一種基于協(xié)作組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬mimo通信策略的制作方法
【專利摘要】一種基于協(xié)作組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MIMO通信策略，稱為GCMIMO(GroupCollaborationMIMO)。GCMIMO采用類似CMIMO的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，每個(gè)簇由兩個(gè)簇頭進(jìn)行管理，分別是主簇頭和副簇頭。主簇頭負(fù)責(zé)將簇內(nèi)的信源節(jié)點(diǎn)分成若干個(gè)協(xié)作組，每個(gè)協(xié)作組由兩個(gè)相鄰的信源節(jié)點(diǎn)組成，相當(dāng)于一個(gè)虛擬的雙天線發(fā)送端，用來發(fā)送協(xié)作組的信源數(shù)據(jù)；副簇頭與主簇頭始終被視為一個(gè)協(xié)作組，稱為主協(xié)作組，用來接收和轉(zhuǎn)發(fā)其他協(xié)作組的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)多跳虛擬MIMO傳輸。與現(xiàn)有的虛擬MIMO通信策略不同，GCMIMO不需要簇頭收集信源數(shù)據(jù)，而是利用協(xié)作組直接發(fā)送信源數(shù)據(jù)，這樣一來就減少了信源數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，提高了簇內(nèi)通信階段的能效。在仿真實(shí)驗(yàn)中，通過GCMIMO各通信階段能耗分析，證明GCMIMO有效地降低了簇內(nèi)通信的能耗和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)頻率，提高了能量效率。
【專利說明】—種基于協(xié)作組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MIMO通信策略
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及虛擬MIMO通信，具體說的是一種基于協(xié)作組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MIMO通信策略。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，MIMO技術(shù)被越來越多的通信系統(tǒng)所采用。MIMO技術(shù)可以成倍地提高無線信道容量、增加傳輸距離、減少誤比特率和通信能耗[I]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體積一般比較小，在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上無法安裝多天線，因此MMO技術(shù)不能直接應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。為了使MMO技術(shù)應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，研究人員將協(xié)作通信與MIMO技術(shù)結(jié)合，提出了虛擬MIMO技術(shù)。虛擬MIMO的基本思想是若干個(gè)單天線節(jié)點(diǎn)通過共享天線來實(shí)現(xiàn)虛擬多天線系統(tǒng)。虛擬MMO可以使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得類似于MIMO的通信效果，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信能耗和可靠性都有很大的改善。
[0003]文獻(xiàn)[2]中，Cui等人提出了一種基于Alamouti編碼的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MMO傳輸方案，分析了網(wǎng)絡(luò)的能耗和數(shù)據(jù)傳播時(shí)延，并在相同誤碼率要求下討論了基于虛擬MIMO技術(shù)傳輸單位比特的總耗能。其研究表明，從能量有效性和數(shù)據(jù)傳遞時(shí)延綜合考慮，虛擬MMO比SISO更適合于長距離的數(shù)據(jù)傳遞。文獻(xiàn)[3]在文獻(xiàn)[2]研究的基礎(chǔ)上，分析了傳遞距離、調(diào)制方式、路徑衰減指數(shù)以及控制開銷等參數(shù)對(duì)虛擬MMO的能效和時(shí)延性能的影響，進(jìn)一步證明:選擇合適的參數(shù)，虛擬MMO通信比SISO通信更加節(jié)能。文獻(xiàn)[4]將V-BLAST空時(shí)編碼引入到虛擬MMO通信結(jié)構(gòu)中，避免了發(fā)送端協(xié)作節(jié)點(diǎn)間的合作編碼過程，進(jìn)一步改善了能量效率；文獻(xiàn)[5]中將虛擬MMO通信與多跳SISO通信的能耗進(jìn)行了比較，結(jié)果表明這兩種通信方式的能效性依賴于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的密度、無線信道的狀態(tài)以及到匯聚節(jié)點(diǎn)Sink的距離，在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，虛擬MMO的通信方式要優(yōu)于多跳SISO通信方式。文獻(xiàn)[6]中，Rafique等人將虛擬MIMO與多載波調(diào)制進(jìn)行結(jié)合，分析了不同調(diào)制方式對(duì)虛擬MMO通信的影響，并通過仿真實(shí)驗(yàn)證明BPSK-W0FDM是未來高數(shù)據(jù)速率和高能效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種很有前途的多載波調(diào)制方案。文獻(xiàn)[7]中，Marwan等人提出了一種新的虛擬MMO通信策略，稱為CMM0( cooperative MIM0)o CMIMO將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，每個(gè)簇選舉出兩個(gè)簇頭，利用兩個(gè)簇頭形成虛擬多天線系統(tǒng)，并結(jié)合相應(yīng)的能量管理方案和路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)了高效的多跳虛擬MIMO傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明CMIMO能夠顯著減少通信能耗和延長網(wǎng)絡(luò)壽命。文獻(xiàn)[8]將分級(jí)聚類算法引入到基于虛擬MMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種具有分級(jí)特性的分簇方案。利用該分簇方案完成分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行多跳傳輸時(shí)可以方便的確定最佳的路由路徑。文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該分簇方案后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行多跳虛擬MMO傳輸時(shí)，可以有效地減少跳數(shù)，節(jié)省通信能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。
[0004]現(xiàn)有關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MIMO通信的研究大都是通過改進(jìn)協(xié)作發(fā)送過程來提高通信能效[7-11]，而在這之前的簇內(nèi)通信過程基本都是信源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，然后簇頭將收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給自己的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)過程中信源數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)了兩次，這樣一來就增加了簇內(nèi)通信的能耗。針對(duì)這個(gè)問題，本文提出了一種基于協(xié)作組的虛擬MIMO通信策略，稱為GCMMO (Group Collaboration ΜΙΜΟ)。GCMMO利用協(xié)作組直接發(fā)送信源數(shù)據(jù)，不需要簇頭收集成員節(jié)點(diǎn)的信源數(shù)據(jù)，從而就減少了信源數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，提高了簇內(nèi)通信階段的能效。
[0005][l]Medhi N， Sarma N.Mobility Aided Cooperative MIMO Transmission inWireless Sensor Networks [J]，Procedia Technology.2012: 362-370.[2]CuiS ， Goldsmith J， Bahai A.Energy-efficiency of MIMO and cooperativeMIMO techniques in sensor networks [J].1EEE Journal on Selected Areas inCommunications.2004:1089-1098.[3]JayaweeraSK.Virtual MIMO-based cooperative communication forenergy-constrained wireless sensor networks [J].1EEE Transactions on Wireless Communications，2006，5(05):984-989.[4]Jayaweera S K.V—BLAST -Based Virtual MIMO for Distributed WirelessSensor Networks [J].IEEE Transactions on Communications, 2007，55 (10): 1867 -1872.[5]GeorgeBravos,Athanasios G.Kanatas.Energy Efficiency Comparisonof MIMO-Based and Multihop Sensor Networks [C].EURASIP Journal on WirelessCommunications and Networking 2008，2008 (I): 10-1—10-13-0.[6]RafiqueZ，Boon C S，Anbuky A.Performance Analysis of Cooperative VirtualMIMO Systems for Wireless Sensor Networks [J].Sensors, 2013，13(6): 7033-7052.[7]MarwanKj Mohammad Z Sj Diep NN.Clustering and power management for virtualMIMO communications in wireless sensor networks [J].AD HOC Networks, 2013，11(5):1571-1587.[8]NasimM，Qaisar S，Lee S.An Energy Efficient Cooperative Hierarchical MIMOClustering Scheme for Wireless Sensor Networks [J].Sensors.2012，12(1)，92-114.[9]Qu Qj Milstein L B，Vamanv D R.Cooperative and Constrained MIMOCommunications in Wireless Ad Hoc/Sensor Networks [J].1EEE Transactions onWireless Communications.2010， 9(10): 3120-3129.[10]XiaoMj Huang L，Xu H.Virtual MIMO multicast-based multihop transmissionscheme for wireless sensor networks [J].Journal of Chinese Computer Systems.2012，33(1): 18 - 23.[11]DanpuL，Kailin Z，Jie D，Energy-efficient transmission scheme formobile data gathering in Wireless Sensor Networks [J].Communications, China.2013，10(3):114-123o

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題提供一種基于協(xié)作組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MMO通信策略，稱為GCMMO (Group Collaboration ΜΙΜΟ)。GCMMO釆用類似CMMO的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，每個(gè)簇由兩個(gè)簇頭進(jìn)行管理，分別是主簇頭和副簇頭。主簇頭負(fù)責(zé)將簇內(nèi)的信源節(jié)點(diǎn)分成若干個(gè)協(xié)作組，每個(gè)協(xié)作組由兩個(gè)相鄰的信源節(jié)點(diǎn)組成，相當(dāng)于一個(gè)虛擬的雙天線發(fā)送端，用來發(fā)送協(xié)作組的信源數(shù)據(jù)；副簇頭與主簇頭始終被視為一個(gè)協(xié)作組，稱為主協(xié)作組，用來接收和轉(zhuǎn)發(fā)其他協(xié)作組的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)多跳虛擬M頂O傳輸。與現(xiàn)有的虛擬MMO通信策略不同，GCMIMO不需要簇頭收集信源數(shù)據(jù)，而是利用協(xié)作組直接發(fā)送信源數(shù)據(jù)，這樣一來就減少了信源數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，提高了簇內(nèi)通信階段的能效。在仿真實(shí)驗(yàn)中，通過GCMIMO各通信階段能耗分析，證明GCMMO有效地降低了簇內(nèi)通信的能耗和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)頻率，提高了能量效率。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案是:一種基于協(xié)作組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MMO通信策略，建立延時(shí)不敏感的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)已同步并采用周期性地MAC協(xié)議進(jìn)行工作；任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的無線信道是對(duì)稱的，形成虛擬多天線系統(tǒng)；
(1)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，在分簇過程中，鄰近的節(jié)點(diǎn)通過選舉產(chǎn)生主簇頭，主簇頭從自己的鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇最佳的協(xié)作節(jié)點(diǎn)作為自己的副簇頭；
(2)主簇頭負(fù)責(zé)將簇內(nèi)的信源節(jié)點(diǎn)分成若干個(gè)協(xié)作組，每個(gè)協(xié)作組由兩個(gè)相鄰的信源節(jié)點(diǎn)組成，用來發(fā)送協(xié)作組內(nèi)信源的數(shù)據(jù)；副簇頭和主簇頭始終被看做是一個(gè)協(xié)作組，稱為主協(xié)作組，用來接收和轉(zhuǎn)發(fā)其他簇的協(xié)作組的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)多跳虛擬MIMO傳輸；
(3)分簇完成后，采用Dijkstra算法為整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立路由表，每個(gè)簇建立最短的路由路徑，并形成一個(gè)路由表保存在各個(gè)主簇頭中，虛擬MMO在協(xié)作組內(nèi)相互交換數(shù)據(jù)完成空時(shí)編碼，進(jìn)入周期性地通信過程。
[0008]所述的一個(gè)通信周期分為信源節(jié)點(diǎn)感知階段、協(xié)作組分配階段、簇間通信資源分配階段、廣播協(xié)作組分配表階段、簇內(nèi)通信階段和簇間通信階段。
[0009]所述的組成協(xié)作組的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離d小于節(jié)點(diǎn)的的最大通信范圍dmax。
[0010]所述的主簇頭根據(jù)節(jié)點(diǎn)距離選擇出具有最佳通信效果的協(xié)作組，即
【權(quán)利要求】
1.一種基于協(xié)作組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MMO通信策略，其特征在于:建立延時(shí)不敏感的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)已同步并采用周期性地MAC協(xié)議進(jìn)行工作；任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的無線信道是對(duì)稱的，形成虛擬多天線系統(tǒng)； (1)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，在分簇過程中，鄰近的節(jié)點(diǎn)通過選舉產(chǎn)生主簇頭，主簇頭從自己的鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇最佳的協(xié)作節(jié)點(diǎn)作為自己的副簇頭； (2)主簇頭負(fù)責(zé)將簇內(nèi)的信源節(jié)點(diǎn)分成若干個(gè)協(xié)作組，每個(gè)協(xié)作組由兩個(gè)相鄰的信源節(jié)點(diǎn)組成，用來發(fā)送協(xié)作組內(nèi)信源的數(shù)據(jù)；副簇頭和主簇頭始終被看做是一個(gè)協(xié)作組，稱為主協(xié)作組，用來接收和轉(zhuǎn)發(fā)其他簇的協(xié)作組的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)多跳虛擬MIMO傳輸； (3)分簇完成后，采用Dijkstra算法為整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立路由表，每個(gè)簇建立最短的路由路徑，并形成一個(gè)路由表保存在各個(gè)主簇頭中，虛擬MMO在協(xié)作組內(nèi)相互交換數(shù)據(jù)完成空時(shí)編碼，進(jìn)入周期性地通信過程。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于協(xié)作組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MMO通信策略，其特征在于:所述的一個(gè)通信周期分為信源節(jié)點(diǎn)感知階段、協(xié)作組分配階段、簇間通信資源分配階段、廣播協(xié)作組分配表階段、簇內(nèi)通信階段和簇間通信階段。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于協(xié)作組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MIMO通信策略，其特征在于:所述的組成協(xié)作組的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離d小于節(jié)點(diǎn)的的最大通信范圍dmax。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于協(xié)作組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬MIMO通信策略，其特征在于:所述的主簇頭根據(jù)節(jié)點(diǎn)距離選擇出具有最佳通信效果的協(xié)作組，即
【文檔編號(hào)】H04B7/04GK104010344SQ201410251445
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】鄭國強(qiáng), 李冰, 馬華紅, 亢丙午, 李佩佩, 冀保峰, 高宏峰, 李濟(jì)順, 楊芳 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)