基于JNCC的增强型无线传感器网络自适应动态能耗优化方法技术

本发明专利技术公开一种基于JNCC的增强型无线传感器网络自适应动态能耗优化方法，建立在以簇为单位的WSN拓扑上，中继节点通过目的节点D反馈回来的联合译码误码率信息和包含误码码字位置信息的标识向量动态调整本轮需要发送的网络编码包个数M，使得传输数据在满足误比特率要求的前提下，系统能耗最小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及及无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSNs),具体涉及一种基于JNCC(JointNetwork-ChannelCoding)的增强型无线传感器网络自适应动态能耗优化方法。
技术介绍
现在短距离通信如蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UltraWideBand，UWB)、ZigBee和Wi-Fi等，已经走进了千家万户，极大地改善了人们的生活质量。无线传感器网络作为短距离通信的重要组成部分，已经得到了广泛的应用，尤其是在智能家居，野外数据采集，军事情报搜集等方面发挥了不可替代的作用。受限于单个节点的处理和通信能力，协作通信的思想被引进WSN中，形成了虚拟MIMO技术，其基本思想是将位于同一区域的多个节点的天线看作是同一个接收端的多个天线，然后便可以采用分集技术进行接收，可以很好地对抗信道衰落。后来研究者发现在传输的中间位置对数据进行处理可以提高系统的性能，这就是网络编码的思想。随着研究的深入，C.Hausl等研究者将信道编码和网络编码两个本来相互独立的编码技术进行了联合编码译码，形成了联合信道网络编码的思想，并通过理论和仿真证明了其在传输可靠性方面的优越性能。随后出现了大量关于联合编码方面的研究，主要集中在联合编码译码的码字优化、译码算法改进、自适应可扩展性研究和能量有效性等方面。Ying等利用高斯近似算法和香农定理推导出了LDPC联合码字的译码门限和度分布函数并对联合编码校验矩阵进行了优化。Wang等也基于度分布提出了针对联合编码校验矩阵的优化算法。Hernaez等学者则基于EXIT图分析提出了多进制联合编码中网络编码最优线性组合系数选择算法。Zheng等学者提出了一种多进制的联合编码译码方案NB-JNCC并将其应用到了多跳网络中。Xuan等学者则从理论上分析给出了一种次优联合译码算法，有效地提升了译码性能。上述提出码字优化算法和译码优化算法的论文中，并没有考虑到网络拓扑的变化，只能应用于拥有固定拓扑的网络，因此可扩展性比较差。为了解决可扩展性的问题，X.Bao等提出了ANCC及GANCC算法，它能够将网络拓扑结构的动态变化映射到联合编码的校验矩阵中，可以对拓扑结构的变化做出自适应变化。但是采用这两种算法的所有节点都需要发送和接收到所有数据包，但当信道情况较好时，实际上只要少量网络编码包就可以保证较高的可靠性，将所有的网络编码包发送给信宿会浪费大量的能量。以上算法虽然在提高系统传输可靠性方面表现出了良好的性能，但是大都忽视了无线传感器网络中最重要的能耗问题。Lu等人提出了JANCC算法，该算法采用了标识向量来标记错误码字，只要求中继节点发送一个与错误码字相关的网络编码包，联合译码，但其调整范围有限，自适应性较差。Liu等人提出了自适应动态能耗优化(ADEC,AdaptiveDynamicEnergyConsumptionOptimization)算法，它能够根据本轮传输情况动态调整下轮发送的网络编码包个数，从而保证达到传输要求的前提下，能耗较小。但是ADEC算法的自适应机制是根据本轮译码结果对下一轮，而非本轮的发送策略进行调整的，这样就会导致计算得到的网络编码包个数可能不是最优的。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种基于JNCC的增强型无线传感器网络自适应动态能耗优化方法，采用的技术方案如下：基于JNCC的增强型无线传感器网络自适应动态能耗优化方法，建立在以簇为单位的WSN拓扑上，中继节点通过目的节点D反馈回来的联合译码误码率信息和包含误码码字位置信息的标识向量动态调整本轮需要发送的网络编码包个数M，使得传输数据在满足误比特率要求的前提下，系统能耗最小，具体包括如下步骤：S11.初始化low＝0，high＝N0，设置M的搜索区间为[low，high]，使用变量j来统计发送轮数并初始化为0，采用向量Fg来标记错误码字并初始化为0向量，S12.将M设为搜索区间的中间值，即其中符号表示向下取整；S13.发送LDPC编码包和网络编码包rj-1，其中，网络编码包与由标识向量Fg标记并在上轮存储的错误码字相关，具体生成方式由下式定义：其中：c1'～cNe'是标识向量Fg标记的上轮未成功译码的码字，Ne是未成功译码码字的总数，是网络编码向量；S14.目的节点D将接收到的网络编码包与上轮存储的错误码字进行联合译码，估计出误比特率BER；S15.目的节点D生成标识向量Fg；S16.目的节点D将估计的误比特率BER和标识向量Fg返回至中继节点R；S17.中继节点根据反馈的误比特率情况调整网络编码的节点个数M，具体为：如果返回的BER≦BER0，则减小M，执行high＝M，反之，则增大M，执行low＝M+1；S18.判断low是否大于等于high，若否返回步骤S12，若是则执行结束。作为优选，步骤S15按如下标识向量生成方法生成标识向量：S21.初始化LDPC编码包编号i＝0；S22.目的节点对接收到的第i个LDPC编码包进行迭代译码；S23.对第i个码字进行判定，若cj,iHT＝＝0，那么说明译码成功，则将标识向量Fg的第i个元素fi设为0；S24.若cj,iHT≠0，则说明译码不成功，将其存储在缓存器中，并将标识向量Fg的第i个元素fi设为1；S25.判断i是否大于等于N0，若否返回步骤S22，若是则结束。作为优选，所述步骤S13中，按照发送选择策略发送LDPC编码包和网络编码包，所述发送选择策略如下：S31.源簇节点广播发送N0个LDPC编码包cj至目的节点D和中继节点R；S32.如果轮数j！＝1且标识向量Fg！＝0，则中继节点R发送M个网络编码包rj-1至目的节点D，否则不发送网络编码包。作为优选，本专利技术还包括对获得的网络编码数目M再进行微调处理，所述微调处理具体为：S40.设置M＝M0，j＝j0，其中M0和j0分别为粗调阶段获得的关于M的值和j的值作为初始值；S41.初始化发送数据包的个数total＝0，初始化错误记录数为error＝0；S42.每发送一次数据则total＝total+1；S43.根据发送策略选择发送LDPC编码包和网络编码包；S44.目的节点D将接收到的网络编码包与上轮存储的错误码字进行联合译码，估计出误比特率BER；S45.目的节点D按标识向量生成方法生成标识向量Fg；S46.目的节点D将估计的误比特率BER和标识向量Fg返回至中继节点R；S47.中继节点接收反馈的误比特率情况并判断是否小于BER0,若是，则执行S48，若否则执行error＝error+BER后执行S48；S48.判断total是否大于total0，若是，则执行S49，若否则执行S411；S49.判断BER是否大于BER0，若是则执行M＝M+1，返回S41，若否则执行S410；S410.判断BER是否小于BER0/2，若是则执行M＝M-1，返回S41，若否则执行S411；S411.判断数据是否已经全部发送，若是则结束，若否则返回S42。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术不仅能够根据信道条件的变化动态调整网络编码包的个数，而且采用了标识向量来标识译码错误码字，中继节点只需要发送与错误码字相关的网络编码包，能够更准确地纠正错码，降低误比特率，从而减本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于JNCC的增强型无线传感器网络自适应动态能耗优化方法，建立在以簇为单位的WSN拓扑上，其特征在于，中继节点通过目的节点D反馈回来的联合译码误码率信息和包含误码码字位置信息的标识向量动态调整本轮需要发送的网络编码包个数M，使得传输数据在满足误比特率要求的前提下，系统能耗最小，具体包括如下步骤：S11.初始化low＝0，high＝N0，设置M的搜索区间为[low，high]，使用变量j来统计发送轮数并初始化为0，采用向量Fg来标记错误码字并初始化为0向量，S12.将M设为搜索区间的中间值，即其中符号表示向下取整；S13.发送LDPC编码包和网络编码包rj‑1，其中，网络编码包与由标识向量Fg标记并在上轮存储的错误码字相关，具体生成方式由下式定义：rj-1,i=c1′c2′...cNe′·vRi,i∈[1,M]]]>其中：c1'～cNe'是标识向量Fg标记的上轮未成功译码的码字，Ne是未成功译码码字的总数，是网络编码向量；S14.目的节点D将接收到的网络编码包与上轮存储的错误码字进行联合译码，估计出误比特率BER；S15.目的节点D生成标识向量Fg；S16.目的节点D将估计的误比特率BER和标识向量Fg返回至中继节点R；S17.中继节点根据反馈的误比特率情况调整网络编码的节点个数M，具体为：如果返回的BER≦BER0，则减小M，执行high＝M，反之，则增大M，执行low＝M+1；S18.判断low是否大于等于high，若否返回步骤S12，若是则执行结束。...

【技术特征摘要】
1.基于JNCC的增强型无线传感器网络自适应动态能耗优化方法，建立在以簇为单位的WSN拓扑上，其特征在于，中继节点通过目的节点D反馈回来的联合译码误码率信息和包含误码码字位置信息的标识向量动态调整本轮需要发送的网络编码包个数M，使得传输数据在满足误比特率要求的前提下，系统能耗最小，具体包括如下步骤：S11.初始化low＝0，high＝N0，设置M的搜索区间为[low，high]，使用变量j来统计发送轮数并初始化为0，采用向量Fg来标记错误码字并初始化为0向量，S12.将M设为搜索区间的中间值，即其中符号表示向下取整；S13.发送LDPC编码包和网络编码包rj-1，其中，网络编码包与由标识向量Fg标记并在上轮存储的错误码字相关，具体生成方式由下式定义：rj-1,i=c1′c2′...cNe′·vRi,i∈[1,M]]]>其中：c1'～cNe'是标识向量Fg标记的上轮未成功译码的码字，Ne是未成功译码码字的总数，是网络编码向量；S14.目的节点D将接收到的网络编码包与上轮存储的错误码字进行联合译码，估计出误比特率BER；S15.目的节点D生成标识向量Fg；S16.目的节点D将估计的误比特率BER和标识向量Fg返回至中继节点R；S17.中继节点根据反馈的误比特率情况调整网络编码的节点个数M，具体为：如果返回的BER≦BER0，则减小M，执行high＝M，反之，则增大M，执行low＝M+1；S18.判断low是否大于等于high，若否返回步骤S12，若是则执行结束。2.根据权利要求1所述的基于JNCC的增强型无线传感器网络自适应动态能耗优化方法，其特征在于，步骤S15按如下标识向量生成方法生成标识向量：S21.初始化LDPC编码包编号i＝0；S22.目的节点对接收到的第i个LDPC编码包进行迭代译码；S23.对第i个码字进行判定，若cj,iHT＝＝0，那么说明译码成功，则将标识向量Fg的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘星成，李炜，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44