專利名稱：Wsn中基于sdma的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種數(shù)據(jù)采集拓?fù)浞椒?，具體涉及ー 種WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒ā?br> 背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。無線傳感器網(wǎng)對移動性的支持一直是ー個研究熱點。按照移動點的數(shù)目不同，移動性可分為1)節(jié)點全移動這個有些類似于Adhoc網(wǎng)絡(luò)，但此處的移動僅是為了滿足傳感網(wǎng)中的某些目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)最終要趨向靜止?fàn)顟B(tài)，所以與Adhoc網(wǎng)有很大的不同，一個合適的例子是全移動網(wǎng)絡(luò)場景下，移動節(jié)點的布設(shè)需滿足覆蓋率和連通度要求ク)部分節(jié)點移動數(shù)目大于1的節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標(biāo)進行移動，如移動節(jié)點輔助提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和連通性、傳感器節(jié)點的二次重布設(shè)等；3) 單節(jié)點移動單節(jié)點根據(jù)特定的任務(wù)目標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中移動，如移動節(jié)點輔助網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的自定位、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對移動節(jié)點的導(dǎo)航輔助、移動Sink自適應(yīng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)采集等。對于存在移動節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，移動性與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞年P(guān)系可以歸結(jié)成拓?fù)錄Q定移動、移動決定拓?fù)溥@兩類情形。1)拓?fù)錄Q定移動這種情況下，往往對應(yīng)集中式的拓?fù)錁?gòu)建方式，事先構(gòu)建的拓?fù)涫亲罱K獲得的局部拓?fù)涞募稀Ｍ負(fù)錁?gòu)建的過程中，就需要對移動Sink的移動路徑進行規(guī)劃，明確移動Sink在各個時間點的位置，及在該位置上對應(yīng)的局部拓?fù)洹?)移動決定拓?fù)溥@種情況下，往往對應(yīng)的是突發(fā)情形的拓?fù)錁?gòu)建。此時的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是事件驅(qū)動型的網(wǎng)絡(luò)，或是完全隨機型的網(wǎng)絡(luò)。局部拓?fù)涞臉?gòu)建應(yīng)該是由移動Sink隨機發(fā)起，移動Sink利用組建的網(wǎng)絡(luò)完成目標(biāo)點跟蹤或是數(shù)據(jù)采集等任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供ー種WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒ǎ摲椒梢跃饩W(wǎng)絡(luò)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)壽命。為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供ー種WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒?。ー種WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒?，包括步驟ー網(wǎng)絡(luò)初始化階段，移動Sink到網(wǎng)絡(luò)中預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)上載點進行信道測試， 確定網(wǎng)絡(luò)中具有兼容關(guān)系的傳感器節(jié)點對，稱為兼容節(jié)點對；步驟ニ 每個兼容節(jié)點對根據(jù)最小能耗最多配對準(zhǔn)則對應(yīng)ー個數(shù)據(jù)上載點；移動 Sink計算獲得全局網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上載點與兼容節(jié)點對的對應(yīng)關(guān)系；步驟三根據(jù)最佳配對準(zhǔn)則確定各兼容節(jié)點對的權(quán)值，并利用最大加權(quán)配對算法篩選出具備最大生存期的兼容節(jié)點對集合，所述集合中的兼容節(jié)點對即為匹配節(jié)點對；步驟四當(dāng)與匹配節(jié)點對對應(yīng)的數(shù)據(jù)上載點間的最短距離小于移動Sink的通信半徑時，拆散其中距離較大的匹配節(jié)點對；步驟五采用最短路徑最大覆蓋樹的方法找出能遍歷所有與最終獲得的匹配節(jié)點對和獨立節(jié)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)上載點的集合，并確立訪問所述集合的最短路徑方案；步驟六移動Sink根據(jù)所述最短路徑方案訪問所述集合中的數(shù)據(jù)上載點，并在所訪問的數(shù)據(jù)上載點處發(fā)布對應(yīng)的匹配節(jié)點對信息，完成數(shù)據(jù)采集和對應(yīng)動態(tài)拓?fù)涞臉?gòu)建；步驟七若移動Sink完成全部傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集后仍未達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計使用壽命，或網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點存活比例大于預(yù)設(shè)比例，則返回繼續(xù)執(zhí)行步驟六；否則，停止數(shù)據(jù)采條。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟一中，所述信道測試的具體實現(xiàn)過程為1)傳感器節(jié)點通過接收移動Sink發(fā)送的探針消息，確定自身的發(fā)射功率，并對探針消息進行回復(fù)；2)移動Sink通過回復(fù)的探針消息確定傳感器節(jié)點的信道參數(shù)及其與鄰居傳感器節(jié)點的兼容關(guān)系，并實時告知該傳感器節(jié)點。作為本發(fā)明的另ー種優(yōu)選方案，步驟ニ中，距離兼容節(jié)點對的中心最近的數(shù)據(jù)上載點即為該兼容節(jié)點對的最小能耗上傳點。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，步驟三中，兼容節(jié)點對的權(quán)值計算函數(shù)為w = ~(d'p + d2]p )(1 + |cos θ\) - dy其中，dip，dJp分別為傳感器節(jié)點i，j到對應(yīng)的數(shù)據(jù)上載點P的距離；Clij為傳感器節(jié)點i，j間距離，θ為的中線與的夾角。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，步驟四中，當(dāng)數(shù)據(jù)上載點間的最短距離小于移動 Sink的通信半徑d。。m吋，如果も，則拆散距離較大的匹配節(jié)點對。如上所述，本發(fā)明所述的WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒ǎ哂幸韵掠幸嫘Ч?)SDMA技術(shù)的采用，使得移動Sink能同時接收兩路信號，縮短了數(shù)據(jù)上載所消耗的時間；2)移動Sink與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾硐嘟Y(jié)合后，相比傳統(tǒng)的拓?fù)淇刂扑惴?，帶來了提升網(wǎng)絡(luò)壽命的顯著優(yōu)勢；3)最小能耗最多配對準(zhǔn)則的采用，能最大限度的保留兼容節(jié)點對，為實現(xiàn)最大限度利用SDMA技術(shù)奠定基礎(chǔ)；4)最佳配對準(zhǔn)則的采用，能較長時間的利用SDMA技術(shù)帶來的低時延、快速數(shù)據(jù)采集的好處。


圖1為SDMA線性解相關(guān)接收模型框圖。圖2為兼容節(jié)點對和匹配節(jié)點對示意圖。圖3為本發(fā)明所述的WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒ǖ牧鞒淌疽鈭D。
圖4為兼容節(jié)點對選取對應(yīng)數(shù)據(jù)上載點的說明示意圖。圖5為兼容節(jié)點對的權(quán)值函數(shù)參數(shù)示意圖。圖6為實施例ニ所述的60mX60m正方形區(qū)域網(wǎng)絡(luò)場景示意圖。
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為ー種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。本發(fā)明從傳感網(wǎng)最基本的目標(biāo)功能——數(shù)據(jù)采集入手，對單節(jié)點移動情況下的自適應(yīng)拓?fù)涔芾磉M行研究。在本發(fā)明中，以能耗均衡作為動態(tài)拓?fù)涞臉?gòu)建目標(biāo)，令移動Sink 在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)數(shù)據(jù)匯聚點的角色?？紤]到SDMA技術(shù)對傳感網(wǎng)動態(tài)拓?fù)錁?gòu)建的特殊影響，由移動Sink決定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?gòu)建ー套能極大限度發(fā)揮SDMA優(yōu)勢，同時延長網(wǎng)絡(luò)壽命的評估體糸。SDMA (Space Division Multiple Access，空分多址接入)技術(shù)是 MIMO (Multiple Input Multiple Output，多入多出)技術(shù)的ー個分支。它是指當(dāng)節(jié)點(Sink)安裝有雙天線，同時具備較強的計算能力吋，在已知信道環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)的前提下，節(jié)點能通過內(nèi)部信息處理同時解析出兩個其他節(jié)點發(fā)出的信息。在實際移動Sink數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，一般是傳感器節(jié)點裝備ー個天線；移動Sink裝備雙天線和ー個線性自適應(yīng)濾波裝置，可同時接收兩路信號。濾波器參數(shù)U1, U2滿足如下條件ii>2 = 0，I^h1 = 0，h和Ii2為兩個天線分別對應(yīng)的信道參數(shù)，“*”表示對矢量進行共軛運算。利用圖1所示的線性解相關(guān)接收模型即可實現(xiàn) SDMA。本發(fā)明針對移動Sink下的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，利用空分多址(SDMA)技術(shù)的低時延特性，提出了 ー種WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒?，該方法是把移動Sink與 SDMA技術(shù)相結(jié)合的低時延高能量效率的以數(shù)據(jù)采集為目的的動態(tài)拓?fù)錁?gòu)建方法。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進ー步詳細(xì)說明。實施例一本發(fā)明在移動Sink拓?fù)涔芾碇幸肓诵录夹g(shù)SDMA，使得移動Sink能同時接收兩個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，在引入該技術(shù)以后，拓?fù)涞膯栴}進一步變成了如何控制使用SDMA技術(shù)的配對的問題，以及如何在此基礎(chǔ)上規(guī)劃移動Sink的移動路徑，如何構(gòu)建適合SDMA技術(shù)的局部拓?fù)涞膯栴}。本發(fā)明提出了ー種能量感知配對選取方法，該方法考慮了配對節(jié)點的位置和能量特性，由移動Sink來決定使用SDMA技術(shù)的傳感器節(jié)點組合。為表述方便，定義了如下術(shù)語兼容節(jié)點對如果傳感器節(jié)點i、j能使用SDMA技術(shù)與移動Sink進行通信，那么這兩個傳感器節(jié)點即構(gòu)成兼容節(jié)點對，記作Compatible (i，j)；匹配節(jié)點對如果傳感器節(jié)點i、j被移動Sink選中作為同時上報的節(jié)點，那么這兩個傳感器節(jié)點構(gòu)成匹配節(jié)點對，記作Match (i，j)；以圖2為例，兼容節(jié)點對包括<A，B>、<B，C>、<C，D> ；實際上傳時，匹配節(jié)點對僅包括<A，B>、<C，D>，可見匹配節(jié)點對僅是兼容節(jié)點對的ー個子集。本實施例提供ー種WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒?，該方法是移動路徑?guī)劃與配對選取相結(jié)合的動態(tài)拓?fù)錁?gòu)建方法，流程如圖3所示，具體包括以下步驟步驟ー網(wǎng)絡(luò)初始化階段，移動Sink到網(wǎng)絡(luò)中預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)上載點進行信道測試， 確定網(wǎng)絡(luò)中具有兼容關(guān)系的傳感器節(jié)點對(簡稱兼容節(jié)點對)。信道測試的過程為1)傳感器節(jié)點通過接收移動Sink發(fā)送的探針消息，確定自身的發(fā)射功率，并對探針消息進行回復(fù)；2)移動Sink通過回復(fù)的探針消息確定傳感器節(jié)點的信道參數(shù)，及其與鄰居傳感器節(jié)點的兼容關(guān)系，并實時告知該傳感器節(jié)點。兩個傳感器節(jié)點是否具備兼容關(guān)系，主要取決于傳感器節(jié)點的發(fā)射功率、各自對應(yīng)的信道參數(shù)、接收靈敏度(接收靈敏度為傳感器節(jié)點自身射頻模塊的物理特性)及信道噪聲(該噪聲理論上計算時認(rèn)為信道為高斯信道，實際測試時，以實際信道噪聲為主，測得的信號量實際為真實信號量+信道噪聲)。具備兼容關(guān)系的節(jié)點需要滿足以下條件設(shè)移動Sink接收到的信號可表示為
權(quán)利要求
1.ー種WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在干，所述WSN中基于 SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒òú襟Eー網(wǎng)絡(luò)初始化階段，移動Sink到網(wǎng)絡(luò)中預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)上載點進行信道測試，確定網(wǎng)絡(luò)中具有兼容關(guān)系的傳感器節(jié)點對，稱為兼容節(jié)點對；步驟ニ 每個兼容節(jié)點對根據(jù)最小能耗最多配對準(zhǔn)則對應(yīng)ー個數(shù)據(jù)上載點；移動Sink 計算獲得全局網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上載點與兼容節(jié)點對的對應(yīng)關(guān)系；步驟三根據(jù)最佳配對準(zhǔn)則確定各兼容節(jié)點對的權(quán)值，并利用最大加權(quán)配對算法篩選出具備最大生存期的兼容節(jié)點對集合，所述集合中的兼容節(jié)點對即為匹配節(jié)點對；步驟四當(dāng)與匹配節(jié)點對對應(yīng)的數(shù)據(jù)上載點間的最短距離小于移動Sink的通信半徑時，拆散其中距離較大的匹配節(jié)點對；步驟五采用最短路徑最大覆蓋樹的方法找出能遍歷所有與最終獲得的匹配節(jié)點對和獨立節(jié)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)上載點的集合，并確立訪問所述集合的最短路徑方案；步驟六移動Sink根據(jù)所述最短路徑方案訪問所述集合中的數(shù)據(jù)上載點，并在所訪問的數(shù)據(jù)上載點處發(fā)布對應(yīng)的匹配節(jié)點對信息，完成數(shù)據(jù)采集和對應(yīng)動態(tài)拓?fù)涞臉?gòu)建；步驟七若移動Sink完成全部傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集后仍未達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的壽命或網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點存活比例大于預(yù)設(shè)比例，則返回繼續(xù)執(zhí)行步驟六；否則，停止數(shù)據(jù)采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于步驟一中，所述信道測試的具體實現(xiàn)過程為1)傳感器節(jié)點通過接收移動Sink發(fā)送的探針消息，確定自身的發(fā)射功率，并對探針消息進行回復(fù)；2)移動Sink通過回復(fù)的探針消息確定傳感器節(jié)點的信道參數(shù)及其與鄰居傳感器節(jié)點的兼容關(guān)系，并實時告知該傳感器節(jié)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣髟诟刹襟Eニ中，距離兼容節(jié)點對的中心最近的數(shù)據(jù)上載點即為該兼容節(jié)點對的最小能耗上「マ；1Wn Ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于步驟三中，兼容節(jié)點對的權(quán)值計算函數(shù)為w=-(《+<)(HcH)-《其中，dip，dJP分別為傳感器節(jié)點i，j到對應(yīng)的數(shù)據(jù)上載點P的距離；Clij為傳感器節(jié)點 i，j間距離，θ為Clij的中線與Clij的夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于步驟四中，當(dāng)數(shù)據(jù)上載點間的最短距離小于移動Sink的通信半徑(1。 時，如果 4 > 0.5 χ V3 Jcom，則拆散距離較大的匹配節(jié)點對。
全文摘要
本發(fā)明提供一種WSN中基于SDMA的數(shù)據(jù)采集動態(tài)拓?fù)淇刂品椒?，包括移動Sink進行信道測試，確定兼容節(jié)點對；計算獲得全局網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上載點與兼容節(jié)點對的對應(yīng)關(guān)系；利用最大加權(quán)配對算法篩選出具備最大生存期的兼容節(jié)點對集合作為匹配節(jié)點對集合；當(dāng)數(shù)據(jù)上載點間的最短距離小于移動Sink的通信半徑時，拆散其中距離較大的匹配節(jié)點對；找出能遍歷所有與最終獲得的匹配節(jié)點對和獨立節(jié)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)上載點的集合，確立訪問集合的最短路徑方案；移動Sink根據(jù)最短路徑方案訪問集合中的數(shù)據(jù)上載點，完成數(shù)據(jù)采集和動態(tài)拓?fù)涞臉?gòu)建；若未達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計使用壽命，或節(jié)點存活比例大于預(yù)設(shè)比例，則繼續(xù)訪問；否則，停止數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明可以均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)壽命。
文檔編號H04W52/02GK102573023SQ201110366770
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者夏凌楠, 張帥, 李鳳榮, 林振華, 王臨琳, 王曉東, 高丹 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 中國科學(xué)院嘉興無線傳感網(wǎng)工程中心