一种基于协作组的无线传感器网络虚拟mimo通信策略的制作方法
【专利摘要】一种基于协作组的无线传感器网络虚拟MIMO通信策略，称为GCMIMO(GroupCollaborationMIMO)。GCMIMO采用类似CMIMO的方法对网络进行分簇，每个簇由两个簇头进行管理，分别是主簇头和副簇头。主簇头负责将簇内的信源节点分成若干个协作组，每个协作组由两个相邻的信源节点组成，相当于一个虚拟的双天线发送端，用来发送协作组的信源数据；副簇头与主簇头始终被视为一个协作组，称为主协作组，用来接收和转发其他协作组的数据，从而实现多跳虚拟MIMO传输。与现有的虚拟MIMO通信策略不同，GCMIMO不需要簇头收集信源数据，而是利用协作组直接发送信源数据，这样一来就减少了信源数据的转发次数，提高了簇内通信阶段的能效。在仿真实验中，通过GCMIMO各通信阶段能耗分析，证明GCMIMO有效地降低了簇内通信的能耗和网络维护频率，提高了能量效率。
【专利说明】—种基于协作组的无线传感器网络虚拟MIMO通信策略
【技术领域】
[0001]本发明涉及虚拟MIMO通信，具体说的是一种基于协作组的无线传感器网络虚拟MIMO通信策略。
【背景技术】
[0002]近些年来，随着通信技术的不断发展，MIMO技术被越来越多的通信系统所采用。MIMO技术可以成倍地提高无线信道容量、增加传输距离、减少误比特率和通信能耗[I]。由于无线传感器网络节点的体积一般比较小，在单个节点上无法安装多天线，因此MMO技术不能直接应用到无线传感器网络中。为了使MMO技术应用到无线传感器网络中，研究人员将协作通信与MIMO技术结合，提出了虚拟MIMO技术。虚拟MIMO的基本思想是若干个单天线节点通过共享天线来实现虚拟多天线系统。虚拟MMO可以使无线传感器网络获得类似于MIMO的通信效果，对整个网络的通信能耗和可靠性都有很大的改善。
[0003]文献[2]中，Cui等人提出了一种基于Alamouti编码的无线传感器网络虚拟MMO传输方案，分析了网络的能耗和数据传播时延，并在相同误码率要求下讨论了基于虚拟MIMO技术传输单位比特的总耗能。其研究表明，从能量有效性和数据传递时延综合考虑，虚拟MMO比SISO更适合于长距离的数据传递。文献[3]在文献[2]研究的基础上，分析了传递距离、调制方式、路径衰减指数以及控制开销等参数对虚拟MMO的能效和时延性能的影响，进一步证明:选择合适的参数，虚拟MMO通信比SISO通信更加节能。文献[4]将V-BLAST空时编码引入到虚拟MMO通信结构中，避免了发送端协作节点间的合作编码过程，进一步改善了能量效率；文献[5]中将虚拟MMO通信与多跳SISO通信的能耗进行了比较，结果表明这两种通信方式的能效性依赖于网络节点的密度、无线信道的状态以及到汇聚节点Sink的距离，在一定的参数范围内，虚拟MMO的通信方式要优于多跳SISO通信方式。文献[6]中，Rafique等人将虚拟MIMO与多载波调制进行结合，分析了不同调制方式对虚拟MMO通信的影响，并通过仿真实验证明BPSK-W0FDM是未来高数据速率和高能效无线传感器网络中一种很有前途的多载波调制方案。文献[7]中，Marwan等人提出了一种新的虚拟MMO通信策略，称为CMM0( cooperative MIM0)o CMIMO将网络进行分簇，每个簇选举出两个簇头，利用两个簇头形成虚拟多天线系统，并结合相应的能量管理方案和路由协议实现了高效的多跳虚拟MIMO传输。实验结果证明CMIMO能够显著减少通信能耗和延长网络寿命。文献[8]将分级聚类算法引入到基于虚拟MMO的无线传感器网络中，提出了一种具有分级特性的分簇方案。利用该分簇方案完成分簇的无线传感器网络在进行多跳传输时可以方便的确定最佳的路由路径。文中的实验结果表明采用该分簇方案后，无线传感器网络在进行多跳虚拟MMO传输时，可以有效地减少跳数，节省通信能耗，延长网络寿命。
[0004]现有关于无线传感器网络虚拟MIMO通信的研究大都是通过改进协作发送过程来提高通信能效[7-11]，而在这之前的簇内通信过程基本都是信源节点将数据发送给簇头，然后簇头将收集的数据转发给自己的协作节点。在这个过程中信源数据被转发了两次，这样一来就增加了簇内通信的能耗。针对这个问题，本文提出了一种基于协作组的虚拟MIMO通信策略，称为GCMMO (Group Collaboration ΜΙΜΟ)。GCMMO利用协作组直接发送信源数据，不需要簇头收集成员节点的信源数据，从而就减少了信源数据的转发次数，提高了簇内通信阶段的能效。
[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
【发明内容】
[0006]本发明为解决上述技术问题提供一种基于协作组的无线传感器网络虚拟MMO通信策略，称为GCMMO (Group Collaboration ΜΙΜΟ)。GCMMO釆用类似CMMO的方法对网络进行分簇，每个簇由两个簇头进行管理，分别是主簇头和副簇头。主簇头负责将簇内的信源节点分成若干个协作组，每个协作组由两个相邻的信源节点组成，相当于一个虚拟的双天线发送端，用来发送协作组的信源数据；副簇头与主簇头始终被视为一个协作组，称为主协作组，用来接收和转发其他协作组的数据，从而实现多跳虚拟M頂O传输。与现有的虚拟MMO通信策略不同，GCMIMO不需要簇头收集信源数据，而是利用协作组直接发送信源数据，这样一来就减少了信源数据的转发次数，提高了簇内通信阶段的能效。在仿真实验中，通过GCMIMO各通信阶段能耗分析，证明GCMMO有效地降低了簇内通信的能耗和网络维护频率，提高了能量效率。
[0007]为实现上述技术目的所采用的技术方案是:一种基于协作组的无线传感器网络虚拟MMO通信策略，建立延时不敏感的无线传感器网络，整个网络已同步并采用周期性地MAC协议进行工作；任意两个相邻节点的无线信道是对称的，形成虚拟多天线系统；
(1)对无线传感器网络进行分簇，在分簇过程中，邻近的节点通过选举产生主簇头，主簇头从自己的邻居节点中选择最佳的协作节点作为自己的副簇头；
(2)主簇头负责将簇内的信源节点分成若干个协作组，每个协作组由两个相邻的信源节点组成，用来发送协作组内信源的数据；副簇头和主簇头始终被看做是一个协作组，称为主协作组，用来接收和转发其他簇的协作组的数据，从而实现多跳虚拟MIMO传输；
(3)分簇完成后，采用Dijkstra算法为整个无线传感器网络建立路由表，每个簇建立最短的路由路径，并形成一个路由表保存在各个主簇头中，虚拟MMO在协作组内相互交换数据完成空时编码，进入周期性地通信过程。
[0008]所述的一个通信周期分为信源节点感知阶段、协作组分配阶段、簇间通信资源分配阶段、广播协作组分配表阶段、簇内通信阶段和簇间通信阶段。
[0009]所述的组成协作组的两个节点之间的距离d小于节点的的最大通信范围dmax。
[0010]所述的主簇头根据节点距离选择出具有最佳通信效果的协作组，即
【权利要求】
1.一种基于协作组的无线传感器网络虚拟MMO通信策略，其特征在于:建立延时不敏感的无线传感器网络，整个网络已同步并采用周期性地MAC协议进行工作；任意两个相邻节点的无线信道是对称的，形成虚拟多天线系统； (1)对无线传感器网络进行分簇，在分簇过程中，邻近的节点通过选举产生主簇头，主簇头从自己的邻居节点中选择最佳的协作节点作为自己的副簇头； (2)主簇头负责将簇内的信源节点分成若干个协作组，每个协作组由两个相邻的信源节点组成，用来发送协作组内信源的数据；副簇头和主簇头始终被看做是一个协作组，称为主协作组，用来接收和转发其他簇的协作组的数据，从而实现多跳虚拟MIMO传输； (3)分簇完成后，采用Dijkstra算法为整个无线传感器网络建立路由表，每个簇建立最短的路由路径，并形成一个路由表保存在各个主簇头中，虚拟MMO在协作组内相互交换数据完成空时编码，进入周期性地通信过程。
2.如权利要求1所述的一种基于协作组的无线传感器网络虚拟MMO通信策略，其特征在于:所述的一个通信周期分为信源节点感知阶段、协作组分配阶段、簇间通信资源分配阶段、广播协作组分配表阶段、簇内通信阶段和簇间通信阶段。
3.如权利要求1所述的一种基于协作组的无线传感器网络虚拟MIMO通信策略，其特征在于:所述的组成协作组的两个节点之间的距离d小于节点的的最大通信范围dmax。
4.如权利要求3所述的一种基于协作组的无线传感器网络虚拟MIMO通信策略，其特征在于:所述的主簇头根据节点距离选择出具有最佳通信效果的协作组，即
【文档编号】H04B7/04GK104010344SQ201410251445
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】郑国强, 李冰, 马华红, 亢丙午, 李佩佩, 冀保峰, 高宏峰, 李济顺, 杨芳 申请人:河南科技大学