[发明专利]一种协作MIMO无线传感器网络环境下协作节点的选择方法

说明书

技术领域

本发明涉及协作MIMO无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)中的跨层优化设计，尤其涉及协作节点的选择方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，人们对物理世界信息的需求越来越高，对采集物理世界的数据信息也越来越迫切，如何廉价高效地采集物理世界的数据信息成为人们亟待解决的问题。近年来，微机电系统(Micro Electro Mechanism System，MEMS)、片上系统(System on Chip，SoC)、无线通信和低功耗嵌入式等技术得到飞速发展，并逐步应用于实践。这些技术的发展有效地推动了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)的发展，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点推动着新一轮信息感知的变革。

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点，通过无线通信方式构成的一个多跳自组织网络。其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络所有者。传感器、感知对象和观察者是构成无线传感器网络的三大要素。无线传感器网络具有众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等客观物理环境中多种多样的现象。潜在的应用领域主要有：军事、环境监测和保护、医疗护理等。

无线传感器网络中，传感器节点采集到周边的数据后，通过无线通信方式发送到数据汇聚节点。由于受传感器节点体积的限制，通常将能量模块嵌入到节点中。此外，传感器节点通常部署在人类难以到达的地区，因此在实践过程中很难做到频繁地给传感器节点补充能量。能耗问题成为无线传感器网络发展的瓶颈。

多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术是采用多天线发射和多天线接收的无线通信方式，其优势在于可以利用信道空间复用增益来提高信道容量，同时，利用空间分集来消除信道多径衰落和时变衰落的影响，提高信号传输的可靠性，降低误码率。但是，由于MIMO技术要求收发器具有更加复杂的电路和信息处理模块，从而导致通信过程中能耗很大。另一方面，受传感器节点体积的限制，在一个微小的传感器上装配多根天线也很不现实。因此，如何将MIMO技术应用到传感器网络成为一个难题。

协作MIMO技术为解决这一难题提供了有效的解决方案。协作MIMO技术采用在发送端和接收端分别选取数个节点作为协作节点组成虚拟的天线阵列，协作地完成MIMO通信过程。协作MIMO的基本思想首先由美国德州农工大学崔曙光教授提出，并通过理论证明协作MIMO技术应用到无线传感器网络能极大地减小能耗和提高传输质量。而后，Jayaweera考虑了信道估计和训练开销之后对其进行了改进，Y.Gai和M.Rakibul等学者也在前人的基础上做了很多优化设计的工作。协作MIMO技术在无线传感器网络中的应用问题已成为无线传感器网络的研究热点之一。协作节点的选取是协作MIMO技术应用的前期工作，现有选择协作节点的原则有信道容量最大、误码率最小、信噪比最大、跨层优化四种。

发明内容

本发明的目的是：提出一种协作MIMO无线传感器网络环境下基于SVD和QR分解的协作节点选择方法。

本发明的目的是通过如下方式来实现：一种协作MIMO无线传感器网络环境下协作节点的选择方法，所述方法包括：

发送端域首节点根据域内节点发送的协作请求信息进行信道估计，分别估计出所属域内节点与接收端域内所有节点之间的信道增益，得到两个域的节点之间的信道增益矩阵H；

通过对H进行SVD分解，计算出数值远大于其它奇异值的奇异值个数k，k即为要选择的发送协作节点个数；

利用QR分解选择所述k个奇异值具体对应的节点作为发送协作节点；

对H进行转置得到H^T，通过对H^T进行SVD分解，计算出数值远大于其它奇异值的奇异值个数k′，k′即为要选择的接收协作节点个数；

利用QR分解选择所述k′个奇异值具体对应的节点作为接收协作节点。

通过对所述信道矩阵H进行SVD分解计算出要选择的发送或接收协作节点个数k或k′，具体为：

预定义k或k′值为1；

对H或H^T进行SVD分解；

判断前k或k′个奇异值是否远大于其它奇异值，并更新k或k′值，将k或k′值增加1；

当所述奇异值不满足上述步骤时，则终止计算流程，选定k或k′值为协作节点个数。