专利名称：一种超宽带传感器网络传输方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及网络数据传输技术领域，特别是涉及一种超宽带传感器网络传输方法 和系统。
背景技术：
超宽带技术具有功耗低，传输速率高以及测距准确等优点，目前广泛应用于无线 多媒体传输、传感器网络及其它应用场景。为了提高超宽带传感器网等具备自定位能力 的传感器网络的可存活时间(life time)，现有技术中提出了一种基于线性网络编码的 “协播”(cooperative-cast)方案。在该现有技术方案中，传感器网络中有N个用户(U1, U2. · · Un)要将收集到的信息传输到中心节点D0不失一般性，设U1至Un距离中心节点D的 距离依次减少，即U1距离D最远，而Un距离D最近。在该传输方案中，Ul首先将自己采集 到的数据X1广播到网络内的各个节点。而其它节点Un(ne {1，2，...N})均被分配两个时 隙完成信息传输。在第一个时隙内，Un作为中继节点，将之前接收到的IU1, U2, ... Un_J的 信号以线性网络编码的方式进行线性合并后传输给D;在第二个时隙内，Un 作为源节点，将自身采集到的信息广播给{Un+1，Un+2，...UN}以及D。中心节点D采用多 用户检测器进行信息接收。采用“协播”方案后，传感器网络中各个信息节点累计传输功率 损耗变小，而且各个节点的功率损耗分布更趋于平均，因此传感器网络的可工作时间即寿 命大大增加。但是，在基于线性网络编码的“协播”超宽带传感器网络中，N个节点进行一轮“完 全传输”(complete transmission，即每个节点都依次完成一次将自己采集的信息传输到 中心节点D的过程)，所需的时隙数固定为2N-1。随着超宽带传感器网络中节点数目的增 多，进行一轮“完全传输”所需的时隙数也相应增加。因此，在大规模超宽带传感器网络中， 网络的整体吞吐率会由于网络中节点数目的增多而受限。总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何能够提供一种超 宽带传感器网络传输方法，减少传输所需的时隙数，提高网络的传输效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超宽带传感器网络传输方法，减少传输所 需的时隙数，提高网络的传输效率。为了解决上述问题，本发明公开了一种超宽带传感器网络传输方法，包括获取网络中的各个信息节点到中心节点的距离；依据各个信息节点到中心节点距离的远近对各个信息节点进行分组，得到分组 Gn，其中，1 ^n ^P, P为分组的个数，η的取值越大，分组内的信息节点到中心节点的距离 越近；按照复数域网络编码的方式，将分组G1内的信息节点的数据广播至其它各个分组 以及中心节点；
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按照复数域网络编码的方式，针对除分组G1以外的剩余P-I个分组Gn，以η逐渐 递增的顺序依次进行分组数据传输；对中心节点接收的各个分组发送的数据进行解码，并获取数据传输的判决结果。优选的，各个分组内的信息节点的数目为M = 1 X 2k ；其中，1为大于等于1的整数， k为大于等于0的整数。优选的，所述针对除分组G1以外的剩余P-I个分组Gn，按照η逐渐递增的顺序依 次进行分组数据传输，具体包括对分组Gn分配两个时隙；在一个时隙内，将分组Gn之前接收到的数据进行解码，并按照复数域网络编码的 方式将解码得到的数据转发至中心节点；在另一个时隙内，将分组Gn内的各个信息节点的数据按照复数域网络编码的方式 广播至分组Gn+1、Gn+2. . . Gp以及中心节点；其中，η的初始值为2，每完成一个分组的数据传输，η递增1，直到η取值为P。优选的，采用最大似然的多用户检测算法，在每一时隙内对中心节点接收的各个 分组发送的数据进行解码；采用最大比合并方式，在中心节点接收到所有分组发送的数据 后获取数据传输的判决结果。优选的，依据各个信息节点到中心节点距离的远近对各个信息节点进行分组之 后，所述方法还包括获得各个信息节点的位置信息；根据各个信息节点的位置信息，分别对两个不同分组中的信息节点进行一一配 对；则在分组Gn的一个时隙内，分组Gn中的每个信息节点将接收到的之前分组中配对 的信息节点的数据转发至中心节点。相应的，本发明还公开了一种超宽带传感器网络传输系统，包括信息节点和中心 节占.
I— /、、、 所述信息节点包括距离获取模块，用于获取网络中的各个信息节点到中心节点的距离；节点分组模块，用于依据各个信息节点到中心节点距离的远近对各个信息节点进 行分组，得到分组Gn，其中，1 < η < P，P为分组的个数，η的取值越大，分组内的信息节点 到中心节点的距离越近；第一数据传输模块，用于按照复数域网络编码的方式，将分组G1内的信息节点的 数据广播至其它各个分组以及中心节点；第二数据传输模块，用于按照复数域网络编码的方式，针对除分组G1以外的剩余 P-I个分组Gn，以η逐渐递增的顺序依次进行分组数据传输；所述中心节点包括节点数据获取模块，用于在每一时隙内对中心节点接收的各个分组发送的数据进 行解码，并在中心节点接收到所有分组发送的数据之后获取数据传输的判决结果。 优选的，各个分组内的信息节点的数目为M = 1 X2k ；其中，1为大于等于1的整数， k为大于等于0的整数。
优选的，所述第二数据传输模块包括时隙分配子模块，用于对分组Gn分配两个时隙；数据转发子模块，用于在一个时隙内，将分组Gn之前接收到的数据进行解码，并按 照复数域网络编码的方式将解码得到的数据转发至中心节点；数据广播子模块，用于在另一个时隙内，将分组Gn内的各个信息节点的数据按照 复数域网络编码的方式广播至分组Gn+1、Gn+2. . . Gp以及中心节点；其中，η的初始值为2，每完成一个分组的数据传输，η递增1，直到η取值为P。优选的，所述节点数据获取模块采用最大似然的多用户检测算法，在每一时隙内 对中心节点接收的各个分组发送的数据进行解码；采用最大比合并方式，在中心节点接收 到所有分组发送的数据后获取数据传输的判决结果。优选的，所述信息节点还包括位置信息获取模块，用于获得各个信息节点的位置信息；节点配对模块，用于根据各个信息节点的位置信息，对两个不同分组中的信息节 点进行一一配对； 则，在分组Gn的一个时隙内，分组Gn中的每个信息节点的数据转发子模块将接收 到的之前分组中配对的信息节点的数据转发至中心节点。与现有技术相比，本发明具有以下优点(1)、本发明将超宽带传感器中的各个信息节点按照相对于中心节点的距离进行 分组。各个分组内的信息节点通过采用复数域的网络编码，可以同时发送信息，提高了网 络吞吐率。对于一个具有N的节点的超宽带传感器网络，采用传统的“协播”方式进行一轮 “完全传输”所需的时隙数位2Ν-1 ；在采用本方案后，所需的时隙数仅为2Ν/Μ-1，其中，分组 内的信息节点的数目为Μ，则网络数据的传输效率可以提升约M倍。O)、各个分组内的节点数目可以根据应用场景的信号传输质量和数据量需求，通 过调节分组内的信息节点的数目M的大小，进行灵活配置，从而实现网络吞吐率以及协作 分集性能的灵活折中。(3)、在中心节点采用最大似然算法进行解码，采用最大比合并方式获取判决结 果，可以获得分集增益，检测性能优良。(4)、各个信息节点的累计发射功率损耗降低，并且各个节点的功率损耗分布更趋 于平均，网络的生存期可以大大增加。
图1是本发明一种超宽带传感器网络传输方法实施例一的流程图；图2是本发明一种超宽带传感器网络的信息节点和中心节点的分布示意图；图3是本发明一种超宽带传感器网络传输系统实施例的结构图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明提供的基于复数域网络编码的协作通信方法，适用于大规模超宽带传感器网络及其它具备节点自定位能力的传感器网络。参照图1，示出了本发明一种超宽带传感器网络传输方法实施例一的流程图。在本 发明实施例一中，假设所述超宽带传感器网络中包含N个信息节点{U” U2, ...UN}，各个信 息节点待传输到中心节点D的数据分别为Ix1, x2, . . . xN}。所述方法包括如下步骤步骤101，获取网络中的各个信息节点到中心节点的距离；网络中的各个信息节点根据超宽带系统的特有性能(或采用其它定位方法)测算 出各自到中心节点的距离。对于超宽带系统，由于系统的传输带宽极宽，因此时域的分辨率 很高，可以利用到达时间差(TDOA，Time Difference of Arrival)的方法获得各个信息节 点距中心节点的精确距离。不失一般性，在本发明实施例一中，假设所述超宽带传感器网络 中包含N个信息节点IU1, U2，. . . UJ ,各个信息节点待传输到中心节点D的数据分别为Ix1, x2, . . . xN}，U1, U2, . . . Un到中心节点D的距离依次减小。可以理解的是，除了上述利用超宽带信号本身特性的测距方法之外，还可以采用 其它的辅助方法，例如利用GPS(全球定位系统)确定各个节点的相对位置，这也是传感器 网络中节点测距的一种可选方案。步骤102，依据各个信息节点到中心节点距离的远近对各个信息节点进行分组，得 到分组Gn，其中，1彡η彡P，P为分组的个数，η的取值越大，分组内的信息节点到中心节点 的距离越近；按照各个信息节点到中心节点的距离对各个信息节点进行分组。设网络中包含N 个信息节点IU1, υ2, ...υΝ}，各信息节点距中心节点的距离依次减少，所述信息节点的分组 为(G1,G2. . . Gp},即信息节点划分为P个分组(P = N/M)，每个分组内均包含M个信息节点， 则分组Gl包括的信息节点为IU1, U2，. . . UM},分组(；2包括的信息节点为{UM+1，UM+2，. . . U2M}， 依此类推，分组(^p包括的信息节点为{U(P_1)M+1，U(P_1)M+1，. . . UpmI，也就是说，η的取值越大，分 组内的信息节点到中心节点的距离越近。具体的，各个分组内的信息节点的数目为M = 1 X 2k，其中，1为大于等于1的整数， k为大于等于0的整数。在本发明的优选实施例中，1可取值为1或3，k可在整数范围内任 意选取。分组内的信息节点数目M的大小根据网络要求的吞吐率(网络传输速率)可灵活 配置若吞吐率较高，M可取相对较大的值(则传输相同的数据信息所需的时隙数较小)； 反之，则M可取较小的值。步骤103，按照复数域网络编码的方式，将分组&内的信息节点的数据广播至其它 各个分组以及中心节点；分组G1内的信息节点距离中心节点距离最远，因此，首先将分组G1内的信息节点
的数据&按照复数域网络编码的方式广播到各个分组(即&、G3......Gp)以及中心节点
D ；其中，&即为分组G1内的信息节点的数据，其包括Ix1, x2, ... xM}。具体的，将分组内的信息节点的数据按照复数域网络编码的方式生成发射信号 为=Y1 = [ θ i θ 2. . . θ J [X1 X2. . . ΧΜ]Τ ；然后将所述发射信息Y1广播到各个分组以及中心节 点D。其中，Xi为分组G1内的各个信息节点的数据，Qi代表复数域网络编码的编码码本， 确保同一时隙内接收到的来自不同信源的信号是可区分的，1 < i ^M0步骤104，按照复数域网络编码的方式，针对除分组G1以外的剩余P-I个分组GnW η逐渐递增的顺序依次进行分组数据传输；
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具体的，所述步骤104包括对分组Gn分配两个时隙；在一个时隙内，Gn作为一个虚拟的中继节点，将分组Gn 之前接收到的数据{X1;X2... Xn-J进行解码，然后按照复数域网络编码的方式将解码得到的 数据转发至中心节点D ；在另一个时隙内，Gn作为一个虚拟的源节点，将分组Gn内的各个信 息节点的数据Xn按照复数域网络编码的方式广播至分组Gn+1、Gn+2... Gp以及中心节点D ；其 中，η的初始值为2，每完成一个分组的数据传输，η递增1，直到η取值为P。也就是说，先将( 接收到的数据&进行解码，并将解码得到的数据转发至中心节 点D，然后将分组(；2内的各个信息节点的数据&按照复数域网络编码的方式广播至分组(；3、 G4. . . Gp以及中心节点D ；之后，将( 接收到的数据{Χ”)(2}进行解码，并将解码得到的数据 转发至中心节点D，然后将分组( 内的各个信息节点的数据\按照复数域网络编码的方式 广播至分组(^4、G5. . . Gp以及中心节点D。以此类推，直到将最后一个分组&之前接收到的 数据转发完成，并将分组&内的各个信息节点的数据、广播至中心节点D。步骤105，对中心节点接收的各个分组发送的数据进行解码，并获取数据传输的判 决结果。在本发明的优选实施例中，采用最大似然的多用户检测算法，在每一时隙内对中 心节点接收的各个分组发送的数据进行解码；采用最大比合并方式，在中心节点接收到所 有分组发送的数据后获取数据传输的判决结果。设系统中中心节点获知每时刻的信道状态信息。每个时隙内，中心节点接收到一 个长度为M的信号向量Y，有Y = θ Ηχ+η0其中，θ代表复数域网络编码的编码码本，H代表信道矩阵(形式上为MXM的对 角矩阵)，X为长度为M的发射信号向量，η0为长度为M的噪声向量。最大似然的多用户检 测方法为
权利要求
1.一种超宽带传感器网络传输方法，其特征在于，包括 获取网络中的各个信息节点到中心节点的距离；依据各个信息节点到中心节点距离的远近对各个信息节点进行分组，得到分组Gn，其 中，1彡η彡P，P为分组的个数，η的取值越大，分组内的信息节点到中心节点的距离越近； 按照复数域网络编码的方式，将分组G1内的信息节点的数据广播至其它各个分组以及 中心节点；按照复数域网络编码的方式，针对除分组G1以外的剩余P-I个分组Gn，以η逐渐递增 的顺序依次进行分组数据传输；对中心节点接收的各个分组发送的数据进行解码，并获取数据传输的判决结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 各个分组内的信息节点的数目为M= lX2k;其中，1为大于等于1的整数，k为大于等于0的整数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述针对除分组G1以外的剩余P-I个分组 Gn,按照η逐渐递增的顺序依次进行分组数据传输，具体包括对分组Gn分配两个时隙；在一个时隙内，将分组Gn之前接收到的数据进行解码，并按照复数域网络编码的方式 将解码得到的数据转发至中心节点；在另一个时隙内，将分组Gn内的各个信息节点的数据按照复数域网络编码的方式广播 至分组Gn+1、Gn+2. · · Gp以及中心节点；其中，η的初始值为2，每完成一个分组的数据传输，η递增1，直到η取值为P。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，其特征在于，采用最大似然的多用户检测算法，在每一时隙内对中心节点接收的各个分组发送的数 据进行解码；采用最大比合并方式，在中心节点接收到所有分组发送的数据后获取数据传输的判决结果。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述依据各个信息节点到中心节点距离的 远近对各个信息节点进行分组之后，所述方法还包括获得各个信息节点的位置信息；根据各个信息节点的位置信息，分别对两个不同分组中的信息节点进行一一配对； 则在分组Gn的一个时隙内，分组Gn中的每个信息节点将接收到的之前分组中配对的信 息节点的数据转发至中心节点。
6.一种超宽带传感器网络传输系统，包括信息节点和中心节点，其特征在于， 所述信息节点包括距离获取模块，用于获取网络中的各个信息节点到中心节点的距离； 节点分组模块，用于依据各个信息节点到中心节点距离的远近对各个信息节点进行分 组，得到分组Gn，其中，1 ^n ^ P, P为分组的个数，η的取值越大，分组内的信息节点到中 心节点的距离越近；第一数据传输模块，用于按照复数域网络编码的方式，将分组G1内的信息节点的数据 广播至其它各个分组以及中心节点；第二数据传输模块，用于按照复数域网络编码的方式，针对除分组G1以外的剩余P-I 个分组Gn，以η逐渐递增的顺序依次进行分组数据传输；所述中心节点包括节点数据获取模块，用于在每一时隙内对中心节点接收的各个分组发送的数据进行解 码，并在中心节点接收到所有分组发送的数据之后获取数据传输的判决结果。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，各个分组内的信息节点的数目为M= lX2k;其中，1为大于等于1的整数，k为大于等于0的整数。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二数据传输模块包括时隙分配子模块，用于对分组Gn分配两个时隙；数据转发子模块，用于在一个时隙内，将分组Gn之前接收到的数据进行解码，并按照复 数域网络编码的方式将解码得到的数据转发至中心节点；数据广播子模块，用于在另一个时隙内，将分组Gn内的各个信息节点的数据按照复数 域网络编码的方式广播至分组Gn+1、Gn+2. . . Gp以及中心节点；其中，η的初始值为2，每完成一个分组的数据传输，η递增1，直到η取值为P。
9.如权利要求6或8所述的系统，其特征在于，其特征在于，所述节点数据获取模块采用最大似然的多用户检测算法，在每一时隙内对中心节点接 收的各个分组发送的数据进行解码；采用最大比合并方式，在中心节点接收到所有分组发 送的数据后获取数据传输的判决结果。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述信息节点还包括位置信息获取模块，用于获得各个信息节点的位置信息；节点配对模块，用于根据各个信息节点的位置信息，对两个不同分组中的信息节点进 行一一配对；则，在分组Gn的一个时隙内，分组Gn中的每个信息节点的数据转发子模块将接收到的 之前分组中配对的信息节点的数据转发至中心节点。
全文摘要
本发明提供了一种超宽带传感器网络传输方法和系统，所述方法包括获取网络中的各个信息节点到中心节点的距离；依据各个信息节点到中心节点距离的远近对各个信息节点进行分组，得到分组Gn，1≤n≤P，P为分组的个数，n的取值越大，分组内的信息节点到中心节点的距离越近；按照复数域网络编码的方式，将分组G1内的信息节点的数据广播至其它各个分组以及中心节点；按照复数域网络编码的方式，针对除分组G1以外的剩余P-1个分组Gn，以n逐渐递增的顺序依次进行分组数据传输；对中心节点接收的各个分组发送的数据进行解码，并获取数据传输的判决结果。通过本发明减少了传输所需的时隙数，提高了网络的传输效率。
文档编号H04B7/06GK102111810SQ20101061442
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者朱亮, 耿春华, 葛宁, 裴玉奎 申请人:清华大学