专利名称：一种基于ook调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信中的节能信源编码方法，该方法适用于采用OOK调制的无线传感器网络。
背景技术：
无线传感器网络在环境监测、医疗卫生、工业自动化、军事侦查等领域有着非常广泛的前景。由于传感器网络中的传感器节点通常是由电池来供电，其能量非常有限，因此如何降低节点的能量消耗、延长网络的生存时间是有待研究的关键问题之一。传感器节点的能量消耗发生在数据采集、数据处理、数据发送、数据接收等环节。其中，数据发送所消耗的能量会占总能量消耗的很大比例。比如说，发送一个比特所消耗的能量与处理上千条计算指令所消耗的能量大致相当。因此，如何降低发送信息所消耗的能量是非常值得持续深入研究的重要问题。为了节省发送信息时消耗的能量，采用OOK调制是一种适合的候选调制方案。OOK调制方式是仅仅在发送“I”比特时发送电压信号，而在发送“O”比特时保持安静即天线上不发送任何电压信号。因此，采用OOK调制方式的通信方式只会在发送“I”比特时消耗能量，达到了节能的目的。对于采用OOK调制方式的无线通信，我们可以通过采用信源编码技术，将m比特长的信息串映射到η比特长的码字以便降低“I”比特的出现次数，从而进一步的降低发送能耗，其中n>m。目前为止，已有一些文献研究设计信源编码方法来降低“I”比特的出现次数。比如ME编码方法(参见《Energy Efficient Source Coding and Modulation forffirelessApplications)),刊于 IEEE WCNC, 2003)、MEC编码方法(参见《Minimum Energy Coding forWireless NanoSensor Networks)),刊于 IEEE INF0C0M, 2012)等等。然而这些源编码方法都是设计固定码长的前缀编码，这种固定码长编码虽然减少了“I”比特的出现次数，但编码前信息长度与编码后码字长度的比值即码率偏低，从而导致传输效率偏低。设计开发变长码即码字长度不一样的编码方法，既可以有效减少“I”比特的出现次数又可以达到高码率。
发明内容
为了克服现有无线传感器网络的固定码长编码导致码率偏低的不足，本发明提出了一种基于00K调制的无线通信中的变码长编码方法，该方法在保证码率即传输效率不低于所给定门限值的前提下得到码重即“I”比特个数较低的码字集合，从而降低节点的能量消耗。故该技术可以应用于使用00K调制的无线传感器网络中，进而极大延长能量极其受限的通信节点存活时间。本发明为了解决上述技术问题提供的技术方案为一种基于00K调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方法，利用变长码字集合选取方法来构造出达到预定的码率且具有很低码字平均重量的码字集合，并利用基于码表查询的编解码法来进行编码和解码，其中，所述的变长码字集合选取方法包括以下步骤(1.1)对于长度为m比特的信息串编码问题，构造一颗深度为m的满二叉树，将其每个节点的左分支标为0，右分支标为I ;二叉树从根节点到每个叶子节点的路径序列代表着一个码字，以便使该编码具有前缀性；(1. 2)对每个节点IIi,计算其重量度量Wi和层数度量Li,其中重量度量Wi为从根节点到节点Iii的路径序列中I的个数，而层数度量Li为从根节点到节点IIi的路径序列的长度，计算出所有叶子节点层数度量的总和LT。(1. 3)对二叉树中的叶子节点反复进行裁剪和扩展操作并更新Lt，直到Lt达到临界值为止；所述基于码表查询的编解码法包括以下步骤(2.1)码表构造是先将2-个不同的m比特长信息串与所选取的2m个码字进行 对应,存储为一张码表；(2. 2)码表存储将码表保存在发送节点和接收节点中；(2. 3)编解码操作发送节点通过码表查寻来找出信息串对应的码字，接收节点通过码表查寻来找出码字对应的信息串。进一步，步骤(1.1)中参数m的取值取决于传感器节点的内存大小，m的取值所得到的码表大小要小于节点里所具备的内存大小。更进一步，所述步骤(1. 2)中叶子节点的重量度量能反应出其对应码字的发送所要消耗的能量，叶子节点的层数度量能反应出其对应码字的发送所要消耗的时间。
再进一步，所述步骤(1. 3)中，所述裁剪与扩展操作包括下列操作内容(1. 3.1)确定待裁剪的叶子节点的候选集合Nd :首先初始化Nd=(K然后在具有相同层数的所有叶子节点中，挑选具有最大重量的叶子节点加入到Nd中；(1. 3. 2)确定待扩展的叶子节点的候选集合Ne :首先初始化Ne= Φ，然后在具有相同层数的所有叶子节点中，挑选具有最小重量的叶子节点加入到Ne中；(1. 3. 3)对每一对叶子节点Ovnj),其中Iii e Nd和n」e Ne,计算其收益度量值Gi,」，如果所有以上的叶子节点对的收益度量值都是零，则结束操作；否则，挑选出具有最大收益度量的叶子节点对Oii, np，如果多对具有相同的最大收益度量值，则任意选择其中一对，然后根据以下式子来计算如果进行裁剪和扩展将导致的叶子节点的层数总和
权利要求
1.一种基于OOK调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方法，其特征在于利用变长码字集合选取方法来构造出达到预定的码率且具有很低码字平均重量的码字集合，并利用基于码表查询的编解码法来进行编码和解码，其中，所述的变长码字集合选取方法包括以下步骤 (1.1)对于长度为m比特的信息串编码问题,构造一颗深度为m的满二叉树,将其每个节点的左分支标为0，右分支标为I ;二叉树从根节点到每个叶子节点的路径序列代表着一个码字，以便使该编码具有前缀性； (1. 2)对每个节点Iii,计算其重量度量Wi和层数度量Li,其中重量度量Wi为从根节点到节点Iii的路径序列中I的个数，而层数度量Li为从根节点到节点Iii的路径序列的长度，计算出所有叶子节点层数度量的总和LT。
(1. 3)对二叉树中的叶子节点反复进行裁剪和扩展操作并更新Lt，直到Lt达到临界值为止； 所述基于码表查询的编解码法包括以下步骤 (2.1)码表构造是先将2-个不同的m比特长信息串与所选取的2m个码字进行一一对应，存储为一张码表； (2. 2)码表存储将码表保存在发送节点和接收节点中； (2. 3)编解码操作发送节点通过码表查寻来找出信息串对应的码字，接收节点通过码表查寻来找出码字对应的信息串。
2.如权利要求1所述的基于OOK调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方法，其特征在于步骤(1.1)中参数m的取值取决于传感器节点的内存大小，m的取值所得到的码表大小要小于节点里所具备的内存大小。
3.如权利要求1或2所述的基于OOK调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方法，其特征在于所述步骤(1.2)中叶子节点的重量度量能反应出其对应码字的发送所要消耗的能量，叶子节点的层数度量能反应出其对应码字的发送所要消耗的时间。
4.如权利要求1或2所述的基于OOK调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方法，其特征在于所述步骤(1. 3)中，所述裁剪与扩展操作包括下列操作内容 (1. 3.1)确定待裁剪的叶子节点的候选集合Nd :首先初始化Nd=Cj5，然后在具有相同层数的所有叶子节点中，挑选具有最大重量的叶子节点加入到Nd中； (1. 3. 2)确定待扩展的叶子节点的候选集合Ne :首先初始化Ne= Φ，然后在具有相同层数的所有叶子节点中，挑选具有最小重量的叶子节点加入到Ne中； (1. 3. 3)对每一对叶子节点其中Iii e Nd和η」e Ne,计算其收益度量值Gm,如果所有以上的叶子节点对的收益度量值都是零，则结束操作；否则，挑选出具有最大收益度量的叶子节点对(Iii,np，如果多对具有相同的最大收益度量值，则任意选择其中一对，然后根据以下式子来计算如果进行裁剪和扩展将导致的叶子节点的层数总和 Lt+ [L -Li+!), 如果W1-Wi >I且; ,.的兄弟节点无了·节点 I=— 如果 T>m.27Rth 则 Lt +(Lj -Li + 2), 如果W1- W, > I且《,的兄弟节点有子节点结束算法； (1. 3. 4)裁剪掉叶子节点Iii，如果Iii的兄弟节点无子节点则一起裁剪掉。然后将叶子节点r^.扩展出两个新的子叶子节点nk和ηι。分别计算出这两个新叶子节点的重量度量和层数度量。将二叉树更新后所有叶子节点的层数的总和Lt更新为Lt=L' t。
5.如权利要求4所述的基于OOK调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方法，其特征在于所述步骤(1. 3. 3)中收益度量值Gy的计算公式为
全文摘要
一种基于OOK调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方法，利用变长码字集合选取方法来构造出达到预定的码率且具有很低码字平均重量的码字集合，并利用基于码表查询的编解码法来进行编码和解码；码字集合选取方法是通过构造一颗完全二叉树，二叉树的每个叶子节点代表着一个码字，然后不断地进行叶子节点的裁剪与扩展操作来不断降低码字平均重量，直到平均码长达到门限值时结束叶子节点操作。基于码表查询的编解码法是将信息集合中的信息与码字集合中的码字一一匹配并以表格形式存储于每个传感器节点中，在发送节点上通过查询码表来将信息映射成码字，在接收节点上通过查询码表来将码字解码出信息。本发明码率较高、降低节点的能量消耗。
文档编号H04L1/00GK103067125SQ20121055230
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者池凯凯, 程珍, 朱艺华, 孙立, 田贤忠 申请人:浙江工业大学