一种基于OOK调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方法

摘要

一种基于OOK调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方法，利用变长码字集合选取方法来构造出达到预定的码率且具有很低码字平均重量的码字集合，并利用基于码表查询的编解码法来进行编码和解码；码字集合选取方法是通过构造一颗完全二叉树，二叉树的每个叶子节点代表着一个码字，然后不断地进行叶子节点的裁剪与扩展操作来不断降低码字平均重量，直到平均码长达到门限值时结束叶子节点操作。基于码表查询的编解码法是将信息集合中的信息与码字集合中的码字一一匹配并以表格形式存储于每个传感器节点中，在发送节点上通过查询码表来将信息映射成码字，在接收节点上通过查询码表来将码字解码出信息。本发明码率较高、降低节点的能量消耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线通信中的节能信源编码方法，该方法适用于 采用OOK调制的无线传感器网络。

技术背景

无线传感器网络在环境监测、医疗卫生、工业自动化、军事侦查 等领域有着非常广泛的前景。由于传感器网络中的传感器节点通常是 由电池来供电，其能量非常有限，因此如何降低节点的能量消耗、延 长网络的生存时间是有待研究的关键问题之一。

传感器节点的能量消耗发生在数据采集、数据处理、数据发送、 数据接收等环节。其中，数据发送所消耗的能量会占总能量消耗的很 大比例。比如说，发送一个比特所消耗的能量与处理上千条计算指令 所消耗的能量大致相当。因此，如何降低发送信息所消耗的能量是非 常值得持续深入研究的重要问题。

为了节省发送信息时消耗的能量，采用OOK调制是一种适合的候 选调制方案。OOK调制方式是仅仅在发送“1”比特时发送电压信号， 而在发送“0”比特时保持安静即天线上不发送任何电压信号。因此， 采用OOK调制方式的通信方式只会在发送“1”比特时消耗能量，达到 了节能的目的。

对于采用OOK调制方式的无线通信，我们可以通过采用信源编码 技术，将m比特长的信息串映射到n比特长的码字以便降低“1”比特 的出现次数，从而进一步的降低发送能耗，其中n>m。目前为止，已 有一些文献研究设计信源编码方法来降低“1”比特的出现次数。比如 ME编码方法（参见《Energy Efficient Source Coding and Modulation for Wireless Applications》,刊于IEEE WCNC,2003）、MEC编码方法 （参见《Minimum Energy Coding for Wireless NanoSensor Networks》, 刊于IEEE INFOCOM,2012）等等。然而这些源编码方法都是设计固定 码长的前缀编码，这种固定码长编码虽然减少了“1”比特的出现次 数，但编码前信息长度与编码后码字长度的比值即码率偏低，从而导 致传输效率偏低。设计开发变长码即码字长度不一样的编码方法，既 可以有效减少“1”比特的出现次数又可以达到高码率。

发明内容

为了克服现有无线传感器网络的固定码长编码导致码率偏低的不 足，本发明提出了一种基于OOK调制的无线通信中的变码长编码方 法，该方法在保证码率即传输效率不低于所给定门限值的前提下得到 码重即“1”比特个数较低的码字集合，从而降低节点的能量消耗。故该 技术可以应用于使用OOK调制的无线传感器网络中，进而极大延长能 量极其受限的通信节点存活时间。

本发明为了解决上述技术问题提供的技术方案为：

一种基于OOK调制的无线传感器网络中高发送能量效率源编码方 法，利用变长码字集合选取方法来构造出达到预定的码率且具有很低 码字平均重量的码字集合，并利用基于码表查询的编解码法来进行编 码和解码，其中，所述的变长码字集合选取方法包括以下步骤：

(1.1)对于长度为m比特的信息串编码问题，构造一颗深度为m 的满二叉树，将其每个节点的左分支标为0，右分支标为1；二叉树从 根节点到每个叶子节点的路径序列代表着一个码字，以便使该编码具 有前缀性；

(1.2)对每个节点n_i，计算其重量度量w_i和层数度量L_i，其中重量 度量w_i为从根节点到节点n_i的路径序列中1的个数，而层数度量L_i为 从根节点到节点n_i的路径序列的长度，计算出所有叶子节点层数度量 的总和L_T。

(1.3)对二叉树中的叶子节点反复进行裁剪和扩展操作并更新L_T， 直到L_T达到临界值为止；

所述基于码表查询的编解码法包括以下步骤：

(2.1)码表构造：是先将2^m个不同的m比特长信息串与所选取的 2^m个码字进行一一对应，存储为一张码表；

(2.2)码表存储：将码表保存在发送节点和接收节点中；

(2.3)编解码操作：发送节点通过码表查寻来找出信息串对应的 码字，接收节点通过码表查寻来找出码字对应的信息串。

进一步，步骤(1.1)中参数m的取值取决于传感器节点的内存大 小，m的取值所得到的码表大小要小于节点里所具备的内存大小。

更进一步，所述步骤(1.2)中叶子节点的重量度量能反应出其对应 码字的发送所要消耗的能量，叶子节点的层数度量能反应出其对应码 字的发送所要消耗的时间。

再进一步，所述步骤(1.3)中，所述裁剪与扩展操作包括下列操作 内容：

(1.3.1)确定待裁剪的叶子节点的候选集合N_d：首先初始化N_d=φ， 然后在具有相同层数的所有叶子节点中，挑选具有最大重量的叶子节 点加入到N_d中；

(1.3.2)确定待扩展的叶子节点的候选集合Ne：首先初始化Ne=φ， 然后在具有相同层数的所有叶子节点中，挑选具有最小重量的叶子节 点加入到Ne中；

(1.3.3)对每一对叶子节点(n_i，n_j),其中n_i∈N_d和n_j∈Ne,计算其收益 度量值G_i，j，如果所有以上的叶子节点对的收益度量值都是零，则结束 操作；否则，挑选出具有最大收益度量的叶子节点对(n_i，n_j)，如果多 对具有相同的最大收益度量值，则任意选择其中一对，然后根据以下 式子来计算如果进行裁剪和扩展将导致的叶子节点的层数总和：

如果L′_T>m·2^m/R_th则结束算法；

(1.3.4)裁剪掉叶子节点n_i，如果n_i的兄弟节点无子节点则一起裁 剪掉。然后将叶子节点n_j扩展出两个新的子叶子节点n_k和n_l。分别计 算出这两个新叶子节点的重量度量和层数度量。将二叉树更新后所有 叶子节点的层数的总和L_T更新为L_T＝L′_T。

所述步骤(1.3.3)中收益度量值G_i，j的计算公式为：

本发明的技术特点及效果：

1）本发明利用二叉树的叶子节点来代表码字，使所设计出的码字 具有前缀性，即任意一个码字都不是其它码字的前缀，也就具有了唯 一可译性。

2）利用二叉树的叶子节点的裁剪和扩展来不断地降低码字平均重 量，同时很方便地对码率的控制。

3）本发明最终得到的码字的长度不一样，在满足码率不低于门限 值的前提下达到了较低的平均码重，从而大大降低了发送能耗。

附图说明

图1是无线传感器网络的节点发送接收信息的示意图，（a）为发 送节点，（b）为接收节点。

图2是初始化的满二叉树即初始化的码字集合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1和图2，一种基于OOK调制的无线传感器网络中高发送能 量效率源编码方法，利用“变长码字集合选取方法”来构造出达到预 定的码率且具有很低平均码重的码字集合，并利用“基于码表查询的 编解码法”来进行编码和解码，其中，所述的“变长码字集合选取方 法”包括以下步骤：

(1.1)对于长度为m比特的信息串编码问题，构造一颗深度为m 的满二叉树，将其每个节点的左分支标为0，右分支标为1。二叉树从 根节点到每个叶子节点的路径序列代表着一个码字。

(1.2)对每个节点n_i，计算其重量度量w_i和层数度量L_i,其中重量 度量w_i为从根节点到节点n_i的路径序列中1的个数，而层数度量L_i为 从根节点到节点n_i的路径序列的长度。计算出所有叶子节点层数度量 的总和L_T。

(1.3)对二叉树中的叶子节点反复进行以下裁剪和扩展操作，直到 L_T达到临界值为止。

(1.3.1)确定待裁剪的叶子节点的候选集合N_d：首先初始化 N_d=φ，然后在具有相同层数的所有叶子节点中，挑选具有最大重量的 叶子节点加入到N_d中。确定待扩展的叶子节点的候选集合Ne：首先初 始化Ne＝φ，然后在具有相同层数的所有叶子节点中，挑选具有最小重 量的叶子节点加入到Ne中。

(1.3.2)对每一对叶子节点(n_i，n_j)，其中n_i∈N_d和n_j∈Ne,根据以下 函数计算其收益度量值G_i，j，

如果所有以上的叶子节点对的收益度量值都是零，则结束算法；否 则，挑选出具有最大收益度量的叶子节点对(n_i，n_j)，如果多对具有相 同的最大收益度量值，则任意选择其中一对，然后根据以下式子来计 算如果进行裁剪和扩展将导致的叶子节点的层数总和:

如果L′_T>m·2^m/R_th则结束算法。

(1.3.3)裁剪掉叶子节点n_i，如果n_i的兄弟节点无子节点则一起裁 剪掉。然后将叶子节点n_j扩展出两个新的子叶子节点n_k和n_l。分别计 算出这两个新叶子节点的重量度量和层数度量。将二叉树更新后所有 叶子节点的层数的总和L_T更新为L_T=L′_T。

(1.3.4)重复执行以上(1.3.1)-(1.3.4)的操作，直到算法结束。

另外，上面所述的利用“基于码表查询的编解码法”来进行编码 和解码包括以下步骤：

（2.1），码表构造：是先将2^m个不同的m比特长信息串与所选 取的2^m个码字进行一一对应，存储为一张码表；

（2.2），码表存储：将码表保存在发送节点和接收节点中；

（2.3），编解码操作：发送端通过码表查寻来找出待发送信息串 对应的码字，接收端通过码表查寻来找出接收到的码字所对应的信息 串。

我们针对无线传感器网络中的任意两个相邻节点来说明本发明的 具体实施方案，其中一个节点为发送节点，另一个节点为接收节点， 如图1所示。

首先，利用上述编码方法，通过对图2所示的初始满二叉树的叶 子节点反复进行裁剪和扩展操作，构造出2^m个不等长码字，并将它们 与2^m个长为m比特的信息串一一对应并存储为一张码表。其中，参数 m的取值取决于传感器节点的内存大小，内存越大，所允许的m最大 取值也越大。将该码表存储在每个传感器节点中。

当发送节点要发送信串比特流时，在所有有待发送的信息比特 中，将最早到达的连续m个比特即一个信息串取出，然后在存储的码 表中查找出该信息串对应的码字。将该码字通过OOK调制方式调制后 发送出去。其中，“1”比特调制成一个特定的电压符号，比如一个脉 冲，“0”比特则不发送任何电压符号。

当接收节点接收信息时，通过将天线接收到的电压信号进行解 调，对于解调后的比特流中的每个码字，则通过在存储的码表中查找 出该码字对应的信息串，然后再把该信息串交给其他子协议做后续处 理。