CN102547906A - 一种基于虚拟mimo的无线传感网节点协作方法 - Google Patents

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龙承志
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虞贵财
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Abstract

一种基于虚拟MIMO的无线传感网节点协作方法，通过传感网中的sink节点选择好每个簇的簇头及协作节点，将采集信息传送给簇头，再通过簇头到sink节点的距离和阈值的比较，选择直接传送或是通过虚拟MIMO方式传送的方法。此方法中大部分的簇头及协作节点选择工作，放于能量无限供应的sink节点上。远距离传输，采用虚拟MIMO的方式，大大减少节点的功率消耗。由此可以达到均衡节点能耗，减小发送功率，延长传感网络生命周期的目的。

Description

一种基于虚拟MIMO的无线传感网节点协作方法
技术领域
 本发明涉及一种传感器网络节点协作方法，尤其是一种基于虚拟MIMO的无线传感网节点协作方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在监测区域内大量低成本且具有传感、数据处理和无线通信能力的传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)以及任务管理用户通过自组织方式形成的网络。协作通信传感器网络中，协作处理的根本目的在于协调多个传感器节点之间的行为，使其保持协同完成功能目标。为了充分发挥传感器网络的监测能力，必须协作网络中众多资源有限的传感器节点，以有效解决监控区域内数据的采集、处理、传输及展示问题。另外，协作处理相对于集中处理具有提高系统鲁棒性以及改善网络性能等显著优势。协作通信是受了 MIMO（多输入多输出）技术的启发而提出的，是利用多用户之间相互合作的关系，对MIMO技术做了一些延伸和改造，通常被认为是一种虚拟MIMO系统。
MIMO拥有有效抑制多径衰落、提高系统容量、提高频率利用率等优点。将MIMO的通信模式引入到无线传感器网络，可以有效利用随机衰落和可能存在的多径传播，提高通信系统容量和频谱利用率。在相同的传输功率以及误码率性能要求下，MIMO系统对于SISO（单输入单输出）系统来说，能支持更高的数据传输率。在将MIMO的思想融入无线传感器网络时，需要考虑到在体积小，能量有限的无线传感器节点上安装多天线是难以实现的。因此可以通过无线传感器网络中的节点间相互协作，把协作节点当做天线，构成一个虚拟的天线阵，通过这个虚拟天线阵来发送接收信号。
将MIMO技术的思想融入无线传感器网络的研究最早始于2004年，到目前为此已有大量研究，国外的研究有比较大的进展，而国内方面并未取得突破性的进展。此类研究主要集中在两方面：一是运用虚拟MIMO的无线传感器网络的能耗及系统容量的研究；二是针对无线传感器网络的协作传输策略的设计。以往的研究虚拟MIMO在无线传感器网络中的应用模型往往过于理想化。并没有考虑更多实际因素，许多理论只停留在理论研究阶段，离实际的应用还有不少距离。现在许多研究对适应虚拟MIMO无线传感器网络的拓扑结构以及协作节点选择策略并未考虑周全，致使节点能耗不能均衡，导致某些节点由于过早耗尽能量而失去作用，缩短无线传感网络生命周期。所以，如何解决这样的问题，延长网络生命周期是必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有的协作方式提供一种均衡节点能耗，延长无线传感网络生命周期的一种基于虚拟MIMO的无线传感网节点协作方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：通过传感网中的sink节点选择好每个簇的簇头及协作节点，将采集信息传送给簇头，再通过簇头到sink节点的距离和阈值的比较，选择直接传送或是通过虚拟MIMO方式传送的方法，以达到均衡节点能耗，减小发送功率，延长传感网络生命周期的目的。
本发明的具体内容为：在正方形的无线传感器网络分布区域中，随机分布N个无线传感节点。所有节点将自身信息（位置，剩余能量等）发送到sink节点，sink节点通过SEP算法对节点进行分簇，并选择出簇头。再在簇内选择距簇头近，且剩余能量高的节点作为协作节点。确定好簇的结构后，将信息广播，让所有节点明确自己的分工。分簇完成后，节点采集到信息，将信息传送给簇头，簇头通过判断与sink节点的距离，选择直接传送或虚拟MIMO方式传送。进而均衡节点能耗，延长网络生命周期。
本发明的方法步骤如下：（1）传感网中各节点将自身信息（位置，剩余能量等）报告给sink节点。（2）sink节点通过SEP算法，给各节点划分簇，选定簇头。（3）簇划分完成后，sink节点再通过与簇头的距离及自身剩余能量，在簇内选择好两个协作节点。（4）sink节点将所有节点信息广播出去，让各节点确定各自分工，明确自身为普通节点，协作节点还是簇头。（5）节点采集到信息后，将信息向簇头转发。（6）簇头判断与sink节点的距离，若小于阈值，则将信息直接传送给sink节点。若大于，则编码后转发给协作节点，让其使用虚拟MIMO的方式进行传输。（7）sink节点接收信息后，判断是该接收信息是未编码信息还是编码信息，若为编码信息，则解码后保存。
步骤（1）具体为传感网络中各节点将自身信息，包括编号，位置，剩余能量等，通过直接发送的方式报告给sink节点，由于这一部分信息量较少，故消耗功率较少。
步骤（2）（3）具体为sink节点通过SEP算法，即节点轮流当选簇头，且考虑节点的剩余能量，剩余能量高的有较大可能性成为簇头的方式，对所有节点进行分簇。选定簇头以及簇内成员。从簇内成员中，依据与簇头的距离及自身剩余能量，选出协作节点。
步骤（4）具体为sink节点将所有节点信息广播出去，即每个节点现在的分工，使其明白自身为普通节点，协作节点还是簇头。由于供电方式的不同，sink节点能量可被看为无限，因此节点只消耗接收功率。
步骤（5）（6）具体为节点采集到信息后，将信息向簇头转发。簇头判断与sink节点的距离，若小于阈值，则将信息直接传送给sink节点。若大于，则编码后转发给协作节点，让其使用虚拟MIMO的方式进行传输。这个阈值是根据能量消耗模型的距离门限设定的。
步骤（7）具体为sink节点接收信息后，判断是该接收信息是未编码信息还是编码信息，若为编码信息，则解码后保存。
本发明中大部分的簇头及协作节点选择工作，采用虚拟MIMO的方式，大大减少节点的功率消耗。由此可以达到均衡节点能耗，减小发送功率，延长传感网络生命周期的目的。
附图说明
图1为本发明无线传感网络簇与sink节点关系图；
图2 为本发明无线传感网络簇内成员分布图。
具体实施方式
1. 如图1、图2所示，传感网中各节点将自身信息（位置，剩余能量等）报告给sink节点1，sink节点1通过SEP算法，给各节点划分簇，选定簇头2。SEP算法的前提是无线传感网络中有两类不同初始能量的节点，高级节点3和普通节点4。其中高级节点3的初始能量为                                               ，普通节点4的初始能量为
Figure 201110445432X100002DEST_PATH_IMAGE004
，为高级节点与普通节点的初始能量的比值。其中，根据它们的初始能量不同，对这两类节点当选簇头的概率设置不同的加权值，最后得出的概率为：
高级节点： 
Figure 201110445432X100002DEST_PATH_IMAGE008
普通节点： 
Figure 201110445432X100002DEST_PATH_IMAGE010
其中
Figure 201110445432X100002DEST_PATH_IMAGE014
为高级节点所占比例，
Figure 201110445432X100002DEST_PATH_IMAGE016
为节点最优簇头选择概率。
2. 选定好簇头后，根据簇内节点j与簇头的距离和剩余能量，得出其当选协作节点的概率为：
Figure 201110445432X100002DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 201110445432X100002DEST_PATH_IMAGE020
为节点j的剩余能量，
Figure 201110445432X100002DEST_PATH_IMAGE022
为节点j到簇头的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为起始时的总能量，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为簇内节点距簇首最远的距离。
3. sink节点分好簇，选定簇头及协作节点后，将所有节点信息广播出去，让各节点确定各自分工，明确自身为普通节点，协作节点还是簇头。
4. 节点采集到信息后，将信息向簇头转发。簇头判断与sink节点的距离，若小于阈值，则将信息直接传送给sink节点。若大于该阈值，则编码后转发给协作节点，让其使用虚拟MIMO的方式进行传输。这个阈值是根据能量消耗模型的距离门限设定的。
当传输
Figure DEST_PATH_IMAGE028
比特信息，能量消耗模型为
Figure DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为发送或者接受消息时的电路能耗，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为无线通信距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为距离门限，当传输距离小于该门限时采用自由空间模型，若大于则采用多径衰落信道模型，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为自由空间模型的衰落系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为多径衰落信道模型的衰落系数。假设
Figure DEST_PATH_IMAGE042
。
5. 簇头编码采用Alamouti编码方式，sink节点解码采用最大似然比解码。
与现有技术相比，本发明的优点在于：大部分的簇头及协作节点选择工作，放于能量无限供应的sink节点上。远距离传输，采用虚拟MIMO的方式，大大减少节点的功率消耗。由此可以达到均衡节点能耗，减小发送功率，延长传感网络生命周期的目的。

Claims (6)

1. 一种基于虚拟MIMO的无线传感网节点协作方法，其特征及方法步骤为：
（1）传感网中各节点将自身信息（位置，剩余能量等）报告给sink节点；
（2）sink节点通过SEP算法，给各节点划分簇，选定簇头；
（3）簇划分完成后，sink节点再通过与簇头的距离及自身剩余能量，在簇内选择好两个协作节点；
（4）sink节点将所有节点信息广播出去，让各节点确定各自分工，明确自身为普通节点，协作节点还是簇头；
（5）节点采集到信息后，将信息向簇头转发；
（6）簇头判断与sink节点的距离，若小于阈值，则将信息直接传送给sink节点，若大于，则编码后转发给协作节点，让其使用虚拟MIMO的方式进行传输；
（7）sink节点接收信息后，判断是该接收信息是未编码信息还是编码信息，若为编码信息，则解码后保存。
2. 根据权利要求1所述一种基于虚拟MIMO的无线传感网节点协作方法，其特征在于：步骤（1）具体为传感网络中各节点将自身信息，包括编号，位置，剩余能量等，通过直接发送的方式报告给sink节点，由于这一部分信息量较少，故消耗功率较少。
3. 根据权利要求1所述一种基于虚拟MIMO的无线传感网节点协作方法，其特征在于：步骤（2）（3）具体为sink节点通过SEP算法，即节点轮流当选簇头，且考虑节点的剩余能量，剩余能量高的有较大可能性成为簇头的方式，对所有节点进行分簇，选定簇头以及簇内成员，从簇内成员中，依据与簇头的距离及自身剩余能量，选出协作节点。
4. 根据权利要求1所述一种基于虚拟MIMO的无线传感网节点协作方法，其特征在于：步骤（4）具体为sink节点将所有节点信息广播出去，即每个节点现在的分工，使其明白自身为普通节点，协作节点还是簇头，sink节点能量可被看为无限，因此节点只消耗接收功率。
5. 根据权利要求1所述一种基于虚拟MIMO的无线传感网节点协作方法，其特征在于：步骤（5）（6）具体为节点采集到信息后，将信息向簇头转发，簇头判断与sink节点的距离，若小于阈值，则将信息直接传送给sink节点，若大于阈值，则编码后转发给协作节点，让其使用虚拟MIMO的方式进行传输，这个阈值是根据能量消耗模型的距离门限设定的。
6. 根据权利要求1所述一种基于虚拟MIMO的无线传感网节点协作方法，其特征在于：步骤（7）具体为sink节点接收信息后，判断是该接收信息是未编码信息还是编码信息，若为编码信息，则解码后保存。
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