一種協(xié)作無線傳感網(wǎng)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的節(jié)點選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種協(xié)作無線傳感網(wǎng)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的節(jié)點選擇方法，屬于無線通 信中繼技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[000引無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless sensor networks)是由大量的微型傳感器節(jié)點 通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。該些傳感器節(jié)點成本低、功耗小、并且具備一定的感知能力、 計算能力和無線通信能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境檢測、國防反恐、抗震救災(zāi)、醫(yī)療護(hù)理、 智能家居和太空探測等諸多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，是目前學(xué)術(shù)界研究的熱點之一。傳 感器節(jié)點的能量一般都是依靠節(jié)點內(nèi)置的電池提供，可供節(jié)點進(jìn)行操作處理的能量是有限 的，而且傳感器節(jié)點一般都是播撒在環(huán)境條件復(fù)雜的地區(qū)，如何進(jìn)行節(jié)點能量的補(bǔ)充是一 大難題。因此，如何高效地使用能量，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步應(yīng)用 面臨的首要挑戰(zhàn)。
[0003] 按照參與協(xié)作通信的中繼節(jié)點數(shù)目，中繼選擇方案可W分為兩類；一類為多中繼 節(jié)點選擇方案，即按照某要求選擇多個中繼參與協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)；另一類為單中繼節(jié)點選擇方案， 即根據(jù)某一算法在多個可供選擇的中繼中只選擇一個最優(yōu)中繼來協(xié)助源節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 發(fā)。W滿足目的節(jié)點的SNR為指標(biāo)，當(dāng)系統(tǒng)中的中繼節(jié)點小于一定的數(shù)量后（或者比例小于 一定的數(shù)值后），定義協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)"死亡"，死亡前的時長即為協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的生命時長。
[0004] 在圖1所示的中繼網(wǎng)絡(luò)中，信源S在第一時隙發(fā)送信息到達(dá)目的節(jié)點D與各中繼 節(jié)點R，各中繼節(jié)點R經(jīng)過單中繼節(jié)點選擇方案后選出一個中繼節(jié)點在第二個時隙轉(zhuǎn)發(fā)信 息至目的節(jié)點D。在現(xiàn)有技術(shù)中，常用的單中繼節(jié)點選擇方案一般有兩種；一種是MTP方案， 是指每次選取需要最少傳輸能量的中繼節(jié)點作為協(xié)作傳輸節(jié)點；另一種是MRE方案，是指 選擇剩余能量最大的中繼節(jié)點，即中繼節(jié)點的當(dāng)前能量減去傳輸所需的能量，最大者即為 協(xié)作傳輸節(jié)點。
[0005] 但是MTP方案和MRE方案存在如下缺陷；1、W存在特定數(shù)量（比例）的傳感器節(jié) 點定義協(xié)作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命時長并不準(zhǔn)確，因為某個傳感器不能參與轉(zhuǎn)發(fā)信息只是降 低了該系統(tǒng)的空間增益，并不一定不滿足系統(tǒng)的QoS需求；2、MTP方案選擇每次傳輸能量最 小的節(jié)點，有可能使得某個中繼過早"死亡"；3、MRE方案使得中繼中的能量更平均，但同時 會造成轉(zhuǎn)發(fā)信息的中繼節(jié)點消耗過大能量，因此兩者并不有益于無線傳感網(wǎng)生命時長的延 長。因此需要一個更優(yōu)的中繼節(jié)點選擇方案來克服該些問題。
[0006] 縮略語和關(guān)鍵術(shù)語定義
[0007] WSN wirelesssensornetworks 無線傳感網(wǎng)
[000引 CSI channelstateinformation 信道狀態(tài)信息
[0009]REIresidualenergyinformation 剩余能量信息
[0010] QOSqualityofservice 服務(wù)質(zhì)量
[0011] AFamplifyandforward 放大轉(zhuǎn)發(fā)
[001 引 MTPminimumtransmissionenergy 最小傳輸能量
[001 引 MREmaximumresidualenergy 最大剩余能量
[0014] MRImaximumenergy-efficiencyindex 最大能效指數(shù)
[0015] OLSoptimallifetimestrategy 最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)壽命

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 發(fā)明目的；為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種協(xié)作無線傳感網(wǎng)增 強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的節(jié)點選擇方法，通過建立信道狀態(tài)信息（CSI)、節(jié)點剩余能量（REI)與中 斷概率的關(guān)系，從而確定出哪些節(jié)點可W作為潛在的中繼傳輸消息，W有效延長協(xié)作網(wǎng)絡(luò) 的生命時長，同時采用更準(zhǔn)確的方法定義協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的生命時長。
[0017] 技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0018] 一種協(xié)作無線傳感網(wǎng)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的節(jié)點選擇方法，包括如下步驟：
[0019] (1)初始化中繼個數(shù)N，N個中繼節(jié)點的初始能量為計1]=[馬叫，…^叫，…， 設(shè)置計時步長lifetime= 0 ;
[0020] 似判斷系統(tǒng)中斷概率沖叫)是否小于設(shè)定闊值n，n是協(xié)作中繼系統(tǒng)最大 可容忍中斷概率值：
【主權(quán)項】
1. 一種協(xié)作無線傳感網(wǎng)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的節(jié)點選擇方法，其特征在于：包括如下步 驟： (1) 初始化中繼個數(shù)N，N個中繼節(jié)點的初始能量為可1]=[^[1]，…々[1]，…，eY[l]]，設(shè)置 計時步長lifetime=O; (2) 判斷系統(tǒng)中斷概率P,"reTm])是否小于設(shè)定閾值n，n是協(xié)作中繼系統(tǒng)最大可容 忍中斷概率值：
其中，Y是目的節(jié)點的接收信噪比的閾值，若目的節(jié)點的接收信噪比大于閾值Y，則 認(rèn)為目的節(jié)點正確接收了信息；可叫=1^1^]，一，41^]，一，\.1^]]，61;[111]為第1^個中繼節(jié) 點在第m時隙時的初始能量；PJ?)表示求取括號內(nèi)容的概率；Ps為信源節(jié)點S的發(fā)射功 率；hsd表示信源節(jié)點到目的節(jié)點的信道增益，滿足均值為0、方差為R2,的循環(huán)對稱復(fù)高斯 分布；hsk表示信源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道增益，滿足均值為0、方差為Z2t的循環(huán)對稱復(fù)高 斯分布；hkd表示中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道增益，滿足均值為0、方差為的循環(huán)對稱復(fù) 高斯分布?)表示一階的第二類貝塞爾函數(shù)； 若0[m]) < 7，則進(jìn)入步驟⑶；否則，記錄lifetime并結(jié)束； (3) 協(xié)作中繼系統(tǒng)隨機(jī)生成新的hsd、hsk和hkd; (4) 判斷中繼節(jié)點是否屬于集合Re，即判斷中繼節(jié)點是否滿足如下條件： ① 目的節(jié)點的接受信噪比需要大于閾值Y，因此第k個中繼節(jié)點在第m時隙滿足該條 件下所需要的最小傳輸功率Phin[m]為：
其中，Pk[m]表示第k個中繼節(jié)點在第m時隙的傳輸功率；設(shè)定信息在每個時隙傳輸 的時間為一個單位時間，則中繼節(jié)點傳輸?shù)暮哪茉跀?shù)值上等于傳輸?shù)墓β?，基于此要求第k 個中繼節(jié)點滿足Pk-min[m]彡P(guān)k__^PPk_min[m]彡ek[m]這兩個條件，即要求在第m時隙時，第 k個中繼節(jié)點的最小傳輸功率Pk_min[m]小于其最大傳輸功率Pk__，第k個中繼節(jié)點的最小 消耗能量Pk-min[m]小于其在第m時隙的初始能量ek[m]; ② 在第m時隙時，第k個中繼節(jié)點的接收信噪比大于Y，保證中繼轉(zhuǎn)發(fā)的信息不會過于 失真，即Rt= {k:Ps|hsk|2彡y}; 基于上述條件，1^=1^門{1^15__[111]彡615[1]1]}門{1^ 15_1^[111]彡？_};若1^為空集， 則保持當(dāng)前的中繼狀態(tài)不變，返回步驟（3);否則，進(jìn)入步驟（5); (5) 采用MEI方案或OLS方案從Re中選擇一個中繼節(jié)點作為協(xié)助傳輸節(jié)點； ①M(fèi)EI方案為：對于Re中的每一個中繼節(jié)點，計算下式：
選取值最小的中繼節(jié)點作為協(xié)助傳輸節(jié)點； ②OLS方案為：對于Re中的每一個中繼節(jié)點，計算下式：
其中Ik為NX1矢量，在第k位置處的值為1，其余位置處的值為0 ; 選取值最小的中繼節(jié)點作為協(xié)助傳輸節(jié)點； (6) 根據(jù)步驟（5)選擇出的協(xié)作傳輸節(jié)點改變中繼狀態(tài)，lifetime=lifetime+1，返 回步驟（2)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種協(xié)作無線傳感網(wǎng)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的節(jié)點選擇方法，通過建立信道狀態(tài)信息、節(jié)點剩余能量與中斷概率的關(guān)系，從而確定出哪些節(jié)點可以作為潛在的中繼傳輸消息，可以有效延長協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的生命時長，同時采用了更準(zhǔn)確的方法定義協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的生命時長；與現(xiàn)有的中繼選擇方案相比，本發(fā)明技術(shù)方案提高了協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的生命時長。
【IPC分類】H04W84-18, H04W40-22
【公開號】CN104717712
【申請?zhí)枴緾N201510129229
【發(fā)明人】徐平平, 劉琨, 武貴路
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年3月23日