一种延长无线传感器网络生命周期的方法
【专利摘要】本发明涉及无线通信、传感器技术、信息采集与处理技术、网络技术、物联网【技术领域】，尤其涉及一种延长无线传感器网络生命周期的方法。本发明基于与无线传感器网络簇结构的分层协议——LEACH(Low-Energy?AdaptiveClusteringHierarchy)协议将多跳路由和MIMO技术嵌入LEACH协议进行跨层设计，大大延长了无线传感器网络的生命周期。通过选定簇首的选择算法、簇的形成算法以及基于中心控制的改进协议LEACH-C，设计出了基于分簇结构的多跳路由协议——MultihopLEACH，它以最近的邻居簇首作为下一跳路由，采用了MTE路由算法，并引入冲突避免机制；采用中心控制思想，由基站基于路径损耗进行路由选择。如此将多跳路由和MIMO技术嵌入LEACH协议进行跨层设计，大大延长了无线传感器网络的生命周期。
【专利说明】一种延长无线传感器网络生命周期的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信、传感器技术、信息采集与处理技术、网络技术、物联网【技术领域】，尤其涉及一种延长无线传感器网络生命周期的方法。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络中的节点主要包括传感器模块、中央微处理器模块和无线收发模块，其原理图如图1所示。
[0003]无线传感器网络是集数据采集、信息处理和无线通信等功能于一体的新型分布式自组织网络，在军事、环保、医疗和空间探索等领域具有很大的潜力。无线通信中的MIMO运用发射端和接收端的多副天线来改善无线通信性能，而无需额外的无线带宽，这些性能可以是频谱效率、数据吞吐量、链路范围、链路可靠性、多用户情形中的QoS。MMO技术可以能通过空间复用，增加信道容量，也可以能通过分集增益，用于对抗无线信道衰落，增强无线链路的可靠性，降低发送端的通信能量损耗。通过多个无线传感器节点协作构成的协作MMO系统具有能耗小，传输快等特性，能降低网络能耗，延长网络生存时间，提高网络传输速率。在基于MMO技术的无线传感器网络中，分簇算法是决定协作MMO实现与影响网络能耗性能的关键技术。
【发明内容】
[0004]1.所要解决的技术问题
传统的无线通信技术过于复杂，对资源的占用较高且功耗较大。
[0005]2.技术方案
为了解决以上问题，本发明提供了一种延长无线传感器网络生命周期的方法，系统采用无线传感器网络跨层设计模型，图2所示是结合MMO技术的多跳LEACH协议工作模型。系统按照LEACH协议不断重复簇的重构过程，每次重构称为一个回合。数据传输时，在网络层采用了多跳路由技术，在物理层嵌入了 MMO技术，源节点采集到的数据以多跳MMO方式传送到基站。簇内采用具有二次衰落特性的高斯白噪声信道，簇间采用非频率选择性慢衰落瑞利信道模型。图2结合MIMO技术的多跳LEACH协议工作模型假设各节点具有全局唯一的标识ID且已知基站位置，各节点具有相同的初始能量且发射功率可调。
[0006]在无线传感器网络中，分簇算法形成的拓扑结构将整个网络监测区域划分为若干个簇，每个簇通常有一个簇头和多个成员节点。在簇内，通过簇头选取一些成员节点作为协作节点共同传输数据，这样就构成一个了协作MIMO系统。基于这一思想，本章将结合分簇路由算法和MMO技术进行跨层设计，并提出一个网络负载均衡的传输协议。在第二章中，本文针对LEACH协议中存在的族头分布不均勻和簇头产生时未考虑到节点的能量状态这两点不足，提出了一个能量有效的协议EE-LEACH。但EE-LEACH协议中采用的扇形区域划分策略，并不适合应用在大规模的网络中，因此，本章将在EE-LEACH协议的基础上，采用正六边形区域划分的策略对网络进行分簇，并结合MMO技术，提出一种结合协作MMO的分族传输协议，从而达到有效节省网络能量并均衡网络负载的目的，本文称其为 EB-LEACH-MM0 协议。
[0007]3.有益效果
MMO系统不单单运用了信道增益矩阵的结构来获得相互独立的信号通路，实现空间复用，增加信道容量，同时也通过运用天线阵列的空间距离，得到阵列增益以及分集增益，用来对抗无线信道衰落，增强无线链路的可靠性，减少发送端的通信能量损耗，因此MMO技术与SISO技术相比较而言，不但在能耗以及误码率相同的情况下，获得较高的信息传送速率，而且负载与误码率的一定的情况下，大大降低通信功率。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1无线传感器网络节点原理图
图2结合MMO技术的多跳LEACH协议工作模型
【具体实施方式】
[0009]下面通过实施例来对本发明进行详细说明。
[0010]实施例1
其工作方式如下，
系统的工作过程分为一个个的回合，每个回合又分为建立阶段和稳定阶段。
[0011]1、建立阶段
各节点按照LEACH协议的分布式算法决定自己是否在本回合成为了簇首节点，各簇首节点用发射功率相等的Pout广播一个通告信息。这里采用非坚持CSMA /MAC层协议，通告信息包包含有簇首节点的ID和地理状态信息。如果簇首节点接收到通告信息，则将其加入邻居节点列表，用于构建路由表，具体的路由算法将在后面详细说明；如果非簇首节点接收到通告信息，则选择接收信号强度最大的一个作为其簇首并发送一个加入簇请求信息。簇建立后，各簇首节点选择n个簇内节点作为合作节点，充当MMO的多根天线，为简化模型，本文以就近原则选择合作节点。接着，各簇首节点生成一个TDMA时间调度表，并进行簇内广播，广播信息包含有TDMA调度表、合作节点ID和天线序号以及下一跳簇首节点ID。各节点接收到TDMA调度表后，查看自己是否被选为合作节点。如果是，则继续监听，否则进入睡眠状态。
[0012]2、稳定阶段
簇建立后即进入稳定阶段，各源节点采集的数据以多跳MMO的方式接力向基站传输
(I)普通节点判断是否被分配到TDMA时间片。如果是则在自己的TDMA时间片内将数据传递给簇首节点，其他时间就处于睡眠状态；否则直接进入睡眠状态。
[0013](2)簇首节点判断簇内是否有其他节点的存在。如果有，则在接收完簇内所有节点的数据后，与自身数据进行数据融合，然后转(3);否则直接转(3)。
[0014](3)簇首节点判断是否有合作节点存在。如果有，则将数据向合作节点广播，转(4);否则转(5)。
[0015](4)合作节点则根据自己的天线序号对接收到的数据进行STBC编码后传递给下一跳簇首节点，转(6 )。[0016](5)簇首节点直接将数据传递给下一跳簇首节点。
[0017](6)簇首节点接收到来自上一跳的数据后，判断是否为STBC编码数据。如果是，则等待接收完各天线数据后进行STBC解码；否则直接转(7)。
[0018](7)重复(3)?(6)，直到数据发送到基站(BS)。为减少码间干扰和冲突，系统采用直接序列扩频技术和CSMA发送方式。
【权利要求】
1.一种延长无线传感器网络生命周期的方法，包括:系统采用无线传感器网络跨层设计模型，图2所示是结合MMO技术的多跳LEACH协议工作模型。
2.如权利要求1所述的一种延长无线传感器网络生命周期的方法，其特征在于:系统按照LEACH协议不断重复簇的重构过程，每次重构称为一个回合，数据传输时，在网络层采用了多跳路由技术，在物理层嵌入了 MIMO技术，源节点采集到的数据以多跳MIMO方式传送到基站。
3.如权利要求1-2所述的一种延长无线传感器网络生命周期的方法，其特征在于:簇内采用具有二次衰落特性的高斯白噪声信道，簇间采用非频率选择性慢衰落瑞利信道模型。
4.如权利要求1-3所述的一种延长无线传感器网络生命周期的方法，其特征在于:图2结合MMO技术的多跳LEACH协议工作模型假设各节点具有全局唯一的标识ID且已知基站位置，各节点具有相同的初始能量且发射功率可调。
5.如权利要求1-4所述的一种延长无线传感器网络生命周期的方法，其特征在于:在无线传感器网络中，分簇算法形成的拓扑结构将整个网络监测区域划分为若干个簇，每个簇通常有一个簇头和多个成员节点，在簇内，通过簇头选取一些成员节点作为协作节点共同传输数据，这样就构成一个了协作MIMO系统。
【文档编号】H04W40/32GK103648145SQ201310647426
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】蔡锐锐, 王志鹏, 徐晓声, 郭坤祺 申请人:镇江坤泉电子科技有限公司