CN108882195A - 无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信领域，公开了一种无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法。目的节点在传感器节点分布区域移动，依次接近各节点，被接近的节点传输数据；目的节点移动遍历两遍，传感器节点之间形成两种不同协作关系，每个节点的数据最多被其它两节点协作转发，降低节点复杂度；传感器节点在两轮收集时分别传输信息数据和校验数据，校验数据的生成基于节点协作关系，从而构成高效分布式低密度奇偶校验码，获得编码与分集增益；目的节点基于协作关系将收集数据进行迭代译码，获得收集数据。本发明方法可降低传感器节点的能量消耗，具有较低处理复杂度，适用于无线传感器网络，也可应用于无人机或飞艇的移动数据收集。

Description

无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种应用于包含移动目的节点的无线传感器网络协作数据收集方法。具体讲，涉及采用移动目的节点的基于分布式低密度奇偶校验码的多节点协作数据收集方法。

背景技术

随着无线传感器网络的迅速发展，各领域对无线传感器网络的需求不断增加，对通信系统的传输速率、传输可靠性等提出了更高的要求。在传统的无线传感器网络中，许多静态节点被随机部署，传感器节点的数据通常利用多跳的方式将数据发送至目的节点。但是，这种传输方式带来了一系列问题：一方面，由于传感器节点采用多跳的方式进行数据传输，靠近接收端的节点需要转发更多的数据，消耗更多的能量，导致不同传感器节点能量的消耗不均匀，从而降低无线传感器网络的生命周期；另一方面，多跳传输的数据速率随着跳数的增加而减少，对通信系统的传输速率会产生影响。

研究表明，采用移动目的节点可以克服上述问题。一方面，引入移动目的节点可以克服传感器节点由于多跳传输造成的能量消耗不均的问题；另一方面，移动目的节点有效的避免了由于跳数增加导致的传输速率下降的问题。在无线传感器网络中，无线通信模块的数据发送和接收将消耗无线传感器网络的大部分能量，因此设计高效的数据收集和传输方法可以进一步降低传感器节点的能量消耗，延长无线传感器网络的生命周期，满足新一代无线网络不断发展的需求。

在无线网络中采用协作通信技术可以实现分集，有效对抗无线衰落，降低数据传输过程中的能量消耗。在协作网络中，可以采用不同的中继协议将协作节点接收的数据转发到目的节点。常用的中继协议主要包括放大转发(AF)、解码转发(DF)和编码协作(CC)协议。具体而言，在AF协议中，中继节点在放大信号的同时也会放大噪声；对于经典的DF协议，中继节点对接收的信号进行解调恢复之后通常再重复转发，而且若没有检错机制，中继的解调错误会导致数据的错误传播；对于编码协作技术，在传统解码转发的基础上，将信道编码方案与协作通信技术实现高效结合，各协作节点的编码传输方案可以联合优化设计，可以同时获得编码增益和分集增益，从而大大提高无线通信网络的性能。目前，基于低密度奇偶校验(LDPC)码、Turbo码以及网络编码等设计了多种不同的编码协作方案，验证了编码协作方案的性能。

在无线传感器网络的数据收集过程中，可以将编码协作与目的节点的移动相结合，有望进一步提高无线传感器网络的性能。但是，对于包含多个协作节点的编码协作方案，每个节点通常需要多个协作伙伴，从而获得更好的性能。然而，由于无线传感器节点的能量和处理能力有限，复杂的协作关系在无线传感器网络中通常难以实现，需要设计合适的协作方法。此外，在协作节点的选择和协作关系的设计时也要充分考虑节点之间无线链路的不可靠性对系统的影响。

针对以上问题，本发明提出了一种无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法。该方法具有以下特点：首先，在进行数据收集时，目的节点在传感器节点的分布区域内移动遍历节点两遍，可以提高分集增益；其次，每个节点的数据最多被其它两个节点协作转发，同时每个节点最多协助两个其它节点进行数据传输，这种稀疏的协作关系降低了传感器节点的复杂度；最后，采用高效的分布式低密度奇偶校验码，分布式编码可以同时获得编码增益和分集增益，并降低节点复杂度。该方法适用于无线传感器网络，也可用于无人机或飞艇的移动数据收集。

发明内容

本发明提供了一种无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法，本发明克服了传统无线传感器网络中数据收集算法的不足，降低传感器节点的能量消耗且具有较低的复杂度，详见下文描述：

整体而言，第一，目的节点D在传感器节点的分布区域内移动，依次接近所有被收集数据的传感器节点，当接近某一节点时，该节点传输数据；

第二，目的节点D在传感器节点的分布区域内移动遍历传感器节点两遍，传感器节点之间形成两种不同的协作关系链，为降低节点复杂度，每个传感器节点的数据最多被其它两个邻居传感器节点协作转发，同时每个节点最多协助其它两个节点进行数据传输；

第三，在两轮遍历过程中，传感器节点向目的节点D传输不同数据，其中在第一轮传输信息数据，在第二轮传输校验数据，其中校验数据的生成基于两轮的协作关系，从而构成高效的分布式低密度奇偶校验码，获得编码增益与分集增益；

第四，基于两轮的协作关系，目的节点D将两轮遍历过程中收集的数据进行软输入软输出的迭代译码，从而获得传感器节点的数据。

具体而言，自传感器节点S₁开始，该协作数据收集方法分为以下步骤：

步骤1目的节点D在传感器节点的分布区域内移动，进行第一轮信息数据收集，当接近节点S_i时，该节点将自己的信息数据m_i向目的节点D和周围的邻居传感器节点进行广播；

目的节点D和传感器节点S_i在步骤1具体执行如下操作：

步骤1.1目的节点D在传感器节点分布区域内移动，当接近某一传感器节点S_i时，目的节点D通知该节点准备传输信息数据帧；

步骤1.2传感器节点S_i收到目的节点D的指令，将待传输的数据划分成包含l个比特的信息序列，并添加CRC校验，构成数据帧m_i；

步骤1.3传感器节点S_i对数据帧m_i进行调制后广播至目的节点D和周围邻居传感器节点。

步骤2目的节点D和传感器节点S_i的邻居传感器节点接收来自传感器节点S_i广播的信息数据，邻居传感器节点将解调结果进行循环冗余校验(CRC)后汇报给目的节点D，可以正确接收来自传感器节点S_i数据帧的邻居传感器节点构成节点集合R₁(S_i)；

目的节点D和传感器节点S_i的邻居传感器节点在步骤2具体执行如下操作：

步骤2.1传感器节点S_i的邻居传感器节点监听S_i，接收并解调节点S_i广播的信息数据帧；

步骤2.2每个邻居传感器节点将解调的判决结果进行CRC校验，若接收正确，则设定校验结果标志位否则并将校验结果标志位发送至目的节点D；

步骤2.3目的节点D接收传感器节点S_i的邻居传感器节点发送的校验结果标志位，所有校验结果正确的邻居传感器节点构成节点集合R₁(S_i)。

步骤3目的节点D检查在第一轮数据收集是否遍历完所有节点，如果i＜N，则继续进行第一轮数据收集，即目的节点D从节点集合R₁(S_i)中选择一个节点作为下一个待发射数据的传感器节点，并令i＝i+1，同时向该节点S_i+1移动，重复执行步骤1、步骤2和步骤3；否则遍历完成，即第一轮数据收集结束，至此第一轮数据收集过程中形成一条协作关系链，直接执行步骤4；

如果目的节点D第一轮信息数据收集没有遍历完所有节点，目的节点D和选中的下一个待传输数据的传感器节点S_i+1在步骤3具体执行如下操作：

步骤3.1目的节点D在节点集合R₁(S_i)中选择一个传感器节点作为节点S_i+1，该节点将协助传感器节点S_i传输数据，并通知节点S_i+1将第一轮正确接收的来自节点S_i的数据进行存储，通知集合R₁(S_i)中的其它节点将第一轮收集中来自节点S_i的信息数据丢弃；

步骤3.2传感器节点S_i+1收到目的节点D的指令，将正确接收的来自节点S_i的数据进行存储，并准备作为下一个节点发送数据。

步骤4目的节点D在传感器节点的分布区域内移动，进行第二轮校验数据收集，当接近节点S_j，1≤j≤N时，该节点基于两轮协作关系将编码后的校验数据p_j向目的节点D和周围的邻居传感器节点进行广播；

目的节点D和传感器节点S_j在步骤4具体执行如下操作：

步骤4.1目的节点D在传感器节点分布区域内移动，当接近传感器节点S_j时，通知该节点进行数据传输；

步骤4.2传感器节点S_j将自己的信息数据帧m_j、第一轮中存储的来自节点S_i的信息数据帧m_i以及第二轮中接收的另一节点S_k的校验数据p_k进行联合编码，生成奇偶校验数据p_j；

传感器节点S_j的具体编码方式如下：

为降低节点的复杂度，该稀疏协作方法中每个节点最多协助两个节点进行数据传输，假设传感器节点S_j在第一轮和第二轮数据传输时，分别协助节点S_i和S_k进行数据传输，并且为了保证分布式LDPC码的性能设定i≠k，传感器节点S_j的校验数据p_j生成方式如下：

其中矩阵均表示k×k阶的随机置换单位矩阵，矩阵表示信息数据采用的随机置换单位矩阵，表示校验数据采用的随机置换单位矩阵；T表示矩阵转置；

该方法中，对于一些特殊节点，例如两轮数据收集的起始节点，它们在两轮协作关系链中可能只协助一个节点进行数据传输，具体编码方式分为以下两种情况：

(a)若传感器节点S_j仅在第一轮协作关系链中协助一个节点传输数据，例如第二轮数据收集的起始节点，假设该节点仅在第一轮协作关系链中协助节点S_i进行数据传输，则传感器节点S_j根据公式

进行编码，形成校验数据p_j；

(b)若传感器节点S_j仅在第二轮协作关系链中协助一个节点传输数据，例如第一轮数据收集的起始节点，假设该节点仅在第二轮协作关系链中协助节点S_k进行数据传输，则传感器节点S_j根据公式

进行编码，形成校验数据p_j；

步骤4.3传感器节点S_j将编码后的校验数据帧p_j添加CRC校验，并广播至目的节点D和周围邻居传感器节点。

步骤5目的节点D和邻居传感器节点接收节点S_j广播的校验数据，邻居传感器节点将CRC解调结果汇报给目的节点D，正确接收的节点构成节点集合R₂(S_j)；

目的节点D和传感器节点S_j的邻居传感器节点在步骤5具体执行如下操作：

步骤5.1传感器节点S_j的邻居传感器节点监听S_j，接收并解调节点S_j广播的校验数据p_j，若解调后的数据CRC校验结果正确，则向目的节点D发送成功接收标志信息否则发送接收失败标志信息

步骤5.2目的节点D接收传感器节点S_j的邻居传感器节点发送的标志信息，所有CRC校验结果正确的邻居传感器节点构成节点集合R₂(S_j)。

步骤6目的节点D检查在第二轮数据收集是否遍历完所有节点，如果第二轮遍历收集没有结束，目的节点D则从集合R₂(S_j)中选择一个节点作为下一个发射节点，并向该节点移动，重复执行步骤4、步骤5和步骤6；否则，第二轮数据收集结束，形成一条新的协作关系链，直接执行步骤7；

如果目的节点D第二轮校验数据收集没有遍历完所有节点，目的节点D和被选中的下一发射节点在步骤6具体执行如下操作：

步骤6.1目的节点D在集合R₂(S_j)中选择一个节点协助节点S_j进行数据传输，并通知该节点将正确接收的数据进行存储，通知集合R₂(S_j)中的其它节点将第二轮收集中来自节点S_j的校验数据丢弃；

步骤6.2下一被选中的传感器节点接收目的节点D的指令，并将正确接收的来自节点S_j的数据进行存储，准备作为下一个节点进行数据传输。

步骤7目的节点D将第一轮收集的信息数据和第二轮收集的校验数据构成分布式LDPC码，并采用软输入软输出的迭代译码算法进行译码，实现基于移动目的节点的协作数据收集；

目的节点D在步骤7中具体执行如下操作：

步骤7.1目的节点D基于两轮协作关系构建分布式LDPC码的校验矩阵H，并采用软输入软输出的译码算法进行一次译码，译码结果为

步骤7.2若满足校验方程则译码成功，获得参与协作传输的N个传感器节点的数据；若不满足校验方程判断此时迭代计数是否达到预设的最大值，如果小于最大迭代次数，则将迭代计数加1，目的节点D重复执行步骤7.1，若已达到最大迭代次数，则译码失败。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、目的节点在传感器节点区域内沿着不同的轨迹移动遍历节点两遍，当依次靠近每个传感器节点时，该传感器节点将数据发送至目的节点，从而平衡不同节点间的能量消耗，延长无线传感器网络的生命周期，并同时获得分集增益。

2、传感器节点之间采用稀疏协作，即每个节点的数据最多被其它两个节点协作转发，同时最多协助两个其它节点进行数据传输，形成稀疏的协作关系，可降低传感器节点的处理复杂度，适合应用于无线传感器网络，也适用于基于无人机或飞艇的移动数据收集；

3、采用高效的分布式低密度奇偶校验码，可同时获得编码增益和分集增益，提高数据传输可靠性，分布式的编码传输方式可以降低传感器节点的编码复杂度。

附图说明

图1是无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集原理图；

图2是无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集流程图；

图3是无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集协作关系图，N＝14；

图4是无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集矩阵图，N＝14；

图5是无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集协作关系图，N＝8；

图6是本发明的方法和非协作数据收集的误比特率性能比较图。

具体实施方式

本发明针对无线传感器网络，设计了一种基于移动目的节点的协作数据收集方法。在该发明中，首先，目的节点在传感器节点的分布区域内移动，依次接近所有被收集数据的传感器节点，当接近某一节点时，该节点传输数据；其次，目的节点在传感器节点的分布区域内移动遍历节点两遍，传感器节点可以构成两种不同的协作关系链，在两轮遍历过程中，传感器节点向目的节点D传输不同数据，其中在第一轮传输信息数据，在第二轮传输校验数据，两轮数据传输可构成高效的分布式低密度奇偶校验码；最后，基于两轮协作关系的设计，目的节点将两轮遍历过程中收集的数据进行软输入软输出的迭代译码，从而获得各传感器节点发送的数据。

在本发明提出的基于移动目的节点的协作数据收集方法中，传感器节点之间通过协作的方式向目的节点传输数据。在本发明中，目的节点因具有较强的处理能力，还承担查询、控制等工作。该协作传输方式通过设计传感器节点的协作关系和目的节点的移动轨迹，适应网络动态变化。下面结合附图，对本发明提出的无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法的具体实施方式作进一步的说明。

图1是本发明提出的无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法的原理图。在如图1所示的无线传感器网络中，大量的静态传感器节点需要将所收集的数据传输给一个运动目的节点，目的节点可以与远处的基站进行通信。在数据收集过程中，目的节点在传感器节点的分布区域内移动，依次接近所有被收集数据的传感器节点，当靠近某一传感器节点时，该节点传输数据。

在该发明中，为了构建高效的分布式低密度奇偶校验码，提高数据收集的可靠性，目的节点在传感器节点区域内沿不同轨迹移动遍历节点两遍，基于目的节点的移动轨迹，传感器节点形成两条不同的协作关系链。目的节点将收集的数据进行软输入软输出迭代译码，从而获得各传感器节点的数据，目的节点可将收集的数据最后发送给基站。本发明针对目的节点如何收集各传感器节点的数据，设计了基于移动目的节点的协作数据收集方法。

图2是无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集流程图。具体包括以下步骤：

步骤201，目的节点D在传感器节点的分布区域内移动，进行第一轮信息数据收集，当接近某一传感器节点S_i，1≤i≤N时，该传感器节点S_i将待传输的数据划分成带有l个比特的信息序列，在信息序列后添加一定长度的循环冗余校验位，构成数据帧m_i，并将该数据帧广播至目的节点D和节点S_i的周围邻居传感器节点。

步骤202，目的节点D和传感器节点S_i的邻居传感器节点分别监听节点S_i，接收并解调节点S_i广播的信息数据帧，邻居传感器节点将解调判决结果进行校验，若接收正确，则设定校验结果标志位否则并将校验结果标志位发送至目的节点D。目的节点D接收传感器节点S_i的邻居传感器节点发送的校验结果标志位，所有发送校验结果标志位为1的邻居传感器节点构成节点集合R₁(S_i)。

步骤203，目的节点D检查在第一轮移动过程中是否遍历完所有传感器节点，若没有遍历完所有节点则执行步骤204；否则执行步骤205。

步骤204，目的节点D在集合R₁(S_i)中选择一个节点作为节点S_i在第一轮中形成的协作伙伴，该节点将协助传感器节点S_i进行数据传输。目的节点D通知该节点将第一轮正确接收的来自节点S_i的数据进行存储，并准备作为下一个节点S_i+1发送数据；而集合R₁(S_i)中的其它节点则将节点S_i的数据丢弃。同时，目的节点D向该节点移动，准备重复执行步骤201-204。

步骤205，目的节点D在传感器节点的分布区域内移动，进行第二轮校验数据收集，当接近传感器节点S_j时，该节点基于两轮协作关系将编码后的校验数据p_j向目的节点D和周围的邻居传感器节点进行广播。

传感器节点S_j的具体编码方式如下：

通常情况下每个传感器节点协助其它两个节点进行数据传输，假设传感器节点S_j在第一轮和第二轮数据传输时，分别协助节点S_i和S_k传输数据，并且为了保证分布式LDPC码的性能，假设i≠k。传感器节点S_j按照公式

进行编码，形成校验数据p_j，其中矩阵均表示k×k阶的随机置换单位矩阵，矩阵表示信息数据采用的随机置换单位矩阵，表示校验数据采用的随机置换单位矩阵；T表示矩阵转置。

该方法中，对于一些特殊节点，例如两轮数据收集的起始节点，它们在两轮协作关系链中可能只协助一个节点进行数据传输，具体编码方式分为以下两种情况：

(a)若传感器节点S_j仅在第一轮协作关系链中协助一个节点传输数据，例如第二轮数据收集的起始节点，假设该节点仅在第一轮协作关系链中协助节点S_i进行数据传输，则传感器节点S_j根据公式

进行编码，形成校验数据p_j；

(b)若传感器节点S_j仅在第二轮协作关系链中协助一个节点传输数据，例如第一轮数据收集的起始节点，假设该节点仅在第二轮协作关系链中协助节点S_k进行数据传输，则传感器节点S_j根据公式

进行编码，形成校验数据p_j；

步骤206，目的节点D和节点S_j的邻居传感器节点分别监听节点S_j，接收并解调节点S_j发送的数据。邻居传感器节点将解调数据的CRC校验结果发送至目的节点D，若译码正确，则发送译码成功标志信息否则发送译码失败标志信息目的节点D接收传感器节点S_j的邻居传感器节点发送的标志信息，将所有接收正确的邻居传感器节点构成节点集合R₂(S_j)。

步骤207，目的节点D检查第二轮数据收集是否遍历完所有传感器节点，如果没有遍历完，则执行步骤208，否则执行步骤209。

步骤208，目的节点D在集合R₂(S_j)中选择一个节点协助节点S_j进行数据传输，通知该节点将正确接收的数据进行存储，并准备作为下一个节点发送数据，集合中的其它节点将传感器节点S_j的校验数据丢弃，同时目的节点D向该节点移动，准备重复执行步骤205-208。

步骤209，目的节点D在第一轮收集的信息数据和第二轮收集的奇偶校验数据可构成分布式LDPC码，目的节点D基于两轮协作关系构建分布式LDPC码的校验矩阵H，并采用软输入软输出的译码算法进行一次译码，译码结果为若满足校验方程则译码成功；若不满足校验方程，判断此时迭代计数是否达到预设的最大值，如果小于迭代次数，则将迭代计数加1，目的节点D重新采用软输入软输出的方法进行译码和判决，若已达到最大迭代次数，则译码失败。

图3是无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集的协作关系图。图中填充节点表示需要将数据汇报给目的节点的传感器节点，该图共包含N＝14个这类传感器节点；未填充节点表示休眠节点，假设此时休眠节点不具有待传输的数据。如图3所示的协作关系图中，目的节点D在传感器节点分布区域内沿不同轨迹移动遍历节点两遍，进行两轮数据收集，其中第一轮收集信息数据，第二轮收集校验数据，两轮数据收集过程分别形成虚线和实线的协作关系。

关于图3中虚线所示的协作关系，表示在第一轮数据收集过程中传感器节点S_i+1可以正确接收来自节点S_i的信息数据，并且节点S_i+1已被目的节点D选定为节点S_i的协作伙伴，将协助节点S_i进行数据传输。例如，节点S₂可以正确接收节点S₁的信息数据，节点S₂被选为节点S₁的协作伙伴，将协助节点S₁进行信息传输。关于图3中实线所示的协作关系，以传感器节点S₈为例，表示节点S₈可以在第二轮遍历中正确接收节点S₁₄的校验数据，且节点S₈已被目的节点D选定为节点S₁₄的协作伙伴，协助节点S₁₄传输数据；同时，节点S₈发送的校验数据可以被节点S₆正确接收，节点S₆被目的节点D选定为节点S₈的协作伙伴，协助节点S₈传输数据。

图3所示的虚线和实线的协作关系决定了分布式LDPC码中各传感器节点S_j生成校验数据p_j的方式。具体而言，对于传感器节点S₈、S₆、S₅、S₄、S₃、S₂、S₁₀、S₁₁、S₉、S₇、S₁₃和S₁₂，图3所示的协作关系中每个节点在两轮数据收集中具有两个不同的协作伙伴，因此这些节点S_j按照公式

进行编码，形成校验数据p_j。对于图3中的第一轮数据收集的起始传感器节点S₁，仅在第二轮数据传输中协助节点S₉进行数据传输，即只有一个协作伙伴S₉，因此该节点S₁按照前述的特殊方式(b)进行编码，形成校验数据p₁；同理，对于第二轮数据收集的起始传感器节点S₁₄，仅协助单一节点S₁₃传输数据，采用前述的特殊方式(a)进行编码，不再赘述。由于传感器节点的编码方式基于两轮协作关系链，可通过传感器节点的伙伴选择算法优化协作关系提高协作数据收集的性能。

图4是无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集的矩阵图。图中矩阵和分别进一步表示目的节点进行第一轮和第二轮数据收集时传感器节点之间的协作关系，其中传感器节点之间通过协作的方式向目的节点传输数据，当矩阵中元素时，表示传感器节点S_j协助节点S_i传输数据；当矩阵中元素时，表示传感器节点S_j协助节点S_i传输数据。此外，元素表示目的节点在进行两轮数据收集过程中节点S_i均参与了本身数据的传输。

具体实施例

在无线传感器网络中，假设各节进一步点之间的信道为独立同分布的准静态瑞利衰落信道，传感器节点采用二进制相移键控(BPSK)调制。首先，本发明结合N＝8个传感器节点的协作传输这一具体实例，说明本发明提出的无线传感器网路基于移动目的节点的协作数据收集方法，并进一步验证比较了不同数量传感器节点进行协作时的性能。

图5是当N＝8时无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集的协作关系图。为了构建高效的分布式低密度奇偶校验码，提高数据收集的性能，目的节点在传感器节点分布区域内沿着不同的轨迹移动遍历节点两遍。图中以传感器节点个数N＝8为例，虚线表示目的节点进行第一轮数据收集时传感器节点之间的协作关系，实线表示目的节点进行第二轮数据收集时传感器节点之间的协作关系。

在第一轮数据收集中，首先，目的节点D在传感器节点区域内移动，当接近传感器节点S₁时，该节点将信息数据调制后发送至目的节点D和周围邻居传感器节点。然后，邻居传感器节点接收并解调传感器节点发送的数据帧，将解调后的数据进行校验，并将校验结果发送至目的节点D。目的节点D在校验结果正确的邻居传感器节点中选择一个节点作为节点S₂协助传感器节点S₁传输数据，并且节点S₂作为下一个待发送数据的节点。其次，节点S₂将自己的数据调制后广播至目的节点D和邻居传感器节点。重复以上过程，直至目的节点遍历完所有节点，第一轮数据收集结束，传感器节点形成一条如虚线所示的协作关系链。

在第二轮数据收集中，首先，目的节点D在传感器节点区域内移动，假设从节点S₅开始收集校验信息，当靠近节点S₅时该节点将第一轮保存的来自节点S₄的信息数据m₄和自己的信息数据m₅进行编码，并将生成的校验数据p₅发送至目的节点D和周围邻居传感器节点。然后，邻居传感器节点将接收的数据进行解调，并将解调数据的CRC校验结果发送至目的节点D，目的节点D在正确接收的节点中选择节点S₇协助节点S₅传输数据，并且节点S₇作为下一个待发送数据的节点。其次，节点S₇将第一轮中存储的来自节点S₆的信息数据m₆以及第二轮中接收的节点S₅的校验数据p₅以及自身的信息数据m₇进行编码，生成奇偶校验数据p₇并将其广播至信道中。重复以上过程，直至目的节点遍历完所有节点，第二轮数据收集结束，传感器节点形成一条如图中实线所示的协作关系链。

两轮协作传输结束后，目的节点D将两轮收集的数据构成分布式LDPC码，采用软输入软输出的迭代译码算法进行译码，实现基于移动目的节点的协作数据的收集。图中具有一个由节点S₆和S₇组成的小环，会降低LDPC码的性能，因此需要优化目的节点的移动轨迹和每个传感器节点协作关系的选择，尽可能的减少小环的产生。此外，随着传感器节点数目的增加，这样的环将大大减少。

图6给出了本发明的方法和非协作的数据收集方法的误比特率(BER)性能，并比较了参与协作的传感器节点的数量N发生变化时的性能。图6中，横坐标E_b/N₀表示信噪比，纵坐标BER表示误比特率。为了公平，在非协作数据方法和本发明提出的基于移动目的节点的协作数据收集方法中，均采用码长为L＝1024比特、码率为r＝1/2的LDPC码，最大迭代次数为30次。在作为对比的非协作数据收集方法中，传感器节点之间不采用协作传输，当目的节点接近每个传感器节点时，该节点独立将信息数据采用码长为1024比特的LDPC编码后发送给目的节点，若采用一轮非协作数据收集方法，则信息数据和校验数据在同一轮中传输；若采用两轮非协作收集，则信息数据和校验数据在两轮收集中分别发送。由于两轮数据收集中目的节点的位置等通信环境的变化会引起节点之间的信道衰落发生变化，仿真中假设两轮的信道为独立同分布的准静态瑞利衰落信道。在本发明提出的方法中，当传感器节点的数量N不同时，每个传感器节点传输的信息数据的长度K＝Lr/N。

在图6中，首先比较了本发明的方法和非协作方法的性能。从图中可以看出，当误码率为10^-5时，与非协作的一轮数据收集方法相比，本发明提出的具有N＝8个传感器节点的协作数据收集方法可获得约30dB的增益；同非协作两轮数据收集方法相比，可获得约10dB的性能增益。进一步，图6比较了本发明的方法在不同传感器节点数量时的性能，随着参与协作的传感器节点数量N的增加，系统的性能获得进一步提高。因此，本发明提出的协作数据收集方法可以显著降低传感器节点的传输功率，并且分布式的编码和处理方法使得每个节点的编码复杂度较低。另外，在第一轮信息数据收集时，每个传感器节点的信息数据也可以进行编码，进一步提高系统性能。

以上详细说明了本发明的具体实施方式以及计算机仿真的结果，但本发明的保护范围并不局限于此，采用类似的多节点协作移动收集方法，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可做些许改进，但其均应属于本发明的权利要求的保护范围。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。本发明针对无线协作通信系统的移动数据收集均可采用本发明的方法，若采用则均受本发明的权利要求约束。

Claims (9)

1.无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法，其特征在于，所述方法包括：

第一，目的节点D在传感器节点的分布区域内移动，依次接近所有被收集数据的传感器节点，当接近某一节点时，该节点传输数据；

第二，目的节点D在传感器节点的分布区域内移动遍历传感器节点两遍，传感器节点之间形成两种不同的协作关系链，为降低节点复杂度，每个传感器节点的数据最多被其它两个邻居传感器节点协作转发，同时每个节点最多协助其它两个节点进行数据传输；

第三，在两轮遍历过程中，传感器节点向目的节点D传输不同数据，其中在第一轮传输信息数据，在第二轮传输校验数据，其中校验数据的生成基于两轮的协作关系，从而构成高效的分布式低密度奇偶校验码，获得编码增益与分集增益；

第四，基于两轮的协作关系，目的节点D将两轮遍历过程中收集的数据进行软输入软输出的迭代译码，从而获得传感器节点的数据。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法，其特征在于，自传感器节点S₁开始，该协作数据收集方法包括以下步骤：

步骤1目的节点D在传感器节点的分布区域内移动，进行第一轮信息数据收集，当接近节点S_i时，该节点将自己的信息数据m_i向目的节点D和周围的邻居传感器节点进行广播；

步骤2目的节点D和传感器节点S_i的邻居传感器节点接收来自传感器节点S_i广播的信息数据，邻居传感器节点将解调结果进行循环冗余校验CRC后汇报给目的节点D，将正确接收来自传感器节点S_i数据帧的邻居传感器节点构成节点集合R₁(S_i)；

步骤3目的节点D检查在第一轮数据收集是否遍历完所有节点，如果i＜N，则继续进行第一轮数据收集，即目的节点D从节点集合R₁(S_i)中选择一个节点作为下一个待发射数据的传感器节点，并令i＝i+1，同时向该节点S_i+1移动，重复执行步骤1、步骤2和步骤3；否则遍历完成，即第一轮数据收集结束，至此第一轮数据收集过程中形成一条协作关系链，直接执行步骤4；

步骤4目的节点D在传感器节点的分布区域内移动，进行第二轮校验数据收集，当接近节点S_j，1≤j≤N时，该节点基于两轮协作关系将编码后的校验数据p_j向目的节点D和周围的邻居传感器节点进行广播；

步骤5目的节点D和邻居传感器节点接收节点S_j广播的校验数据，邻居传感器节点将CRC解调结果汇报给目的节点D，正确接收的节点构成节点集合R₂(S_j)；

步骤6目的节点D检查在第二轮数据收集是否遍历完所有节点，如果第二轮遍历收集没有结束，目的节点D则从集合R₂(S_j)中选择一个节点作为下一个发射节点，并向该节点移动，重复执行步骤4、步骤5和步骤6；否则，第二轮数据收集结束，形成一条新的协作关系链，直接执行步骤7；

步骤7目的节点D将第一轮收集的信息数据和第二轮收集的校验数据构成分布式低密度奇偶校验码，并采用软输入软输出的迭代译码算法进行译码，实现基于移动目的节点的协作数据收集。

3.如权利要求2所述的无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法，其特征是，目的节点D和传感器节点S_i在步骤1具体执行如下操作：

步骤1.1目的节点D在传感器节点分布区域内移动，当接近某一传感器节点S_i时，目的节点D通知该节点准备传输信息数据帧；

步骤1.2传感器节点S_i收到目的节点D的指令，将待传输的数据划分成包含l个比特的信息序列，并添加CRC校验，构成数据帧m_i；

步骤1.3传感器节点S_i对数据帧m_i进行调制后广播至目的节点D和周围邻居传感器节点。

4.如权利要求2所述的无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法，其特征是，目的节点D和传感器节点S_i的邻居传感器节点在步骤2具体执行如下操作：

步骤2.1传感器节点S_i的邻居传感器节点监听S_i，接收并解调节点S_i广播的信息数据帧；

步骤2.2每个邻居传感器节点将解调的判决结果进行CRC校验，若接收正确，则设定校验结果标志位否则并将校验结果标志位发送至目的节点D；

步骤2.3目的节点D接收传感器节点S_i的邻居传感器节点发送的校验结果标志位，所有校验结果正确的邻居传感器节点构成节点集合R₁(S_i)。

5.如权利要求2所述的无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法，其特征是，如果目的节点D第一轮信息数据收集没有遍历完所有节点，目的节点D和选中的下一个待传输数据的传感器节点S_i+1在步骤3具体执行如下操作：

步骤3.1目的节点D在节点集合R₁(S_i)中选择一个传感器节点作为节点S_i+1，该节点将协助传感器节点S_i传输数据，并通知节点S_i+1将第一轮正确接收的来自节点S_i的数据进行存储，通知集合R₁(S_i)中的其它节点将第一轮收集中来自节点S_i的信息数据丢弃；

步骤3.2传感器节点S_i+1收到目的节点D的指令，将正确接收的来自节点S_i的数据进行存储，并准备作为下一个节点发送数据。

6.如权利要求2所述的无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法，其特征是，目的节点D和传感器节点S_j在步骤4具体执行如下操作：

步骤4.1目的节点D在传感器节点分布区域内移动，当接近传感器节点S_j时，通知该节点进行数据传输；

步骤4.2传感器节点S_j将自己的信息数据帧m_j、第一轮中存储的来自节点S_i的信息数据帧m_i以及第二轮中接收的另一节点S_k的校验数据p_k进行联合编码，生成奇偶校验数据p_j；

传感器节点S_j的具体编码方式如下：

为降低节点的复杂度，该稀疏协作方法中每个节点最多协助两个节点进行数据传输，假设传感器节点S_j在第一轮和第二轮数据传输时，分别协助节点S_i和S_k进行数据传输，并且为了保证分布式低密度奇偶校验码的性能设定i≠k，传感器节点S_j的校验数据p_j生成方式如下：

其中，矩阵 和均表示k×k阶的随机置换单位矩阵，矩阵和表示信息数据采用的随机置换单位矩阵，表示校验数据采用的随机置换单位矩阵；T表示矩阵转置；

该方法中，对于两轮数据收集的起始节点，它们在两轮协作关系链中只协助一个节点进行数据传输，具体编码方式分为以下两种情况：

(a)若传感器节点S_j仅在第一轮协作关系链中协助一个节点传输数据，第二轮数据收集的起始节点，该节点仅在第一轮协作关系链中协助节点S_i进行数据传输，则传感器节点S_j根据公式：

进行编码，形成校验数据p_j；

(b)若传感器节点S_j仅在第二轮协作关系链中协助一个节点传输数据，第一轮数据收集的起始节点，该节点仅在第二轮协作关系链中协助节点S_k进行数据传输，则传感器节点S_j根据公式：

进行编码，形成校验数据p_j；

步骤4.3传感器节点S_j将编码后的校验数据帧p_j添加CRC校验，并广播至目的节点D和周围邻居传感器节点。

7.如权利要求2所述的无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法，其特征是，目的节点D和传感器节点S_j的邻居传感器节点在步骤5具体执行如下操作：

步骤5.1传感器节点S_j的邻居传感器节点监听S_j，接收并解调节点S_j广播的校验数据p_j，若解调后的数据CRC校验结果正确，则向目的节点D发送成功接收标志信息否则发送接收失败标志信息

步骤5.2目的节点D接收传感器节点S_j的邻居传感器节点发送的标志信息，所有CRC校验结果正确的邻居传感器节点构成节点集合R₂(S_j)。

8.如权利要求2所述的无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法，其特征是，如果目的节点D第二轮校验数据收集没有遍历完所有节点，目的节点D和被选中的下一发射节点在步骤6具体执行如下操作：

步骤6.1目的节点D在集合R₂(S_j)中选择一个节点协助节点S_j进行数据传输，并通知该节点将正确接收的数据进行存储，通知集合R₂(S_j)中的其它节点将第二轮收集中来自节点S_j的校验数据丢弃；

步骤6.2下一被选中的传感器节点接收目的节点D的指令，并将正确接收的来自节点S_j的数据进行存储，准备作为下一个节点进行数据传输。

9.如权利要求2所述的无线传感器网络基于移动目的节点的协作数据收集方法，其特征是，目的节点D在步骤7中具体执行如下操作：

步骤7.1目的节点D基于两轮协作关系构建分布式低密度奇偶校验码的校验矩阵H，并采用软输入软输出的译码算法进行一次译码，译码结果为

步骤7.2若满足校验方程则译码成功，获得参与协作传输的N个传感器节点的数据；若不满足校验方程判断此时迭代计数是否达到预设的最大值，如果小于最大迭代次数，则将迭代计数加1，目的节点D重复执行步骤7.1，若已达到最大迭代次数，则译码失败。