[发明专利]一种确定无线传感器网络中数据传输路径的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Network)技术领域，尤其是涉及一种确定无线传感器网络中数据传输路径的方法及装置。

背景技术

无线信道的多径衰落阻碍了信道容量的增加和服务质量的改善。其中多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Out-put)技术通过在接收端和发射端同时安置多根天线，既可有效对抗衰落，又能充分利用空域资源，大幅度提高信道容量。MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一。但是理想状态下的MIMO多天线系统要求相邻天线之间的距离远大于载波波长，并且多个收发天线之间的传输信道必须是独立的。然而移动终端的体积、质量和能耗都受到限制，根本无法安装多根天线。因此，虽然MIMO技术可以在蜂窝基站上运行，但是MIMO技术无法应用于普通的包含多个移动终端的无线通信网络，例如由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成无线传感器网络。无线传感器网络是通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。由于传感节点一般数目比较庞大，部署的环境也比较复杂，人工很难随时补充或更换电池补充能量。因此，采用有效的能量管理策略，延长网络生存周期，是无线传感器网络设计和实现的核心问题。

协作通信技术作为一种多天线技术的扩展，是利用无线广播的优势，通过共享网络中其他用户的天线，形成虚拟的MIMO天线阵列来实现发送或接收，获得增益，从而减少信息传送的能量开销。协作路由是联合物理层的协作通信技术和网络层的路由选择技术的跨层路由方案。协作路由可以有效的节约网络中节点的能量消耗，特别是在无线传感器网络中，由于传感节点一般数目比较庞大，部署的环境也比较复杂，人工很难随时补充或更换电池补充能量。因此，采用有效的能量管理策略，延长网络生存周期，是无线传感器网络设计和实现的核心问题。

确定无线传感器网络中数据传输路径的方法可以是能量有效(Energy-efficient)的协作路由算法，该算法是以最小化端到端传输总能量为目标的协作路由算法，如累加协作(PC，Progressive Cooperation)、基于最短路径的协作算法(CAN，Cooperation Along the Non-Cooperative)、最短路径协作(CSP，Cooperative Shortest Path)、最小功率协作(MPCR，Minimum Power Cooperative Routing)、一般最短路径算法(GSPRA，Generalized Shortest Path Routing Algorithm)等协作路由算法。其中，PLC协作路由算法与CAN协作路由算法的基本思想是一致的，首先确定出传统传输下的数据传输的最短路径，再基于此路径选择中继从而实现协作传输。二者区别在于PLC协作路由算法的比CAN协作路由算法更节省能量，但算法的复杂度高很多。CSP协作路由算法是以迪杰斯特拉(Dijkstra)最短路径算法作为路由算法的基本架构，并把协作传输的特性引到松弛阶段而重新设计的协作路由算法。MPCR协作路由算法是一种保证一定吞吐量下的单中继选择的分布式协作路由算法。GSPRA是基于MIMO的分布式多跳协作路由算法。无线传感网络的生存周期取决于第一个能量损耗完全的节点，因此该种方法的缺陷在于总能量的节省并不意味着能够延长无线传感网络的生存周期。

下面以一具体实例来分析该种协作路由算法的缺陷：如图1所示，图1中的数字表示每传输单位数据需要消耗多少单位的电量。例如，数字2表示每传输单位数据需要消耗2单位的电量，数字12表示每传输单位数据需要消耗12单位的电量。数据需要从源节点s传输到目的节点d。其中两节点之间的边表示两节点间直接传输单位数据需要消耗的能量。除节点b外的其他三个节点都是满电量的节点。若选取传统多跳路由算法确定数据传输路径，数据将延传输路径{s->a,a->b,b->d}传输，且每传输单位数据需要消耗6单位的电量。节点b也会因电量较少，最先耗尽电量造成整个无线传感器网络作废。若采取上述协作路由算法(如CAN、PLC、CSP)来确定数据传输路径，数据将沿路径{s->a,(s,a)->b,(a,b)->d}传输，且将消耗5单位的电量。因此相比传统传输，协作路由算法确定出的数据传输路径，会使得传输时消耗的能量大幅降低，在一定程度上使得整个无线传感器网络的生存周期得以延长。