无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信息与通信工程技术领域，涉及无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN)中协作传输技术以及协作中继节点的选择技术，特别是无线传感器网络中 一种高能效节点协作传输方法。
【背景技术】
[0002] 随着可持续发展和节能减排的观念深入人心，通信产业的能量消耗与环境保护问 题也日益受到关注。全球的通信技术行业都在研究和制定相关节能标准，绿色通信这一理 念是通信行业节能环保的体现。近年来协作通信这一技术快速发展，该技术主要利用无线 网络中所有潜在的中继节点参与协作传输。协作通信技术可以显著提高网络容量，并且有 效降低用户的能耗、延长网络的生命周期和提高吞吐量等优势。这些优点对于节点能量有 限的无线传感器网络具有重要价值。
[0003] 无线传感器网络（wireless sensor networks, WSN)是由大量传感器节点组成，具 有数据采集、信号处理及无线通信的能力，被广泛应用于军事侦察、环境监测、医疗保健和 应急救援等领域。无线传感网中的节点往往具有微型、低成本和低功耗等特点，其中低功耗 是无线传感器网络的首要设计目标。在无线传感器网络中，传感器节点进行本地数据采集、 数据处理和数据存储，簇首节点CH进行数据融合并转发来自其它簇首节点的数据，再利用 邻近的簇首节点进行多跳传输，直到数据到达汇聚节点。汇聚节点通常能够进行复杂的信 息处理、数据存储和远距离的无线通信，汇聚节点与管理节点通过移动通信网络、Internet 或卫星等进行通信，用户可以通过管理节点与传感器节点实现信息交互。
[0004] 协作通信技术（Cooperative Communications)，其主要思想是利用无线网络中多 节点之间的相互协作，形成虚拟多天线阵列，实现空间分集和传输路径共享，其目的是提高 通信容量、传输速率和系统性能，以减少电池能耗和延长网络寿命、增大传输范围等。协作 通信技术包括中继选择、功率控制、信道分配、分组调度等，其中，中继选择技术和节点功率 控制技术是协作通信中的关键技术。协作通信系统的性能受通信链路影响很大，选择不同 的中继节点产生了不同的传输信道，因此中继节点的选择直接影响了协作通信系统性能的 好坏。根据被选的中继数目的不同，可以将其分为两种不同的协作策略：1、单中继协作网 络；2、多中继协作网络。能量是无线通信网络中十分重要的资源，由于传感器节点一般采 用电池供电，能量有限，且应用环境条件复杂，使得节点难以补充能量。功率控制是在系统 资源有限的前提下，以优化协作通信系统服务质量QoS(系统容量、中断概率、速率等）为目 标，在一定的条件下最大化WSN网络的生命周期。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供无线传感器网络中一种高能效节点协 作传输方法。本发明针对WSN网络协作通信中转发的数据包大小、调制参数、协作中继数、 信源一协作簇距离，对WSN网络节点协作通信能耗进行联合优化，得到一种最佳协作中继 选择策略，有效提高WSN节点协作传输的能效、延长网络的生命周期和提高吞吐量等。
[0006] 无线传感器网络中协作通信基于多中继协作网络模型，并且在中继节点处引入缓 存队列用于消息包的存储。协作中继网络模型由信源节点S、N个具有一定的存储缓存队列 且随机分布的WSN节点组成协作节点簇和目的节点D共同构成WSN网络。在满足系统传输 误码率约束的条件下，以无线传感器网络协作节点传输能耗最小作为目标，对节点协作传 输过程中的数据包大小、调制参数、协作中继数、信源一协作簇距离等各个因素与系统能耗 之间的关系进行了分析，选择能效达到最优时的最佳协作节点集合。本发明方法能够有效 提高无线传感器网络节点协作传输的能量有效性。
[0007] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案包括以下步骤：
[0008] 步骤1、协作传输误码性能分析：使用分布式空时分组码方式实现无线传感器网 络（WSN)节点之间的协作，传输数据调制方式为M进制正交幅度调制（MQAM);接收端对接 收到的各路信号进行信噪比最大比合并为准则，实现最大化接收端信噪比；
[0009] 1-1.协作WSN系统建模
[0010] (1)在协作WSN中，设信源节点S和目的节点D之间的传输距离为d，中继节点簇 距离信源节点的距离为CU假设簇内各WSN节点分布密集，它们之间的距离远小于它们到 信源节点S之间的距离，故它们与信源节点S之间的距离近似相等）。中继节点簇内有一个 簇首节点CH，簇首节点CH用于选择中继节点簇内参与协作的节点和广播簇内信息。
[0011] (2)当信源节点S向目的节点D发送数据包时，信源节点S将信息I广播给中继节 点簇和目的节点；簇首节点CH收到信息I，根据信道链路状态信息以及缓存队列大小，选择 最优的中继节点接收信源节点S发送过来的信息I并存储在中继的缓存队列中。
[0012] (3)根据信道链路状态信息，选择最优的中继节点并采用先入先出排队模型来发 送存储在其缓存队列中的数据包到达目的节点D，目的节点D将来自中继节点的所有数据 包内信息进行信噪比最大比合并，然后进行联合解码。
[0013] (4)根据信道链路状态信息得到中继节点簇内N个最佳中继节点和信源节点。将 协作通信过程抽象为一个具有N+1个发送天线，1个接收天线的协作多输入单输出（MISO) 结构，使用分布式空时分组码方式实现节点之间的协作，传输数据调制方式为M进制正交 幅度调制（MQAM)。
[0014] 1-2.协作传输误码性能
[0015] 目的节点D将来自中继节点的所有数据包内信息进行信噪比最大比合并，在获得 准确信道链路状态信息的情况下，实现最大化目的节点D信噪比，目的节点D的瞬时信噪比 丫 1)表示如下：
[0016]
(1)
[0017] 其中，N。是加性高斯白噪声（AWGN)的单边功率谱密度，ξ为目的节点D平均比特 能量，是信道转移矩阵的Frobenius平方范数。假设信道服从Rayleigh不相关平坦衰 落，则IK服从自由度为2(N+1)的中心x2(2N+2)分布，其概率密度函数为：
[0018]
(2)
[0019] 在Rayleigh不相关平坦衰落信道下，系统平均误比特率表示为：
[0020]
(3)：
[0021] 在加性高斯白噪声（AWGN)信道情况下，采用MQAM调制的瞬时误比特率为：
[0022]
⑷
[0023] 其中，M = 2b，b彡2且为偶数
当b为奇数时，去掉上式中 的(1-1/^：)项，得到在Rayleigh衰落信道下的平均误比特率：
[0024]
(5)
[0025] 其中
b为偶数；当b为奇数时，去掉式中的（l_l/2b/2)项。
[0026] 在传输过程中，考虑数据通过封装数据包的形式进行转发，L为一个数据包所包含 的比特数，则数据包差错率表示为：
[0027] PER = I-(I-BER)L (6)
[0028] 步骤2、协作传输能耗分析，WSN节点协作传输过程分为两