一种协作无线传感网增强网络生命周期的节点选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种协作无线传感网增强网络生命周期的节点选择方法，属于无线通 信中继技术。
【背景技术】
[000引无线传感器网络（WSN，wireless sensor networks)是由大量的微型传感器节点 通过自组织方式构成的网络。该些传感器节点成本低、功耗小、并且具备一定的感知能力、 计算能力和无线通信能力。无线传感器网络在环境检测、国防反恐、抗震救灾、医疗护理、 智能家居和太空探测等诸多领域都有广阔的应用前景，是目前学术界研究的热点之一。传 感器节点的能量一般都是依靠节点内置的电池提供，可供节点进行操作处理的能量是有限 的，而且传感器节点一般都是播撒在环境条件复杂的地区，如何进行节点能量的补充是一 大难题。因此，如何高效地使用能量，最大化网络生命周期成为无线传感器网络进一步应用 面临的首要挑战。
[0003] 按照参与协作通信的中继节点数目，中继选择方案可W分为两类；一类为多中继 节点选择方案，即按照某要求选择多个中继参与协作转发；另一类为单中继节点选择方案， 即根据某一算法在多个可供选择的中继中只选择一个最优中继来协助源节点进行数据转 发。W满足目的节点的SNR为指标，当系统中的中继节点小于一定的数量后（或者比例小于 一定的数值后），定义协作通信网络"死亡"，死亡前的时长即为协作通信网络的生命时长。
[0004] 在图1所示的中继网络中，信源S在第一时隙发送信息到达目的节点D与各中继 节点R，各中继节点R经过单中继节点选择方案后选出一个中继节点在第二个时隙转发信 息至目的节点D。在现有技术中，常用的单中继节点选择方案一般有两种；一种是MTP方案， 是指每次选取需要最少传输能量的中继节点作为协作传输节点；另一种是MRE方案，是指 选择剩余能量最大的中继节点，即中继节点的当前能量减去传输所需的能量，最大者即为 协作传输节点。
[0005] 但是MTP方案和MRE方案存在如下缺陷；1、W存在特定数量（比例）的传感器节 点定义协作无线传感器网络生命时长并不准确，因为某个传感器不能参与转发信息只是降 低了该系统的空间增益，并不一定不满足系统的QoS需求；2、MTP方案选择每次传输能量最 小的节点，有可能使得某个中继过早"死亡"；3、MRE方案使得中继中的能量更平均，但同时 会造成转发信息的中继节点消耗过大能量，因此两者并不有益于无线传感网生命时长的延 长。因此需要一个更优的中继节点选择方案来克服该些问题。
[0006] 缩略语和关键术语定义
[0007] WSN wirelesssensornetworks 无线传感网
[000引 CSI channelstateinformation 信道状态信息
[0009]REIresidualenergyinformation 剩余能量信息
[0010] QOSqualityofservice 服务质量
[0011] AFamplifyandforward 放大转发
[001 引 MTPminimumtransmissionenergy 最小传输能量
[001 引 MREmaximumresidualenergy 最大剩余能量
[0014] MRImaximumenergy-efficiencyindex 最大能效指数
[0015] OLSoptimallifetimestrategy 最优网络寿命
【发明内容】
[0016] 发明目的；为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种协作无线传感网增 强网络生命周期的节点选择方法，通过建立信道状态信息（CSI)、节点剩余能量（REI)与中 断概率的关系，从而确定出哪些节点可W作为潜在的中继传输消息，W有效延长协作网络 的生命时长，同时采用更准确的方法定义协作网络的生命时长。
[0017] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0018] 一种协作无线传感网增强网络生命周期的节点选择方法，包括如下步骤：
[0019] (1)初始化中继个数N，N个中继节点的初始能量为計1]=[马叫，…^叫，…， 设置计时步长lifetime= 0 ;
[0020] 似判断系统中断概率冲叫)是否小于设定阔值n，n是协作中继系统最大 可容忍中断概率值：
【主权项】
1. 一种协作无线传感网增强网络生命周期的节点选择方法，其特征在于：包括如下步 骤： (1) 初始化中继个数N，N个中继节点的初始能量为可1]=[^[1]，…々[1]，…，eY[l]]，设置 计时步长lifetime=O; (2) 判断系统中断概率P,"reTm])是否小于设定阈值n，n是协作中继系统最大可容 忍中断概率值：
其中，Y是目的节点的接收信噪比的阈值，若目的节点的接收信噪比大于阈值Y，则 认为目的节点正确接收了信息；可叫=1^1^]，一，41^]，一，\.1^]]，61;[111]为第1^个中继节 点在第m时隙时的初始能量；PJ?)表示求取括号内容的概率；Ps为信源节点S的发射功 率；hsd表示信源节点到目的节点的信道增益，满足均值为0、方差为R2,的循环对称复高斯 分布；hsk表示信源节点到中继节点的信道增益，满足均值为0、方差为Z2t的循环对称复高 斯分布；hkd表示中继节点到目的节点的信道增益，满足均值为0、方差为的循环对称复 高斯分布?)表示一阶的第二类贝塞尔函数； 若0[m]) < 7，则进入步骤⑶；否则，记录lifetime并结束； (3) 协作中继系统随机生成新的hsd、hsk和hkd; (4) 判断中继节点是否属于集合Re，即判断中继节点是否满足如下条件： ① 目的节点的接受信噪比需要大于阈值Y，因此第k个中继节点在第m时隙满足该条 件下所需要的最小传输功率Phin[m]为：
其中，Pk[m]表示第k个中继节点在第m时隙的传输功率；设定信息在每个时隙传输 的时间为一个单位时间，则中继节点传输的耗能在数值上等于传输的功率，基于此要求第k 个中继节点满足Pk-min[m]彡Pk__^PPk_min[m]彡ek[m]这两个条件，即要求在第m时隙时，第 k个中继节点的最小传输功率Pk_min[m]小于其最大传输功率Pk__，第k个中继节点的最小 消耗能量Pk-min[m]小于其在第m时隙的初始能量ek[m]; ② 在第m时隙时，第k个中继节点的接收信噪比大于Y，保证中继转发的信息不会过于 失真，即Rt= {k:Ps|hsk|2彡y}; 基于上述条件，1^=1^门{1^15__[111]彡615[1]1]}门{1^ 15_1^[111]彡？_};若1^为空集， 则保持当前的中继状态不变，返回步骤（3);否则，进入步骤（5); (5) 采用MEI方案或OLS方案从Re中选择一个中继节点作为协助传输节点； ①MEI方案为：对于Re中的每一个中继节点，计算下式：
选取值最小的中继节点作为协助传输节点； ②OLS方案为：对于Re中的每一个中继节点，计算下式：
其中Ik为NX1矢量，在第k位置处的值为1，其余位置处的值为0 ; 选取值最小的中继节点作为协助传输节点； (6) 根据步骤（5)选择出的协作传输节点改变中继状态，lifetime=lifetime+1，返 回步骤（2)。
【专利摘要】本发明公开了一种协作无线传感网增强网络生命周期的节点选择方法，通过建立信道状态信息、节点剩余能量与中断概率的关系，从而确定出哪些节点可以作为潜在的中继传输消息，可以有效延长协作网络的生命时长，同时采用了更准确的方法定义协作网络的生命时长；与现有的中继选择方案相比，本发明技术方案提高了协作通信网络的生命时长。
【IPC分类】H04W84-18, H04W40-22
【公开号】CN104717712
【申请号】CN201510129229
【发明人】徐平平, 刘琨, 武贵路
【申请人】东南大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月23日