專利名稱：一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及其中的基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由方法。
背景技術(shù)：
隨著通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、 計算能力和通信能力的無線傳感器節(jié)點開始出現(xiàn)，并且引起了人們的極大關(guān)注。這種無線傳 感器節(jié)點構(gòu)成無線傳感網(wǎng)能夠協(xié)調(diào)地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境信息或監(jiān) 測對象信息，并發(fā)布給需要這些信息的用戶。無線傳感網(wǎng)將邏輯上的信息世界與真實的物理 世界融合在一起，深刻地改變了人與自然的交互方式，可以廣泛地應(yīng)用于軍事、工農(nóng)業(yè)控制、 生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。
現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，都是基于分簇的方式工作的。隨機布設(shè)的無線傳感器節(jié)點根據(jù) 各自位置分成若干個簇，每個簇都有一個簇頭。簇內(nèi)各個無線傳感器節(jié)點感知的數(shù)據(jù)都通過 簇頭節(jié)點向其他簇頭節(jié)點或者匯聚節(jié)點傳輸。各個簇頭節(jié)點中有若干個匯聚節(jié)點，具有接入 外界網(wǎng)絡(luò)的功能，作為整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的出口。因此在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的流向是 匯聚的，各個數(shù)據(jù)流都是流向匯聚節(jié)點。
相應(yīng)的無線傳感網(wǎng)在啟動時各個簇頭節(jié)點首先要尋找若干條能夠到達匯聚節(jié)點的路徑， 當有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，根據(jù)當前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇一條合適的路徑，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過路徑上的 各個簇頭節(jié)點經(jīng)過一跳或者多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳送到匯聚節(jié)點。
網(wǎng)絡(luò)啟動時，各個簇頭節(jié)點的路由表都是空白的，都無法接入到匯聚節(jié)點。于是匯聚節(jié) 點發(fā)送一個廣播幀，向鄰近的簇頭節(jié)點表示自己的存在。此時鄰近的簇頭節(jié)點收到匯聚節(jié)點 發(fā)出的廣播幀時就明確自己能夠直接接入到匯聚節(jié)點，在路由表中作相應(yīng)的標記。經(jīng)過這第 一回合，匯聚節(jié)點鄰近的簇頭節(jié)點都建立了自己接入?yún)R聚節(jié)點的路徑，并更新了路由表，而 其余簇頭節(jié)點仍然無法接入到匯聚節(jié)點。第二回合時，能夠一跳到達匯聚節(jié)點的簇頭節(jié)點向 外廣播自己的ID，表示經(jīng)過自己可以到達匯聚節(jié)點，此時它們鄰近的簇頭節(jié)點收到某個簇頭 節(jié)點的ID時就明確自己能夠通過這個節(jié)點經(jīng)過一跳到達匯聚節(jié)點，在路由表中作相應(yīng)的標記。經(jīng)過這第二回合， 一些離匯聚節(jié)點較遠的簇頭節(jié)點都建立了自己接入?yún)R聚節(jié)點的路徑，并更 新了路由表，值得注意的是這些簇頭節(jié)點可能通過多個中間簇頭節(jié)點而獲得多條接入?yún)R聚節(jié) 點的路徑。經(jīng)過若干個回合后，每個簇頭節(jié)點都能建立一個完整的路由表，獲得了接入?yún)R聚 節(jié)點的路徑。
當一個簇頭節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，首先査詢路由表獲取下一跳簇頭節(jié)點的ID，并將這個 ID封裝在一個轉(zhuǎn)發(fā)請求幀中，由TX模塊輸出，若所選中的簇頭節(jié)點是空閑的，則反饋一個 確認幀建立連接；若所選中的簇頭節(jié)點不空閑，則或是等待一段時間再次發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)請求或是 再次査詢路由表，尋找一條新的路徑。在與選中的下一跳簇頭節(jié)點建立連接后，簇頭節(jié)點就 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝后由TX模塊輸出。下一跳簇頭節(jié)點收下數(shù)據(jù)后再查詢自己的路由表，尋 找一條接入?yún)R聚節(jié)點的路徑。如是經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)就會被傳送的匯聚節(jié)點中。
在上面所述的路由方式中，都是在網(wǎng)絡(luò)層獨立完成的，網(wǎng)絡(luò)層査詢路由表，確定下一跳 簇頭節(jié)點ID時就將ID信息封裝在幀中交給TX模塊輸出。TX模塊無區(qū)別地對待發(fā)送給各個 簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)，并以相同的功率進行轉(zhuǎn)發(fā)。這種路由方式簇頭節(jié)點的負擔會很重，以致過 早地耗盡所有的能量，導致網(wǎng)絡(luò)需要頻繁的調(diào)整簇頭，且隨著部分簇頭節(jié)點的失效，網(wǎng)絡(luò)中 會出現(xiàn)部分無傳感器節(jié)點的未知區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由方法。 本發(fā)明要解決的是現(xiàn)有路由方式中，簇頭節(jié)點的負擔重，以致過早地耗盡所有的能量， 導致網(wǎng)絡(luò)需要頻繁的調(diào)整簇頭，且隨著部分簇頭節(jié)點的失效，網(wǎng)絡(luò)中會出現(xiàn)部分無傳感器節(jié) 點的未知區(qū)域等的問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明至少包括路由表建立和數(shù)據(jù)傳輸二個過程；在路由表建立 過程中，簇頭節(jié)點建立路由表并為每個下一跳節(jié)點設(shè)計一個波束成形矢量；在數(shù)據(jù)傳輸過程 中，簇內(nèi)的所有節(jié)點根據(jù)波束成形矢量對自己發(fā)送信號的幅度和相位進行調(diào)整，并與下一跳 節(jié)點建立連接，協(xié)同傳輸數(shù)據(jù)。
在路由表建立過程中，為了實現(xiàn)多節(jié)點協(xié)同波束成形，簇內(nèi)各個節(jié)點在收到其他簇頭節(jié)點 廣播自己的ID時，需要對其與下一跳節(jié)點之間的信道衰落系數(shù)進行估計，信道衰落系數(shù)進行 估計采用公知的信道估計算法實現(xiàn)；同時將信道估計結(jié)果反饋給簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點收集簇 內(nèi)各個節(jié)點反饋的信道估計結(jié)果，并建立一個信道衰落系數(shù)樣本集。波束成形矢量計算器根據(jù)信道響應(yīng)為每個下一跳簇頭節(jié)點根據(jù)式",=化'/(、 ￡i/j h來設(shè)計一個協(xié)同波束成形矢量，
其中/為協(xié)同發(fā)射節(jié)點序號，a,為第/個協(xié)同發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點之間的信道衰落系數(shù)，w為
簇內(nèi)節(jié)點數(shù)目。這個波束成形矢量提交給路由層，并與下一跳節(jié)點的id —起寫入到路由表中。
在數(shù)據(jù)傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)層從路由表中讀出下一跳簇頭節(jié)點id和相應(yīng)的波束成形矢量， 并將id,發(fā)送的數(shù)據(jù)和波束成形矢量封裝傳輸給簇內(nèi)各個節(jié)點，各節(jié)點的路由層從接收到的 信號中提取出id，數(shù)據(jù)和波束成形矢量，并將id和數(shù)據(jù)封裝后交給tx模塊進行協(xié)同發(fā)射， 同時根據(jù)波束成形矢量對tx模塊輸出的信號的幅度和相位進行調(diào)整。
通過協(xié)同波束成形，下一跳簇頭節(jié)點收到的信號可以表示為/ = 5>,力,5 =」"/2。卩5，而
簇頭節(jié)點單獨工作模式接收到的信號表示為i -Z2,S ，可以看出協(xié)同工作方式下接收到的平均
能量是單天線工作方式下的n倍。
本發(fā)明通過網(wǎng)絡(luò)層和物理層跨層設(shè)計，由波束成形矢量計算器根據(jù)信道特性為每個下一跳 簇頭節(jié)點設(shè)計一個協(xié)同波束成形矢量，提交給網(wǎng)絡(luò)層存放在路由表中；由網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)傳輸?shù)?下一跳節(jié)點為各個協(xié)同發(fā)射節(jié)點分配一個協(xié)同波束成形矢量，各個協(xié)同節(jié)點根據(jù)協(xié)同波束成 形矢量來調(diào)整自己tx模塊輸出信號的幅度和相位。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明基于多節(jié)點協(xié)同波束成形進行跨層路由設(shè)計，可以獲得較高的分 集增益，提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率；同時，在通信過程中，各個簇內(nèi)各個節(jié)點協(xié)同工作，分擔了 數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢摀沟谜麄€簇內(nèi)各個節(jié)點的能耗比較均衡，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。
圖l是無線傳感網(wǎng)應(yīng)用示意圖。
圖2是本發(fā)明路由方法應(yīng)用示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明作進一步說明。
圖1示出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，其中包括簇頭節(jié)點、簇內(nèi)傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點，各個傳感 器節(jié)點都是分成若干個簇進行組織的。其中細箭頭表示的是傳統(tǒng)的路由協(xié)議中，各個傳感器


節(jié)點感知的數(shù)據(jù)都是通過簇頭節(jié)點經(jīng)過一跳或多跳到達匯聚節(jié)點的?；^表示在本發(fā)明的 基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由方法中，各個傳感器節(jié)點感知的數(shù)據(jù)都是在簇頭節(jié)點的 控制下，簇內(nèi)各個節(jié)點協(xié)同傳輸，經(jīng)過一跳或多跳到達匯聚節(jié)點的。
如圖2所示為本發(fā)明的流程示意圖，包括路由建立和數(shù)據(jù)傳輸二個過程。
在所述的路由建立過程中，同傳統(tǒng)的路由協(xié)議一樣，網(wǎng)絡(luò)啟動時，各個簇頭節(jié)點的路由 表都是空白的，都無法接入到匯聚節(jié)點。于是匯聚節(jié)點發(fā)送一個廣播幀，向鄰近的簇頭節(jié)點 表示自己的存在。此時鄰近的簇頭節(jié)點和簇內(nèi)各傳感器節(jié)點收到匯聚節(jié)點發(fā)出的廣播幀時就 明確自己所在的簇能夠直接接入到匯聚節(jié)點，同時根據(jù)接收到的信號由物理層的信道估計器 對其與下一跳節(jié)點之間的信道衰落系數(shù)進行估計，這里的信道估計器可以采用公知的信道估 計算法實現(xiàn)。各個節(jié)點的信道估計器直接將估計的信道衰落系數(shù)提交給網(wǎng)絡(luò)層，這時，簇頭 節(jié)點就可直接將信道衰落系數(shù)寫入到信道衰落系數(shù)樣本集中，而其他傳感器節(jié)點則由網(wǎng)絡(luò)層
將信道衰落系數(shù)封裝并交給TX模塊傳給簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點收集簇內(nèi)各個節(jié)點反饋的信道估 計結(jié)果，并建立一個信道衰落系數(shù)樣本集，并由物理層的波束成形矢量計算器根據(jù)信道衰落
系數(shù)為每個下一跳簇頭節(jié)點根據(jù)式<formula>formula see original document page 6</formula>來設(shè)計一個協(xié)同波束成形矢量，提交給
網(wǎng)絡(luò)層，其中/為協(xié)同發(fā)射節(jié)點序號，/2,為第/個協(xié)同發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點之間的信道衰落系
數(shù)，iV為簇內(nèi)節(jié)點數(shù)目。這里的波束成形矢量計算器的實現(xiàn)方法本領(lǐng)域技術(shù)人員可以參見相 關(guān)專利和資料。網(wǎng)絡(luò)層將計算的協(xié)同波束成形矢量和匯聚節(jié)點的ID寫入到路由表中。經(jīng)過這 一回合，匯聚節(jié)點鄰近的簇頭節(jié)點都建立了自己接入?yún)R聚節(jié)點的路徑和相應(yīng)的波束成形矢量， 并更新了路由表，而其余簇頭節(jié)點仍然無法接入到匯聚節(jié)點。
第二回合時，能夠一跳到達匯聚節(jié)點的簇頭節(jié)點向外廣播自己的ID，表示經(jīng)過自己可以 到達匯聚節(jié)點。此時鄰近的簇頭節(jié)點收到某個簇頭節(jié)點的ID時就明確自己能夠通過這個節(jié)點 經(jīng)過一跳到達匯聚節(jié)點，同時它們也像第一回合中各個簇頭節(jié)點的做法一樣，收集各個傳感 器節(jié)點估計的信道衰落系數(shù)，建立信道衰落系數(shù)樣本集，計算出協(xié)同波束成形矢量，在路由 表中記錄下下一跳簇頭節(jié)點的ID和相應(yīng)的波束成形矢量。經(jīng)過這第二回合， 一些離匯聚節(jié)點 較遠的簇頭節(jié)點都建立了自己接入?yún)R聚節(jié)點的路徑和相應(yīng)的波束成形矢量，并更新了路由表， 值得注意的是這些簇頭節(jié)點可能通過多個中間簇頭節(jié)點而獲得多條接入?yún)R聚節(jié)點的路徑。經(jīng) 過若干個回合后，每個簇頭節(jié)點都能建立一個完整的路由表，獲得了接入?yún)R聚節(jié)點的路徑和 相應(yīng)的波束成形矢量。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，簇頭節(jié)點首先査詢路由表獲取下一跳簇頭節(jié)點的ID和相應(yīng)的波束成 形矢量，并將ID和波束成形矢量封裝交給TX模塊傳輸給簇內(nèi)各個節(jié)點，各節(jié)點的路由層從 接收到的信號中提取出ID和波束成形矢量，并將ID封裝在轉(zhuǎn)發(fā)請求幀中交給TX模塊與其 他節(jié)點一起進行協(xié)同發(fā)射，同時根據(jù)波束成形矢量對TX模塊輸出的信號的幅度和相位進行調(diào) 整。若所選中的簇頭節(jié)點是空閑的，則反饋一個確認幀建立連接；反之簇頭節(jié)點或者是等待 一段時間再次發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)請求幀，或者再次査詢路由表，重復一次上面的過程，尋找一條新的 路徑。在與選中的下一跳簇頭節(jié)點建立連接后，簇頭節(jié)點就將要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝后由TX模塊 傳輸給簇內(nèi)各個節(jié)點。各個節(jié)點的路由層從接收到的信號中提取出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與ID—起 封裝交給TX模塊與其他節(jié)點一起進行協(xié)同發(fā)射，同時根據(jù)波束成形矢量對TX模塊輸出的信 號的幅度和相位進行調(diào)整。下一跳簇頭節(jié)點收下數(shù)據(jù)后再查詢自己的路由表，重復原始發(fā)送 數(shù)據(jù)的簇頭節(jié)點的工作，尋找一條接入?yún)R聚節(jié)點的路徑并與其下一跳節(jié)點建立連接進行傳輸。 如是經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)就會被傳送的匯聚節(jié)點中。
上述用來說明本發(fā)明原理的實施例，在任何方式下不應(yīng)該被視為對本發(fā)明范圍的限制。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可在任何適當布設(shè)的無線傳感網(wǎng)中實現(xiàn)本發(fā)明的原理。
權(quán)利要求
1、一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由方法，其特征在于它至少包括路由表建立和數(shù)據(jù)傳輸二個過程；在路由表建立過程中，簇頭節(jié)點建立路由表并為每個下一跳節(jié)點設(shè)計一個波束成形矢量；在數(shù)據(jù)傳輸過程中，簇內(nèi)的所有節(jié)點根據(jù)波束成形矢量對自己發(fā)送信號的幅度和相位進行調(diào)整，并與下一跳節(jié)點建立連接，協(xié)同傳輸數(shù)據(jù)。
2、 如權(quán)力要求1所述的一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由 方法，其特征在于所述的路由表建立過程包括各個傳感器節(jié)點的物理層根據(jù)接收到的 其他簇頭節(jié)點的廣播信息進行信道估計。
3、 如權(quán)力要求1所述的一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由 方法，其特征在于所述的路由表建立過程中包括各個傳感器節(jié)點的物理層將估計的信 道衰落系數(shù)交給網(wǎng)絡(luò)層進行封裝并反饋給簇頭節(jié)點。
4、 如權(quán)力要求1所述的一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由 方法，其特征在于所述的路由表建立過程中包括簇頭節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層將各個傳感器節(jié)點反 饋的信道衰落系數(shù)進行收集，并建立信道衰落系數(shù)樣本集。
5、 如權(quán)力要求1所述的一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由 方法，其特征在于所述的路由表建立過程中包括簇頭節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層將收集的信道衰落系 數(shù)樣本集交給物理層，計算系統(tǒng)波束成形矢量，并與下一跳簇頭節(jié)點ID —起寫入路 由表。
6、 如權(quán)力要求1所述的一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由 方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)傳輸過程中包括簇頭節(jié)點將選中的下一跳簇頭節(jié)點ID 和相應(yīng)的波束成形矢量由網(wǎng)絡(luò)層封裝，交給TX模塊輸出，分發(fā)給各個傳感器節(jié)點。
7、 如權(quán)力要求1所述的一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由 方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)傳輸過程中包括各個傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層從收到的數(shù)據(jù)中 提取出下一跳簇頭節(jié)點ID和波束成形矢量，封裝轉(zhuǎn)發(fā)請求幀交給TX模塊與其他節(jié) 點一起協(xié)同發(fā)射，并根據(jù)波束成形矢量來調(diào)整TX模塊輸出信號的幅度和相位。
8、 如權(quán)力要求1所述的一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由 方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)傳輸過程中包括步驟各個傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層從收到的數(shù) 據(jù)中提取出要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并進行封裝交給TX模塊與其他節(jié)點一起協(xié)同發(fā)射，并根 據(jù)波束成形矢量來調(diào)整TX模塊輸出信號的幅度和相位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線傳感網(wǎng)中基于多節(jié)點協(xié)同波束成形的跨層路由方法，至少包括路由表建立和數(shù)據(jù)傳輸二個過程；在路由表建立過程中，簇頭節(jié)點建立路由表并為每個下一跳節(jié)點設(shè)計一個波束成形矢量；在數(shù)據(jù)傳輸過程中，簇內(nèi)的所有節(jié)點根據(jù)波束成形矢量對自己發(fā)送信號的幅度和相位進行調(diào)整，并與下一跳節(jié)點建立連接，協(xié)同傳輸數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過各傳感器節(jié)點的協(xié)同波束成形和跨層路由，不但可以獲得較高的分集增益，提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率；而且在通信過程中，各個簇內(nèi)各個節(jié)點協(xié)同工作，分擔了數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢摀沟谜麄€簇內(nèi)各個節(jié)點的能耗比較均衡，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。
文檔編號H04L12/28GK101286934SQ20081006005
公開日2008年10月15日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者萬溢萍, 劉海濤, 華 姜, 建 姜, 施玉松, 晨 陳 申請人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心