包括簇头节点A和B)
		第2时隙	第二分组(包括簇头节点C和D)
第3时隙	第三分组(包括簇头节点E和F)

则第一分组中的簇头节点在第1时隙发送数据给基站，第二分组中的簇头节点在第2时隙发送数据给基站，第三分组中的簇头节点第3时隙发送数据给基站。

步骤14、每组中的簇头节点对所述融合后的数据进行空时编码后采用MIMO的方式传输给基站，具体可以包括空时块编码(STBC，Space Time Block Coding)和空间贝尔空时分层(V-BLAST)编码两种空时编码的方式。

进一步采用STBC编码方式的MIMO传输过程可以包括：

步骤141、根据接收到的所述分组信息每一组中的簇头节点形成一个虚拟天线阵，每个虚拟天线阵内的簇头节点将融合后的数据发送给同一虚拟天线阵内的其它簇头节点；

步骤142、当虚拟天线阵内的每个簇头节点都接收到其它簇头节点发送来的融合后的数据，所述虚拟天线阵按照STBC的编码方式对其含有的每个簇头节点融合后的数据进行分布式编码，并按照接收到的所述TDMA调度表，在安排给自身的时隙内采用MIMO的方式发送所述虚拟天线阵内簇头编码后的数据给基站，具体如图5所示。

具体地，每个簇头节点都得到其它簇头节点融合后的数据，从而对每个簇头分别进行编码，即编码是分布式的。

进一步采用V-BLAST编码方式的MIMO传输过程可以包括：

步骤143、根据接收到的所述分组信息每一组中的簇头节点形成一个虚拟天线阵，所述虚拟天线阵按照接收到的所述TDMA调度表，在安排给自身的时隙内所述虚拟天线阵内的所有簇头节点同时将数据发送给基站，从而构成V-BLAST的MIMO传输。

上述采用STBC编码方式的进行MIMO传输的过程，由于虚拟MIMO传输单元内的簇头间需要交换数据以进行联合编码，因而会消耗一部分能量，但考虑到STBC编码方式可获得发射分集增益，因此，本实施例中采用STBC编码方式的MIMO传输技术方案更适合于基站较远的情形，一般适合于传输距离超过260米的情形。采用V-BLAST编码方式的MIMO传输技术方案，虽然不需要进行簇头间的数据交换，但考虑到V-BLAST编码方式只有接收分集增益，长距离传输不如基于STBC编码方式的方案节能，因此当基站距离传感器监测区域距离较近时，本实施例中采用V-BLAST编码方式的MIMO传输技术方案更合适，一般适合于传输距离不超过260米的情形。

下面以一个典型的无线传感器网络系统为例，来说明本发明实施例所述的传输方案应用于分簇无线传感器网络的有效性。假设在一个200m×200m的区域内随机布设400个传感器节点，每个节点具有初始能量为500J。基站配置有8根接收天线以便和虚拟MIMO传输单元进行多天线的MIMO传输。

仿真系统中的其它参数为：节点的工作频率为2.5GHz，传输带宽为10kHz，调制方式为BPSK，链路补偿系数为40dB，接收机噪声系数为10dB，接收天线和发射天线增益均为5dB，天线高度为1m，噪声方差为-174dBm/Hz，接收电路功率消耗为98.2mW，发射电路功率消耗为112.6mW，每比特数据融合能量消耗为50nJ，每个数据帧长度为4000bits，系统误码率为10^-3。

首先，当基站放置在距离传感器监测区域中心220m的位置，仿真结果表明，本发明提供的采用V-BLAST编码方式进行的MIMO传输方案与采用STBC编码方式进行的MIMO传输方案相比，能有效延长网络寿命平均100个周期，采用V-BLAST编码方式进行的MIMO传输方案与传统单簇头长距离传输方案相比也能延长网络寿命平均100个周期，此时，基于STBC空时编码的MIMO传输方案和传统单簇头传输方案的网络寿命相近。

其次，当基站放置在距离传感器监测区域中心600m的位置，仿真结果表明，本发明提供的采用STBC编码方式进行的MIMO传输方案的网络寿命是采用V-BLAST编码方式进行的MIMO传输方案的网络寿命的5倍，采用STBC编码方式进行的MIMO传输方案是传统单簇头长距离传输方案的网络寿命的8倍。

综上仿真结果表明，当基站离传感器监测区域相对较近时，本发明的采用V-BLAST编码方式进行的MIMO传输方案可以有效地节省簇头的传输能量，从而达到延长无线传感器网络寿命的目的；当基站离传感器监测区域相对较远时，本发明的采用STBC编码方式进行的MIMO传输方案可以极大地节省簇头的传输能量，从而达到延长无线传感器网络寿命的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种基于分簇无线传感器网络的传输方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线传感器网络节点自组织形成簇，包括：

无线传感器网络节点根据最优分簇个数与无线传感器网络中节点总数的比值确定自身是否成为簇头节点，确定后的簇头节点发布广播消息给其它节点，所述最优分簇个数为基站配置的协作天线的数目。

其它节点发送请求加入消息给接收到所述广播消息信号强度最高的簇头节点；

簇头节点接收到所述请求加入消息后确定所述其它节点为簇成员节点，并对所述簇成员节点的传输时间进行安排，将安排后的传输时间表发送给所述簇成员节点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述簇头节点对接收到的所述簇成员节点发送的数据进行融合，包括：

簇成员节点根据收到的所述传输时间表，用传输时间表中安排给自身的时隙发送数据给簇头节点；

簇头节点接收簇成员节点发送的数据后进行数据融合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站根据所述簇头节点的位置信息将相邻的簇头节点分成一组，包括：

基站发送数据请求广播消息给簇头节点；

簇头节点接收到所述数据请求广播消息后，发送应答消息给所述基站，所述应答消息包括簇头节点的身份标识号码ID、位置信息和数据准备状况的指示信息；

基站根据所述应答消息中的位置信息将簇头节点分成不同的组，并对每一组中的簇头节点建立一个时分多址TDMA调度表，把所述分组信息和所述TDMA调度表发送给组内的簇头节点。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述空时编码包括空时块编码STBC和空间贝尔空时分层V-BLAST编码，具体所述每组中的簇头对所述融合后的数据进行空时编码后采用MIMO的方式传输给基站包括：

根据接收到的所述分组信息每一组中的簇头节点形成一个虚拟天线阵，每个虚拟天线阵内的簇头节点将融合后的数据发送给同一虚拟天线阵内的其它簇头节点；当虚拟天线阵内的每个簇头节点都接收到其它簇头节点发送来的融合后的数据，所述虚拟天线阵按照STBC的编码方式对其含有的每个簇头节点融合后的数据进行分布式编码，并按照接收到的所述TDMA调度表，在安排给自身的时隙内采用MIMO的方式发送所述虚拟天线阵内簇头编码后的数据给基站；

或者，

根据接收到的所述分组信息每一组中的簇头节点形成一个虚拟天线阵，所述虚拟天线阵按照接收到的所述TDMA调度表，在安排给自身的时隙内所述虚拟天线阵内的所有簇头节点同时将数据发送给基站，从而构成V-BLAST的MIMO传输。