CN109560885A - 一种无线传感器网络高质量数据通信方法及装置 - Google Patents

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余盛宇
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Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络高质量数据通信方法及装置，将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型，优化了节点之间通信的信道模型，定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵，通过干扰抑制矩阵进行双向通信，通过提高信道的通信质量以对抗干扰提升了无线传感器网络的通信性能，能够在多个不同类型节点的分簇后的无线传感器网络中通信，有效的提升了通信传输速率，避免了因共享传输媒介而产生的相互干扰，保障了通信的数据质量，提高了通信性能，能够在有多个分簇的多级传感器网络中实现高质量的数据通信。

Description

一种无线传感器网络高质量数据通信方法及装置
技术领域
本公开涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络高质量数据通信方法及装置。
背景技术
随着无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络中的通信节点的数量和类型急剧增加，随着节点的数量和数据吞吐量日益增大的需求，随之而来的是带来节点间和外部的通信干扰，从而降低通信数据的质量，干扰信号源的不确定性取决于无线传感器网络的通信传输速率，因此干扰成为无线传感器网络的一个研究主题。在多个不同类型节点的无线传感器网络中，各个无线传感器网络的通信节点之间因共享传输媒介而相互干扰，这种干扰无法避免。干扰无线传感器网络的信道也是制约无线传感器网络数据通信性能的瓶颈，同时随着通信节点数量的增加，对于无线传感器网络信道容量的要求也在相应提高，如何通过提高信道的通信质量以对抗干扰以提升无线传感器网络的通信性能，是无线传感器网络技术发展中最关键的问题。
发明内容
本公开提供一种无线传感器网络高质量数据通信方法及装置，本发明将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型，优化了节点之间通信的信道模型，定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵，通过干扰抑制矩阵进行双向通信，通过提高信道的通信质量以对抗干扰提升了无线传感器网络的通信性能。
为了实现上述目的，根据本公开的一方面，提供一种无线传感器网络高质量数据通信方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型；
步骤2，优化节点之间通信的信道模型；
步骤3，定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵；
步骤4，通过干扰抑制矩阵进行双向通信。
进一步地，在步骤1中，将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型的方法为：在无线传感器网络中，将无线传感器网络以LEACH算法或HEED算法进行分簇，分为至少一个簇区，每个簇区包括至少一个簇头节点和至少一个普通节点，其中，普通节点采集物理量数据后发送数据给簇头节点，通过簇头节点向汇聚节点发送数据，M代表普通节点的数量，K代表簇头节点数量，无线传感器网络的复用增益σ表示为σ＝(MK)/(M+K-1)，因为普通节点总共向簇头节点发送数据流数量为MK，需要的子载波数量为M+K-1；在K个簇头节点和M个普通节点的无线传感器网络中，假设簇头节点k只接受普通节点m的信号，k＝1,2,...,K，m＝1,2,...,M，把其他普通节点的信号当做干扰信号，建立节点之间通信的信道模型如下：Yk(t)表示在时间t时簇头节点接收到的普通节点数据，Zk(t)表示复数形式的循环对称的高斯白噪声，XK(t)则是普通节点发送的数据，直接信道系数为1，带有干扰的交叉信道系数为所有发射信号的功率P受到的限制约束ρ＝KP，在没有干扰的情况下，每个普通节点与簇头节点信道的容量为C＝log(1+P)，K个簇头节点的干扰信道，每个节点无线通信的功率P，每个簇头节点解码出来的传输速率为无线传感器网络节点之间通信网络总速率为
进一步地，在步骤2中，优化节点之间通信的信道模型的方法为：
在K个簇头节点和M个普通节点的无线传感器网络中经过抗干扰优化模型为：t为簇头节点和普通节点的通信时间，Yk(t)′代表簇头节点接受到信号矢量，Zk(t)代表在簇头节点k的零均值单位变化的外加高斯白噪声，为K×1的矢量，Xm(t)是由普通节点m＝1,2,...,M发送的K×1信号矢量，Hkm(t)是K×M的矩阵，是从普通节点m到簇头节点k的信道系数,无线传感器网络的复用增益σ表示为σ＝(MK)/(M+K-1)，普通节点m的发射功率为||·||1为向量的1范数。
进一步地，在步骤3中，定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵的方法为：
在同等条件的中低噪声情况下，定义第K个簇头节点的去噪通信模型SIkm为：
其中，为普通节点m发送到簇头节点k的M×dk维的预编码矢量，(·)H为矩阵的共轭转置，Pk为簇头节点k的发射功率，dk为每个簇头节点与普通节点的信息流，Hkm为普通节点m和簇头节点k之间的信道系数，Bkm是簇头节点数据流的干扰和噪声协方差矩阵：
为普通节点m发送到簇头节点k的M×dk维的预编码矢量，为普通节点d发送到簇头节点j的M×dk维的预编码矢量，Hkj为普通节点j和簇头节点k之间的信道系数，IKM为K×M的单位矩阵，IKM为干扰泄露功率为IKM＝((Uj)HQjUj)H，其中，Qk代表着簇头节点k的干扰协方差矩阵，为普通节点m发送到簇头节点k的干扰抑制矩阵：||·||1为向量的1范数。
进一步地，在步骤4中，通过干扰抑制矩阵进行双向通信的方法为：
步骤4.1，确定簇头节点的M×dk维的预编码矢量Vk，其中，k＝1,2,...,K；
步骤4.2，计算干扰和噪声协方差矩阵Bkm；
步骤4.3，计算簇头节点的干扰抑制矩阵
步骤4.4，将信道反转，即将预编码矩阵Vk与干扰抑制矩阵Uk交换，得到交换后的预编码矩阵使
步骤4.5，令信道反转后的干扰和噪声协方差矩阵
步骤4.6，令信道反转后的簇头节点的干扰抑制矩阵
步骤4.7，将信道再度反转回到原通信方向，令
步骤4.8，重复步骤4.2—步骤4.7，直到收敛，即实现双向通信。
本发明还提供了一种无线传感器网络高质量数据通信装置，所述装置包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下装置的单元中：
信道模型建立单元，用于将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型；
信道模型优化单元，用于优化节点之间通信的信道模型；
干扰抑制单元，用于定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵；
双向通信单元，用于通过干扰抑制矩阵进行双向通信。
本公开的有益效果为：本发明提供一种无线传感器网络高质量数据通信方法及装置，能够在多个不同类型节点的分簇后的无线传感器网络中通信，有效的提升了通信传输速率，避免了因共享传输媒介而产生的相互干扰，保障了通信的数据质量，提高了通信性能，能够在有多个分簇的多级传感器网络中实现高质量的数据通信。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：
图1所示为一种无线传感器网络高质量数据通信方法的流程图；
图2所示为一种无线传感器网络高质量数据通信装置图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示为根据本公开的一种无线传感器网络高质量数据通信方法的流程图，下面结合图1来阐述根据本公开的实施方式的一种无线传感器网络高质量数据通信方法。
本公开提出一种无线传感器网络高质量数据通信方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型；
步骤2，优化节点之间通信的信道模型；
步骤3，定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵；
步骤4，通过干扰抑制矩阵进行双向通信。
进一步地，在步骤1中，将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型的方法为：在无线传感器网络中，将无线传感器网络以LEACH算法或HEED算法进行分簇，分为至少一个簇区，每个簇区包括至少一个簇头节点和至少一个普通节点，其中，普通节点采集物理量数据后发送数据给簇头节点，通过簇头节点向汇聚节点发送数据，M代表普通节点的数量，K代表簇头节点数量，无线传感器网络的复用增益σ表示为σ＝(MK)/(M+K-1)，因为普通节点总共向簇头节点发送数据流数量为MK，需要的子载波数量为M+K-1；在K个簇头节点和M个普通节点的无线传感器网络中，假设簇头节点k只接受普通节点m的信号，k＝1,2,...,K，m＝1,2,...,M，把其他普通节点的信号当做干扰信号，建立节点之间通信的信道模型如下：Yk(t)表示在时间t时簇头节点接收到的普通节点数据，Zk(t)表示复数形式的循环对称的高斯白噪声，XK(t)则是普通节点发送的数据，直接信道系数为1，带有干扰的交叉信道系数为所有发射信号的功率P受到的限制约束ρ＝KP，在没有干扰的情况下，每个普通节点与簇头节点信道的容量为C＝log(1+P)，K个簇头节点的干扰信道，每个节点无线通信的功率P，每个簇头节点解码出来的传输速率为无线传感器网络节点之间通信网络总速率为
进一步地，在步骤2中，优化节点之间通信的信道模型的方法为：
在K个簇头节点和M个普通节点的无线传感器网络中经过抗干扰优化模型为：t为簇头节点和普通节点的通信时间，Yk(t)′代表簇头节点接受到信号矢量，Zk(t)代表在簇头节点k的零均值单位变化的外加高斯白噪声，为K×1的矢量，Xm(t)是由普通节点m＝1,2,...,M发送的K×1信号矢量，Hkm(t)是K×M的矩阵，是从普通节点m到簇头节点k的信道系数,无线传感器网络的复用增益σ表示为σ＝(MK)/(M+K-1)，普通节点m的发射功率为||·||1为向量的1范数。
进一步地，在步骤3中，定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵的方法为：
在同等条件的中低噪声情况下，定义第K个簇头节点的去噪通信模型SIkm为：
其中，为普通节点m发送到簇头节点k的M×dk维的预编码矢量，(·)H为矩阵的共轭转置，Pk为簇头节点k的发射功率，dk为每个簇头节点与普通节点的信息流，Hkm为普通节点m和簇头节点k之间的信道系数，Bkm是簇头节点数据流的干扰和噪声协方差矩阵：
为普通节点m发送到簇头节点k的M×dk维的预编码矢量，为普通节点d发送到簇头节点j的M×dk维的预编码矢量，Hkj为普通节点j和簇头节点k之间的信道系数，IKM为K×M的单位矩阵，IKM为干扰泄露功率为IKM＝((Uj)HQjUj)H，其中，Qk代表着簇头节点k的干扰协方差矩阵，为普通节点m发送到簇头节点k的干扰抑制矩阵：||·||1为向量的1范数。
进一步地，在步骤4中，通过干扰抑制矩阵进行双向通信的方法为：
步骤4.1，确定簇头节点的M×dk维的预编码矢量Vk，其中，k＝1,2,...,K；
步骤4.2，计算干扰和噪声协方差矩阵Bkm；
步骤4.3，计算簇头节点的干扰抑制矩阵
步骤4.4，将信道反转，即将预编码矩阵Vk与干扰抑制矩阵Uk交换，得到交换后的预编码矩阵使
步骤4.5，令信道反转后的干扰和噪声协方差矩阵
步骤4.6，令信道反转后的簇头节点的干扰抑制矩阵
步骤4.7，将信道再度反转回到原通信方向，令
步骤4.8，重复步骤4.2—步骤4.7，直到收敛，即实现双向通信。
本公开的实施例提供的一种无线传感器网络高质量数据通信装置，如图2所示为本公开的一种无线传感器网络高质量数据通信装置图，该实施例的一种无线传感器网络高质量数据通信装置包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种无线传感器网络高质量数据通信装置实施例中的步骤。
所述装置包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下装置的单元中：
信道模型建立单元，用于将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型；
信道模型优化单元，用于优化节点之间通信的信道模型；
干扰抑制单元，用于定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵；
双向通信单元，用于通过干扰抑制矩阵进行双向通信。
所述一种无线传感器网络高质量数据通信装置可以运行于桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备中。所述一种无线传感器网络高质量数据通信装置，可运行的装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述例子仅仅是一种无线传感器网络高质量数据通信装置的示例，并不构成对一种无线传感器网络高质量数据通信装置的限定，可以包括比例子更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述一种无线传感器网络高质量数据通信装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种无线传感器网络高质量数据通信装置运行装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种无线传感器网络高质量数据通信装置可运行装置的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种无线传感器网络高质量数据通信装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。

Claims (6)

1.一种无线传感器网络高质量数据通信方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型；
步骤2，优化节点之间通信的信道模型；
步骤3，定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵；
步骤4，通过干扰抑制矩阵进行双向通信。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络高质量数据通信方法，其特征在于，在步骤1中，将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型的方法为：在无线传感器网络中，将无线传感器网络以LEACH算法或HEED算法进行分簇，分为至少一个簇区，每个簇区包括至少一个簇头节点和至少一个普通节点，其中，普通节点采集物理量数据后发送数据给簇头节点，通过簇头节点向汇聚节点发送数据，M代表普通节点的数量，K代表簇头节点数量，无线传感器网络的复用增益σ表示为σ＝(MK)/(M+K-1)，因为普通节点总共向簇头节点发送数据流数量为MK，需要的子载波数量为M+K-1；在K个簇头节点和M个普通节点的无线传感器网络中，假设簇头节点k只接受普通节点m的信号，k＝1,2,...,K，m＝1,2,...,M，把其他普通节点的信号当做干扰信号，建立节点之间通信的信道模型如下：Yk(t)表示在时间t时簇头节点接收到的普通节点数据，Zk(t)表示复数形式的循环对称的高斯白噪声，XK(t)则是普通节点发送的数据，直接信道系数为1，带有干扰的交叉信道系数为所有发射信号的功率P受到的限制约束ρ＝KP，在没有干扰的情况下，每个普通节点与簇头节点信道的容量为C＝log(1+P)，K个簇头节点的干扰信道，每个节点无线通信的功率P，每个簇头节点解码出来的传输速率为无线传感器网络节点之间通信网络总速率为
3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络高质量数据通信方法，其特征在于，在步骤2中，优化节点之间通信的信道模型的方法为：
在K个簇头节点和M个普通节点的无线传感器网络中经过抗干扰优化模型为：t为簇头节点和普通节点的通信时间，Yk(t)′代表簇头节点接受到信号矢量，Zk(t)代表在簇头节点k的零均值单位变化的外加高斯白噪声，为K×1的矢量，Xm(t)是由普通节点m＝1,2,...,M发送的K×1信号矢量，Hkm(t)是K×M的矩阵，是从普通节点m到簇头节点k的信道系数,无线传感器网络的复用增益σ表示为σ＝(MK)/(M+K-1)，普通节点m的发射功率为E[||Xm||1 2]＝Pm，||·||1为向量的1范数。
4.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络高质量数据通信方法，其特征在于，在步骤3中，定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵的方法为：
在同等条件的中低噪声情况下，定义第K个簇头节点的去噪通信模型SIkm为：
其中，为普通节点m发送到簇头节点k的M×dk维的预编码矢量，(·)H为矩阵的共轭转置，Pk为簇头节点k的发射功率，dk为每个簇头节点与普通节点的信息流，Hkm为普通节点m和簇头节点k之间的信道系数，Bkm是簇头节点数据流的干扰和噪声协方差矩阵：
为普通节点m发送到簇头节点k的M×dk维的预编码矢量，为普通节点d发送到簇头节点j的M×dk维的预编码矢量，Hkj为普通节点j和簇头节点k之间的信道系数，IKM为K×M的单位矩阵，IKM为干扰泄露功率为其中，Qk代表着簇头节点k的干扰协方差矩阵，为普通节点m发送到簇头节点k的干扰抑制矩阵：||·||1为向量的1范数。
5.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络高质量数据通信方法，其特征在于，在步骤4中，通过干扰抑制矩阵进行双向通信的方法为：
步骤4.1，确定簇头节点的M×dk维的预编码矢量Vk，其中，k＝1,2,...,K；
步骤4.2，计算干扰和噪声协方差矩阵Bkm；
步骤4.3，计算簇头节点的干扰抑制矩阵
步骤4.4，将信道反转，即将预编码矩阵Vk与干扰抑制矩阵Uk交换，得到交换后的预编码矩阵使
步骤4.5，令信道反转后的干扰和噪声协方差矩阵
步骤4.6，令信道反转后的簇头节点的干扰抑制矩阵
步骤4.7，将信道再度反转回到原通信方向，令
步骤4.8，重复步骤4.2—步骤4.7，直到收敛，即实现双向通信。
6.一种无线传感器网络高质量数据通信装置，其特征在于，所述装置包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下装置的单元中：
信道模型建立单元，用于将无线传感器网络分簇并建立节点之间通信的信道模型；
信道模型优化单元，用于优化节点之间通信的信道模型；
干扰抑制单元，用于定义簇头节点的去噪通信模型得到干扰抑制矩阵；
双向通信单元，用于通过干扰抑制矩阵进行双向通信。
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