一種基于協(xié)作組的無線傳感器網絡虛擬mimo通信策略的制作方法
【專利摘要】一種基于協(xié)作組的無線傳感器網絡虛擬MIMO通信策略，稱為GCMIMO(GroupCollaborationMIMO)。GCMIMO采用類似CMIMO的方法對網絡進行分簇，每個簇由兩個簇頭進行管理，分別是主簇頭和副簇頭。主簇頭負責將簇內的信源節(jié)點分成若干個協(xié)作組，每個協(xié)作組由兩個相鄰的信源節(jié)點組成，相當于一個虛擬的雙天線發(fā)送端，用來發(fā)送協(xié)作組的信源數據；副簇頭與主簇頭始終被視為一個協(xié)作組，稱為主協(xié)作組，用來接收和轉發(fā)其他協(xié)作組的數據，從而實現多跳虛擬MIMO傳輸。與現有的虛擬MIMO通信策略不同，GCMIMO不需要簇頭收集信源數據，而是利用協(xié)作組直接發(fā)送信源數據，這樣一來就減少了信源數據的轉發(fā)次數，提高了簇內通信階段的能效。在仿真實驗中，通過GCMIMO各通信階段能耗分析，證明GCMIMO有效地降低了簇內通信的能耗和網絡維護頻率，提高了能量效率。
【專利說明】—種基于協(xié)作組的無線傳感器網絡虛擬MIMO通信策略
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及虛擬MIMO通信，具體說的是一種基于協(xié)作組的無線傳感器網絡虛擬MIMO通信策略。
【背景技術】
[0002]近些年來，隨著通信技術的不斷發(fā)展，MIMO技術被越來越多的通信系統(tǒng)所采用。MIMO技術可以成倍地提高無線信道容量、增加傳輸距離、減少誤比特率和通信能耗[I]。由于無線傳感器網絡節(jié)點的體積一般比較小，在單個節(jié)點上無法安裝多天線，因此MMO技術不能直接應用到無線傳感器網絡中。為了使MMO技術應用到無線傳感器網絡中，研究人員將協(xié)作通信與MIMO技術結合，提出了虛擬MIMO技術。虛擬MIMO的基本思想是若干個單天線節(jié)點通過共享天線來實現虛擬多天線系統(tǒng)。虛擬MMO可以使無線傳感器網絡獲得類似于MIMO的通信效果，對整個網絡的通信能耗和可靠性都有很大的改善。
[0003]文獻[2]中，Cui等人提出了一種基于Alamouti編碼的無線傳感器網絡虛擬MMO傳輸方案，分析了網絡的能耗和數據傳播時延，并在相同誤碼率要求下討論了基于虛擬MIMO技術傳輸單位比特的總耗能。其研究表明，從能量有效性和數據傳遞時延綜合考慮，虛擬MMO比SISO更適合于長距離的數據傳遞。文獻[3]在文獻[2]研究的基礎上，分析了傳遞距離、調制方式、路徑衰減指數以及控制開銷等參數對虛擬MMO的能效和時延性能的影響，進一步證明:選擇合適的參數，虛擬MMO通信比SISO通信更加節(jié)能。文獻[4]將V-BLAST空時編碼引入到虛擬MMO通信結構中，避免了發(fā)送端協(xié)作節(jié)點間的合作編碼過程，進一步改善了能量效率；文獻[5]中將虛擬MMO通信與多跳SISO通信的能耗進行了比較，結果表明這兩種通信方式的能效性依賴于網絡節(jié)點的密度、無線信道的狀態(tài)以及到匯聚節(jié)點Sink的距離，在一定的參數范圍內，虛擬MMO的通信方式要優(yōu)于多跳SISO通信方式。文獻[6]中，Rafique等人將虛擬MIMO與多載波調制進行結合，分析了不同調制方式對虛擬MMO通信的影響，并通過仿真實驗證明BPSK-W0FDM是未來高數據速率和高能效無線傳感器網絡中一種很有前途的多載波調制方案。文獻[7]中，Marwan等人提出了一種新的虛擬MMO通信策略，稱為CMM0( cooperative MIM0)o CMIMO將網絡進行分簇，每個簇選舉出兩個簇頭，利用兩個簇頭形成虛擬多天線系統(tǒng)，并結合相應的能量管理方案和路由協(xié)議實現了高效的多跳虛擬MIMO傳輸。實驗結果證明CMIMO能夠顯著減少通信能耗和延長網絡壽命。文獻[8]將分級聚類算法引入到基于虛擬MMO的無線傳感器網絡中，提出了一種具有分級特性的分簇方案。利用該分簇方案完成分簇的無線傳感器網絡在進行多跳傳輸時可以方便的確定最佳的路由路徑。文中的實驗結果表明采用該分簇方案后，無線傳感器網絡在進行多跳虛擬MMO傳輸時，可以有效地減少跳數，節(jié)省通信能耗，延長網絡壽命。
[0004]現有關于無線傳感器網絡虛擬MIMO通信的研究大都是通過改進協(xié)作發(fā)送過程來提高通信能效[7-11]，而在這之前的簇內通信過程基本都是信源節(jié)點將數據發(fā)送給簇頭，然后簇頭將收集的數據轉發(fā)給自己的協(xié)作節(jié)點。在這個過程中信源數據被轉發(fā)了兩次，這樣一來就增加了簇內通信的能耗。針對這個問題，本文提出了一種基于協(xié)作組的虛擬MIMO通信策略，稱為GCMMO (Group Collaboration ΜΙΜΟ)。GCMMO利用協(xié)作組直接發(fā)送信源數據，不需要簇頭收集成員節(jié)點的信源數據，從而就減少了信源數據的轉發(fā)次數，提高了簇內通信階段的能效。
[0005][l]Medhi N， Sarma N.Mobility Aided Cooperative MIMO Transmission inWireless Sensor Networks [J]，Procedia Technology.2012: 362-370.[2]CuiS ， Goldsmith J， Bahai A.Energy-efficiency of MIMO and cooperativeMIMO techniques in sensor networks [J].1EEE Journal on Selected Areas inCommunications.2004:1089-1098.[3]JayaweeraSK.Virtual MIMO-based cooperative communication forenergy-constrained wireless sensor networks [J].1EEE Transactions on Wireless Communications，2006，5(05):984-989.[4]Jayaweera S K.V—BLAST -Based Virtual MIMO for Distributed WirelessSensor Networks [J].IEEE Transactions on Communications, 2007，55 (10): 1867 -1872.[5]GeorgeBravos,Athanasios G.Kanatas.Energy Efficiency Comparisonof MIMO-Based and Multihop Sensor Networks [C].EURASIP Journal on WirelessCommunications and Networking 2008，2008 (I): 10-1—10-13-0.[6]RafiqueZ，Boon C S，Anbuky A.Performance Analysis of Cooperative VirtualMIMO Systems for Wireless Sensor Networks [J].Sensors, 2013，13(6): 7033-7052.[7]MarwanKj Mohammad Z Sj Diep NN.Clustering and power management for virtualMIMO communications in wireless sensor networks [J].AD HOC Networks, 2013，11(5):1571-1587.[8]NasimM，Qaisar S，Lee S.An Energy Efficient Cooperative Hierarchical MIMOClustering Scheme for Wireless Sensor Networks [J].Sensors.2012，12(1)，92-114.[9]Qu Qj Milstein L B，Vamanv D R.Cooperative and Constrained MIMOCommunications in Wireless Ad Hoc/Sensor Networks [J].1EEE Transactions onWireless Communications.2010， 9(10): 3120-3129.[10]XiaoMj Huang L，Xu H.Virtual MIMO multicast-based multihop transmissionscheme for wireless sensor networks [J].Journal of Chinese Computer Systems.2012，33(1): 18 - 23.[11]DanpuL，Kailin Z，Jie D，Energy-efficient transmission scheme formobile data gathering in Wireless Sensor Networks [J].Communications, China.2013，10(3):114-123o

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明為解決上述技術問題提供一種基于協(xié)作組的無線傳感器網絡虛擬MMO通信策略，稱為GCMMO (Group Collaboration ΜΙΜΟ)。GCMMO釆用類似CMMO的方法對網絡進行分簇，每個簇由兩個簇頭進行管理，分別是主簇頭和副簇頭。主簇頭負責將簇內的信源節(jié)點分成若干個協(xié)作組，每個協(xié)作組由兩個相鄰的信源節(jié)點組成，相當于一個虛擬的雙天線發(fā)送端，用來發(fā)送協(xié)作組的信源數據；副簇頭與主簇頭始終被視為一個協(xié)作組，稱為主協(xié)作組，用來接收和轉發(fā)其他協(xié)作組的數據，從而實現多跳虛擬M頂O傳輸。與現有的虛擬MMO通信策略不同，GCMIMO不需要簇頭收集信源數據，而是利用協(xié)作組直接發(fā)送信源數據，這樣一來就減少了信源數據的轉發(fā)次數，提高了簇內通信階段的能效。在仿真實驗中，通過GCMIMO各通信階段能耗分析，證明GCMMO有效地降低了簇內通信的能耗和網絡維護頻率，提高了能量效率。
[0007]為實現上述技術目的所采用的技術方案是:一種基于協(xié)作組的無線傳感器網絡虛擬MMO通信策略，建立延時不敏感的無線傳感器網絡，整個網絡已同步并采用周期性地MAC協(xié)議進行工作；任意兩個相鄰節(jié)點的無線信道是對稱的，形成虛擬多天線系統(tǒng)；
(1)對無線傳感器網絡進行分簇，在分簇過程中，鄰近的節(jié)點通過選舉產生主簇頭，主簇頭從自己的鄰居節(jié)點中選擇最佳的協(xié)作節(jié)點作為自己的副簇頭；
(2)主簇頭負責將簇內的信源節(jié)點分成若干個協(xié)作組，每個協(xié)作組由兩個相鄰的信源節(jié)點組成，用來發(fā)送協(xié)作組內信源的數據；副簇頭和主簇頭始終被看做是一個協(xié)作組，稱為主協(xié)作組，用來接收和轉發(fā)其他簇的協(xié)作組的數據，從而實現多跳虛擬MIMO傳輸；
(3)分簇完成后，采用Dijkstra算法為整個無線傳感器網絡建立路由表，每個簇建立最短的路由路徑，并形成一個路由表保存在各個主簇頭中，虛擬MMO在協(xié)作組內相互交換數據完成空時編碼，進入周期性地通信過程。
[0008]所述的一個通信周期分為信源節(jié)點感知階段、協(xié)作組分配階段、簇間通信資源分配階段、廣播協(xié)作組分配表階段、簇內通信階段和簇間通信階段。
[0009]所述的組成協(xié)作組的兩個節(jié)點之間的距離d小于節(jié)點的的最大通信范圍dmax。
[0010]所述的主簇頭根據節(jié)點距離選擇出具有最佳通信效果的協(xié)作組，即
【權利要求】
1.一種基于協(xié)作組的無線傳感器網絡虛擬MMO通信策略，其特征在于:建立延時不敏感的無線傳感器網絡，整個網絡已同步并采用周期性地MAC協(xié)議進行工作；任意兩個相鄰節(jié)點的無線信道是對稱的，形成虛擬多天線系統(tǒng)； (1)對無線傳感器網絡進行分簇，在分簇過程中，鄰近的節(jié)點通過選舉產生主簇頭，主簇頭從自己的鄰居節(jié)點中選擇最佳的協(xié)作節(jié)點作為自己的副簇頭； (2)主簇頭負責將簇內的信源節(jié)點分成若干個協(xié)作組，每個協(xié)作組由兩個相鄰的信源節(jié)點組成，用來發(fā)送協(xié)作組內信源的數據；副簇頭和主簇頭始終被看做是一個協(xié)作組，稱為主協(xié)作組，用來接收和轉發(fā)其他簇的協(xié)作組的數據，從而實現多跳虛擬MIMO傳輸； (3)分簇完成后，采用Dijkstra算法為整個無線傳感器網絡建立路由表，每個簇建立最短的路由路徑，并形成一個路由表保存在各個主簇頭中，虛擬MMO在協(xié)作組內相互交換數據完成空時編碼，進入周期性地通信過程。
2.如權利要求1所述的一種基于協(xié)作組的無線傳感器網絡虛擬MMO通信策略，其特征在于:所述的一個通信周期分為信源節(jié)點感知階段、協(xié)作組分配階段、簇間通信資源分配階段、廣播協(xié)作組分配表階段、簇內通信階段和簇間通信階段。
3.如權利要求1所述的一種基于協(xié)作組的無線傳感器網絡虛擬MIMO通信策略，其特征在于:所述的組成協(xié)作組的兩個節(jié)點之間的距離d小于節(jié)點的的最大通信范圍dmax。
4.如權利要求3所述的一種基于協(xié)作組的無線傳感器網絡虛擬MIMO通信策略，其特征在于:所述的主簇頭根據節(jié)點距離選擇出具有最佳通信效果的協(xié)作組，即
【文檔編號】H04B7/04GK104010344SQ201410251445
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權日:2014年6月9日
【發(fā)明者】鄭國強, 李冰, 馬華紅, 亢丙午, 李佩佩, 冀保峰, 高宏峰, 李濟順, 楊芳 申請人:河南科技大學