一種延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及無線通信、傳感器技術(shù)、信息采集與處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法。本發(fā)明基于與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇結(jié)構(gòu)的分層協(xié)議——LEACH(Low-Energy?AdaptiveClusteringHierarchy)協(xié)議將多跳路由和MIMO技術(shù)嵌入LEACH協(xié)議進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，大大延長(zhǎng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。通過選定簇首的選擇算法、簇的形成算法以及基于中心控制的改進(jìn)協(xié)議LEACH-C，設(shè)計(jì)出了基于分簇結(jié)構(gòu)的多跳路由協(xié)議——MultihopLEACH，它以最近的鄰居簇首作為下一跳路由，采用了MTE路由算法，并引入沖突避免機(jī)制；采用中心控制思想，由基站基于路徑損耗進(jìn)行路由選擇。如此將多跳路由和MIMO技術(shù)嵌入LEACH協(xié)議進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，大大延長(zhǎng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
【專利說明】一種延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信、傳感器技術(shù)、信息采集與處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器模塊、中央微處理器模塊和無線收發(fā)模塊，其原理圖如圖1所示。
[0003]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集數(shù)據(jù)采集、信息處理和無線通信等功能于一體的新型分布式自組織網(wǎng)絡(luò)，在軍事、環(huán)保、醫(yī)療和空間探索等領(lǐng)域具有很大的潛力。無線通信中的MIMO運(yùn)用發(fā)射端和接收端的多副天線來改善無線通信性能，而無需額外的無線帶寬，這些性能可以是頻譜效率、數(shù)據(jù)吞吐量、鏈路范圍、鏈路可靠性、多用戶情形中的QoS。MMO技術(shù)可以能通過空間復(fù)用，增加信道容量，也可以能通過分集增益，用于對(duì)抗無線信道衰落，增強(qiáng)無線鏈路的可靠性，降低發(fā)送端的通信能量損耗。通過多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作構(gòu)成的協(xié)作MMO系統(tǒng)具有能耗小，傳輸快等特性，能降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。在基于MMO技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，分簇算法是決定協(xié)作MMO實(shí)現(xiàn)與影響網(wǎng)絡(luò)能耗性能的關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]1.所要解決的技術(shù)問題
傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)過于復(fù)雜，對(duì)資源的占用較高且功耗較大。
[0005]2.技術(shù)方案
為了解決以上問題，本發(fā)明提供了一種延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法，系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)模型，圖2所示是結(jié)合MMO技術(shù)的多跳LEACH協(xié)議工作模型。系統(tǒng)按照LEACH協(xié)議不斷重復(fù)簇的重構(gòu)過程，每次重構(gòu)稱為一個(gè)回合。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)層采用了多跳路由技術(shù)，在物理層嵌入了 MMO技術(shù)，源節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)以多跳MMO方式傳送到基站。簇內(nèi)采用具有二次衰落特性的高斯白噪聲信道，簇間采用非頻率選擇性慢衰落瑞利信道模型。圖2結(jié)合MIMO技術(shù)的多跳LEACH協(xié)議工作模型假設(shè)各節(jié)點(diǎn)具有全局唯一的標(biāo)識(shí)ID且已知基站位置，各節(jié)點(diǎn)具有相同的初始能量且發(fā)射功率可調(diào)。
[0006]在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，分簇算法形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)簇，每個(gè)簇通常有一個(gè)簇頭和多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)。在簇內(nèi)，通過簇頭選取一些成員節(jié)點(diǎn)作為協(xié)作節(jié)點(diǎn)共同傳輸數(shù)據(jù)，這樣就構(gòu)成一個(gè)了協(xié)作MIMO系統(tǒng)。基于這一思想，本章將結(jié)合分簇路由算法和MMO技術(shù)進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，并提出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的傳輸協(xié)議。在第二章中，本文針對(duì)LEACH協(xié)議中存在的族頭分布不均勻和簇頭產(chǎn)生時(shí)未考慮到節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)這兩點(diǎn)不足，提出了一個(gè)能量有效的協(xié)議EE-LEACH。但EE-LEACH協(xié)議中采用的扇形區(qū)域劃分策略，并不適合應(yīng)用在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中，因此，本章將在EE-LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用正六邊形區(qū)域劃分的策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，并結(jié)合MMO技術(shù)，提出一種結(jié)合協(xié)作MMO的分族傳輸協(xié)議，從而達(dá)到有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量并均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的目的，本文稱其為 EB-LEACH-MM0 協(xié)議。
[0007]3.有益效果
MMO系統(tǒng)不單單運(yùn)用了信道增益矩陣的結(jié)構(gòu)來獲得相互獨(dú)立的信號(hào)通路，實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，增加信道容量，同時(shí)也通過運(yùn)用天線陣列的空間距離，得到陣列增益以及分集增益，用來對(duì)抗無線信道衰落，增強(qiáng)無線鏈路的可靠性，減少發(fā)送端的通信能量損耗，因此MMO技術(shù)與SISO技術(shù)相比較而言，不但在能耗以及誤碼率相同的情況下，獲得較高的信息傳送速率，而且負(fù)載與誤碼率的一定的情況下，大大降低通信功率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)原理圖
圖2結(jié)合MMO技術(shù)的多跳LEACH協(xié)議工作模型
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面通過實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0010]實(shí)施例1
其工作方式如下，
系統(tǒng)的工作過程分為一個(gè)個(gè)的回合，每個(gè)回合又分為建立階段和穩(wěn)定階段。
[0011]1、建立階段
各節(jié)點(diǎn)按照LEACH協(xié)議的分布式算法決定自己是否在本回合成為了簇首節(jié)點(diǎn)，各簇首節(jié)點(diǎn)用發(fā)射功率相等的Pout廣播一個(gè)通告信息。這里采用非堅(jiān)持CSMA /MAC層協(xié)議，通告信息包包含有簇首節(jié)點(diǎn)的ID和地理狀態(tài)信息。如果簇首節(jié)點(diǎn)接收到通告信息，則將其加入鄰居節(jié)點(diǎn)列表，用于構(gòu)建路由表，具體的路由算法將在后面詳細(xì)說明；如果非簇首節(jié)點(diǎn)接收到通告信息，則選擇接收信號(hào)強(qiáng)度最大的一個(gè)作為其簇首并發(fā)送一個(gè)加入簇請(qǐng)求信息。簇建立后，各簇首節(jié)點(diǎn)選擇n個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)作為合作節(jié)點(diǎn)，充當(dāng)MMO的多根天線，為簡(jiǎn)化模型，本文以就近原則選擇合作節(jié)點(diǎn)。接著，各簇首節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)TDMA時(shí)間調(diào)度表，并進(jìn)行簇內(nèi)廣播，廣播信息包含有TDMA調(diào)度表、合作節(jié)點(diǎn)ID和天線序號(hào)以及下一跳簇首節(jié)點(diǎn)ID。各節(jié)點(diǎn)接收到TDMA調(diào)度表后，查看自己是否被選為合作節(jié)點(diǎn)。如果是，則繼續(xù)監(jiān)聽，否則進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
[0012]2、穩(wěn)定階段
簇建立后即進(jìn)入穩(wěn)定階段，各源節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)以多跳MMO的方式接力向基站傳輸
(I)普通節(jié)點(diǎn)判斷是否被分配到TDMA時(shí)間片。如果是則在自己的TDMA時(shí)間片內(nèi)將數(shù)據(jù)傳遞給簇首節(jié)點(diǎn)，其他時(shí)間就處于睡眠狀態(tài)；否則直接進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
[0013](2)簇首節(jié)點(diǎn)判斷簇內(nèi)是否有其他節(jié)點(diǎn)的存在。如果有，則在接收完簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，與自身數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后轉(zhuǎn)(3);否則直接轉(zhuǎn)(3)。
[0014](3)簇首節(jié)點(diǎn)判斷是否有合作節(jié)點(diǎn)存在。如果有，則將數(shù)據(jù)向合作節(jié)點(diǎn)廣播，轉(zhuǎn)(4);否則轉(zhuǎn)(5)。
[0015](4)合作節(jié)點(diǎn)則根據(jù)自己的天線序號(hào)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行STBC編碼后傳遞給下一跳簇首節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)(6 )。[0016](5)簇首節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)傳遞給下一跳簇首節(jié)點(diǎn)。
[0017](6)簇首節(jié)點(diǎn)接收到來自上一跳的數(shù)據(jù)后，判斷是否為STBC編碼數(shù)據(jù)。如果是，則等待接收完各天線數(shù)據(jù)后進(jìn)行STBC解碼；否則直接轉(zhuǎn)(7)。
[0018](7)重復(fù)(3)?(6)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送到基站(BS)。為減少碼間干擾和沖突，系統(tǒng)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和CSMA發(fā)送方式。
【權(quán)利要求】
1.一種延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法，包括:系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)模型，圖2所示是結(jié)合MMO技術(shù)的多跳LEACH協(xié)議工作模型。
2.如權(quán)利要求1所述的一種延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法，其特征在于:系統(tǒng)按照LEACH協(xié)議不斷重復(fù)簇的重構(gòu)過程，每次重構(gòu)稱為一個(gè)回合，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)層采用了多跳路由技術(shù)，在物理層嵌入了 MIMO技術(shù)，源節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)以多跳MIMO方式傳送到基站。
3.如權(quán)利要求1-2所述的一種延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法，其特征在于:簇內(nèi)采用具有二次衰落特性的高斯白噪聲信道，簇間采用非頻率選擇性慢衰落瑞利信道模型。
4.如權(quán)利要求1-3所述的一種延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法，其特征在于:圖2結(jié)合MMO技術(shù)的多跳LEACH協(xié)議工作模型假設(shè)各節(jié)點(diǎn)具有全局唯一的標(biāo)識(shí)ID且已知基站位置，各節(jié)點(diǎn)具有相同的初始能量且發(fā)射功率可調(diào)。
5.如權(quán)利要求1-4所述的一種延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法，其特征在于:在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，分簇算法形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)簇，每個(gè)簇通常有一個(gè)簇頭和多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)，在簇內(nèi)，通過簇頭選取一些成員節(jié)點(diǎn)作為協(xié)作節(jié)點(diǎn)共同傳輸數(shù)據(jù)，這樣就構(gòu)成一個(gè)了協(xié)作MIMO系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】H04W40/32GK103648145SQ201310647426
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】蔡銳銳, 王志鵬, 徐曉聲, 郭坤祺 申請(qǐng)人:鎮(zhèn)江坤泉電子科技有限公司