专利名称：Wsn中基于sdma的数据采集动态拓扑控制方法
技术领域：
本发明属于无线传感网通信技术领域，涉及ー种数据采集拓扑方法，具体涉及ー 种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网对移动性的支持一直是ー个研究热点。按照移动点的数目不同，移动性可分为1)节点全移动这个有些类似于Adhoc网络，但此处的移动仅是为了满足传感网中的某些目标，网络最终要趋向静止状态，所以与Adhoc网有很大的不同，一个合适的例子是全移动网络场景下，移动节点的布设需满足覆盖率和连通度要求ク)部分节点移动数目大于1的节点根据网络的设计目标进行移动，如移动节点辅助提高网络的覆盖率和连通性、传感器节点的二次重布设等；3) 单节点移动单节点根据特定的任务目标在网络中移动，如移动节点辅助网络中其他节点的自定位、无线传感器网络对移动节点的导航辅助、移动Sink自适应拓扑数据采集等。对于存在移动节点的网络拓扑，移动性与网络拓扑的关系可以归结成拓扑决定移动、移动决定拓扑这两类情形。1)拓扑决定移动这种情况下，往往对应集中式的拓扑构建方式，事先构建的拓扑是最终获得的局部拓扑的集合。拓扑构建的过程中，就需要对移动Sink的移动路径进行规划，明确移动Sink在各个时间点的位置，及在该位置上对应的局部拓扑。2)移动决定拓扑这种情况下，往往对应的是突发情形的拓扑构建。此时的网络应用是事件驱动型的网络，或是完全随机型的网络。局部拓扑的构建应该是由移动Sink随机发起，移动Sink利用组建的网络完成目标点跟踪或是数据采集等任务。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供ー种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，该方法可以均衡网络能耗，提高网络寿命。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供ー种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法。ー种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，包括步骤ー网络初始化阶段，移动Sink到网络中预设的数据上载点进行信道测试， 确定网络中具有兼容关系的传感器节点对，称为兼容节点对；步骤ニ 每个兼容节点对根据最小能耗最多配对准则对应ー个数据上载点；移动 Sink计算获得全局网络的数据上载点与兼容节点对的对应关系；步骤三根据最佳配对准则确定各兼容节点对的权值，并利用最大加权配对算法筛选出具备最大生存期的兼容节点对集合，所述集合中的兼容节点对即为匹配节点对；步骤四当与匹配节点对对应的数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径时，拆散其中距离较大的匹配节点对；步骤五采用最短路径最大覆盖树的方法找出能遍历所有与最终获得的匹配节点对和独立节点对应的数据上载点的集合，并确立访问所述集合的最短路径方案；步骤六移动Sink根据所述最短路径方案访问所述集合中的数据上载点，并在所访问的数据上载点处发布对应的匹配节点对信息，完成数据采集和对应动态拓扑的构建；步骤七若移动Sink完成全部传感器节点的数据采集后仍未达到网络的设计使用寿命，或网络中节点存活比例大于预设比例，则返回继续执行步骤六；否则，停止数据采条。作为本发明的一种优选方案，步骤一中，所述信道测试的具体实现过程为1)传感器节点通过接收移动Sink发送的探针消息，确定自身的发射功率，并对探针消息进行回复；2)移动Sink通过回复的探针消息确定传感器节点的信道參数及其与邻居传感器节点的兼容关系，并实时告知该传感器节点。作为本发明的另ー种优选方案，步骤ニ中，距离兼容节点对的中心最近的数据上载点即为该兼容节点对的最小能耗上传点。作为本发明的再一种优选方案，步骤三中，兼容节点对的权值计算函数为w = ~(d'p + d2]p )(1 + |cos θ\) - dy其中，dip，dJp分别为传感器节点i，j到对应的数据上载点P的距离；Clij为传感器节点i，j间距离，θ为的中线与的夹角。作为本发明的再一种优选方案，步骤四中，当数据上载点间的最短距离小于移动 Sink的通信半径d。。m吋，如果も，则拆散距离较大的匹配节点对。如上所述，本发明所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，具有以下有益效果1)SDMA技术的采用，使得移动Sink能同时接收两路信号，缩短了数据上载所消耗的时间；2)移动Sink与网络拓扑管理相结合后，相比传统的拓扑控制算法，带来了提升网络寿命的显著优势；3)最小能耗最多配对准则的采用，能最大限度的保留兼容节点对，为实现最大限度利用SDMA技术奠定基础；4)最佳配对准则的采用，能较长时间的利用SDMA技术带来的低时延、快速数据采集的好处。
图1为SDMA线性解相关接收模型框图。图2为兼容节点对和匹配节点对示意图。图3为本发明所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法的流程示意图。
图4为兼容节点对选取对应数据上载点的说明示意图。图5为兼容节点对的权值函数參数示意图。图6为实施例ニ所述的60mX60m正方形区域网络场景示意图。
具体实施例方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的
具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。请參阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为ー种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本发明从传感网最基本的目标功能——数据采集入手，对单节点移动情况下的自适应拓扑管理进行研究。在本发明中，以能耗均衡作为动态拓扑的构建目标，令移动Sink 在网络中充当数据汇聚点的角色。考虑到SDMA技术对传感网动态拓扑构建的特殊影响，由移动Sink决定网络拓扑，构建ー套能极大限度发挥SDMA优势，同时延长网络寿命的评估体糸。SDMA (Space Division Multiple Access，空分多址接入)技术是 MIMO (Multiple Input Multiple Output，多入多出)技术的ー个分支。它是指当节点(Sink)安装有双天线，同时具备较强的计算能力吋，在已知信道环境关键參数的前提下，节点能通过内部信息处理同时解析出两个其他节点发出的信息。在实际移动Sink数据采集应用中，一般是传感器节点装备ー个天线；移动Sink装备双天线和ー个线性自适应滤波装置，可同时接收两路信号。滤波器參数U1, U2满足如下条件ii>2 = 0，I^h1 = 0，h和Ii2为两个天线分别对应的信道參数，“*”表示对矢量进行共轭运算。利用图1所示的线性解相关接收模型即可实现 SDMA。本发明针对移动Sink下的数据采集应用，利用空分多址(SDMA)技术的低时延特性，提出了 ー种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，该方法是把移动Sink与 SDMA技术相结合的低时延高能量效率的以数据采集为目的的动态拓扑构建方法。下面结合附图对本发明的
具体实施方式
作进ー步详细说明。实施例一本发明在移动Sink拓扑管理中引入了新技术SDMA，使得移动Sink能同时接收两个传感器节点的数据，在引入该技术以后，拓扑的问题进一步变成了如何控制使用SDMA技术的配对的问题，以及如何在此基础上规划移动Sink的移动路径，如何构建适合SDMA技术的局部拓扑的问题。本发明提出了ー种能量感知配对选取方法，该方法考虑了配对节点的位置和能量特性，由移动Sink来决定使用SDMA技术的传感器节点組合。为表述方便，定义了如下术语兼容节点对如果传感器节点i、j能使用SDMA技术与移动Sink进行通信，那么这两个传感器节点即构成兼容节点对，记作Compatible (i，j)；匹配节点对如果传感器节点i、j被移动Sink选中作为同时上报的节点，那么这两个传感器节点构成匹配节点对，记作Match (i，j)；以图2为例，兼容节点对包括<A，B>、<B，C>、<C，D> ；实际上传时，匹配节点对仅包括<A，B>、<C，D>，可见匹配节点对仅是兼容节点对的ー个子集。本实施例提供ー种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，该方法是移动路径规划与配对选取相结合的动态拓扑构建方法，流程如图3所示，具体包括以下步骤步骤ー网络初始化阶段，移动Sink到网络中预设的数据上载点进行信道测试， 确定网络中具有兼容关系的传感器节点对(简称兼容节点对)。信道测试的过程为1)传感器节点通过接收移动Sink发送的探针消息，确定自身的发射功率，并对探针消息进行回复；2)移动Sink通过回复的探针消息确定传感器节点的信道參数，及其与邻居传感器节点的兼容关系，并实时告知该传感器节点。两个传感器节点是否具备兼容关系，主要取决于传感器节点的发射功率、各自对应的信道參数、接收灵敏度(接收灵敏度为传感器节点自身射频模块的物理特性)及信道噪声(该噪声理论上计算时认为信道为高斯信道，实际测试时，以实际信道噪声为主，测得的信号量实际为真实信号量+信道噪声)。具备兼容关系的节点需要满足以下条件设移动Sink接收到的信号可表示为
权利要求
1.ー种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其特征在干，所述WSN中基于 SDMA的数据采集动态拓扑控制方法包括步骤ー网络初始化阶段，移动Sink到网络中预设的数据上载点进行信道测试，确定网络中具有兼容关系的传感器节点对，称为兼容节点对；步骤ニ 每个兼容节点对根据最小能耗最多配对准则对应ー个数据上载点；移动Sink 计算获得全局网络的数据上载点与兼容节点对的对应关系；步骤三根据最佳配对准则确定各兼容节点对的权值，并利用最大加权配对算法筛选出具备最大生存期的兼容节点对集合，所述集合中的兼容节点对即为匹配节点对；步骤四当与匹配节点对对应的数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径时，拆散其中距离较大的匹配节点对；步骤五采用最短路径最大覆盖树的方法找出能遍历所有与最终获得的匹配节点对和独立节点对应的数据上载点的集合，并确立访问所述集合的最短路径方案；步骤六移动Sink根据所述最短路径方案访问所述集合中的数据上载点，并在所访问的数据上载点处发布对应的匹配节点对信息，完成数据采集和对应动态拓扑的构建；步骤七若移动Sink完成全部传感器节点的数据采集后仍未达到网络的寿命或网络中传感器节点存活比例大于预设比例，则返回继续执行步骤六；否则，停止数据采集。
2.根据权利要求1所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其特征在于步骤一中，所述信道测试的具体实现过程为1)传感器节点通过接收移动Sink发送的探针消息，确定自身的发射功率，并对探针消息进行回复；2)移动Sink通过回复的探针消息确定传感器节点的信道參数及其与邻居传感器节点的兼容关系，并实时告知该传感器节点。
3.根据权利要求1所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其特征在干步骤ニ中，距离兼容节点对的中心最近的数据上载点即为该兼容节点对的最小能耗上「マ；1Wn Ο
4.根据权利要求1所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其特征在于步骤三中，兼容节点对的权值计算函数为w=-(《+<)(HcH)-《其中，dip，dJP分别为传感器节点i，j到对应的数据上载点P的距离；Clij为传感器节点 i，j间距离，θ为Clij的中线与Clij的夹角。
5.根据权利要求4所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其特征在于步骤四中，当数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径(1。 时，如果 4 > 0.5 χ V3 Jcom，则拆散距离较大的匹配节点对。
全文摘要
本发明提供一种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，包括移动Sink进行信道测试，确定兼容节点对；计算获得全局网络的数据上载点与兼容节点对的对应关系；利用最大加权配对算法筛选出具备最大生存期的兼容节点对集合作为匹配节点对集合；当数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径时，拆散其中距离较大的匹配节点对；找出能遍历所有与最终获得的匹配节点对和独立节点对应的数据上载点的集合，确立访问集合的最短路径方案；移动Sink根据最短路径方案访问集合中的数据上载点，完成数据采集和动态拓扑的构建；若未达到网络的设计使用寿命，或节点存活比例大于预设比例，则继续访问；否则，停止数据采集。本发明可以均衡网络能耗，提高网络寿命。
文档编号H04W52/02GK102573023SQ201110366770
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者夏凌楠, 张帅, 李凤荣, 林振华, 王临琳, 王晓东, 高丹 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 中国科学院嘉兴无线传感网工程中心