[发明专利]无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法

摘要

本发明公开了无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法。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－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。本发明方法可以有效提高无线传感器网络节点协作传输的能量有效性。

主权项

1.无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法，其特征在于包括以下步骤：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；接收端对接收到的各路信号进行信噪比最大比合并，实现最大化接收端信噪比；步骤2、协作传输能耗分析，WSN节点协作传输过程分为两个过程：广播过程和协作转发过程；步骤3、协作传输总能耗优化和协作传输中继节点选择；步骤1所述的协作传输误码性能分析；具体如下：1‑1.协作WSN系统建模⑴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dm；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；⑵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；⑶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；⑷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；1‑2.协作传输误码性能目的节点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γb表示如下：其中，N₀是加性高斯白噪声(AWGN)的单边功率谱密度，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，则服从自由度为2(N+1)的中心χ²(2N+2)分布，其概率密度函数为：在Rayleigh不相关平坦衰落信道下，系统平均误比特率表示为：在加性高斯白噪声信道情况下，采用MQAM调制的瞬时误比特率为：其中，M＝2^b,b≥2且为偶数；当b为奇数时，去掉上式中的项，得到在Rayleigh衰落信道下的平均误比特率：其中b为偶数；当b为奇数时，去掉式中的(1‑1/2^b/2)项；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：PER＝1‑(1‑BER)L                     (6)；步骤2所述的协作传输能耗分析；具体如下：2‑1.广播过程传输能耗分析由于MQAM是一个可变速率的调制方式，其调制参数b＝log₂M；若带宽为B，信源广播时间为信息速率为R_b，则调制参数如下：在WSN中，节点的能耗包括节点工作时的能耗、节点休眠时的能耗和过渡状态的能耗，具体表示以下：E＝Pon×Ton+Psleep×Tsleep+Ptransient×Ttransient                 (8)其中，Pon、Psleep和Ptransient分别表示节点处于工作状态、休眠状态和过渡状态的功耗；同样，Ton、Tsleep和Ttransient分别表示节点处于工作状态，休眠状态和过渡状态的时间；节点处于工作状态的功率Pon分为节点转发功率Ptransmission和其他电路模块的功率Pcircuit；为了简便起见，休眠时间的功耗忽略不计，则：Pon＝Ptransmission+Pcircuit                       (9)节点转发功率Ptransmission包括节点发射功率Ptransmit和放大器功率Pamplifying，且Pamplifying＝αPtransmit，α表示放大系数；Ptransient≈2Psyn，Psyn表示频率同步器的功率；所以，总能量消耗能够表示为：E＝[Ptransmit(1+α)+Pcircuit]Ton+2Psyn×Ttransient               (10)由于过渡状态的功耗与电路功耗相比是微不足道的，使用常量PC表示电路模块的能耗，则：E＝[Ptransmit(1+α)+PC]×Ton                    (11)节点发射功率表示为：其中，表示在给定的误比特率要求下，接收端接收每比特信息所需要的平均能量；R_b是传输比特率，G_t、G_r是发射机和接收机的天线增益；λ是载波波长，M_l是硬件过程变化和其它加性背景噪声或者其它干扰的连接边缘补偿，N_f是接收机噪声指数，d_ij，k_ij分别是节点i和节点j之间的距离和路径衰落系数；将式(12)带入式(11)，且Ton＝L/Rb，得到每个节点的总能耗为：其中表示放大器系数；P_C代表总的电路消耗，P_C＝N_T×P_ct+N_R×P_cr，N_T、N_R分别表示发送节点和接收节点的数量；P_ct、P_cr分别表示发送节点和接收节点的功耗；广播过程的误码率性能分析等同于单输入单输出结构，在给定平均误比特率要求下，采用MQAM调制的广播过程平均比特能量为在广播过程中，以广播距离d_m为自变量，分析不同中继节点N参与协作通信时，WSN广播含L比特的信息数据包所需要的传输能量E_a1表示如下：其中，Pr_b代表误比特率；b₁是在满足误码率的前提下，广播过程中不同中继数N在不同广播距离d_m下传输能量E_a1最小时，所对应的MQAM调制参数；2‑2.协作转发过程传输能耗分析信源节点S和N个正确解包的中继节点形成一个虚拟天线阵，采用分布式空时分组编码(D‑STBC)将数据包转发给目的节点；协作转发的平均误码率性能分析等同于N+1根发送天线、1根接收天线的MISO结构；当已知协作节点数N，采用MQAM调制的协作转发过程平均比特能量为在协作转发过程中，以转发距离d‑d_m为自变量，分析不同中继节点N向目的节点D发送数据时，协作转发含L比特的信息数据包所需要的传输能量E_a2为：其中，Pr_b代表误比特率；b₂是在协作转发过程中，不同中继数N在不同转发距离d‑d_m的条件下传输能量E_a2最小时，所对应的MQAM调制参数；2‑3.协作传输总能耗协作WSN中发送含L比特信息数据包的总能耗为广播过程传输能耗和协作转发过程传输能耗两部分之和，即：Esum＝Ea1+Ea2                       (16)。