本发明专利技术公开一种无线传感网络能量采集节点协作传输的联合功率分配和中继选择方法，属于无线传感网技术领域。包括步骤:系统场景分析，问题归结；系统数学模型建立；然后利用优化方法求出最优解。本发明专利技术针对特殊的应用场景，来源实际应用，本发明专利技术区别与以往的独立的节点路径选择或者功率分配问题，考虑联合路径选择和功率分配，结合能量采集技术，充分利用无线传感网中空闲节点的协作转发功能，最大化通信节点之间的吞吐量性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线传感网
，更具体地说，涉及一种无线传感网络能量采集节点协作传输的联合功率分配和中继选择方法。
技术介绍
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。能够通过各类集成化的微型传感器以协作方式实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过自组织无线通信网络将所感知的信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。无线传感器网络是由多个带有传感器，数据处理单元及通信模块的节点，根据数据采集任务的需求自组织而成的网络。其任务是从环境中采集用户感兴趣的数据，数据源节点负责数据的采集，所采集到的数据通过多个中间节点转发以多跳方式传递给数据接收者(Sink)，通常数据在经过中间节点时，需要一定的处理，去除冗余性提取有用信息。目前WSN广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域。归结起来，WSN与传统产业的全面融合，将成为21世纪全球新一轮社会经济发展的主导力量，但同时也引出了几个函待解决的问题：1)无线传感网络中会存在大量待通信节点和大量需要流通的数据，为了达到最佳的网络性能，需要充分考虑网关节点的合理选择并分配最佳功率，从而最大化网络中特定通信节点对之间吞吐量最大化的问题；2)无线传感网络的能耗也是一个非常重要的问题，迫切需要在降低能耗的前提下，研究网络中特定通信节点对之间吞吐量最大化的问题；3)迫切需要能够投入实际应用的关于无线传感网络资源分配的算法，强调算法的低复杂度、实时运算能力和高收敛速度。中国专利技术专利号201310183276.3，公开日2013年5月17日，公开了一份名称为一种无线传感器网络中节点路由的路径选择方法，其包括：基于Dijkstra算法，将无线传感器网络中节点路由的信息分布模式从无向图转化为有向节点图，得到信息素初值；基于蚁群算法的多样性和正反馈性的特性，构建节点路由的路径选择方法；根据相对能量因子、相对距离因子以及信息素强度，确定转移方向，得到所选路径。该方法实现了无线传感器网路中各个节点能量均衡消耗，达到了节能效果。中国专利技术专利号201310374140.0，公开日2013年8月23日，公开了一份名称为一种无线传感器网络通信资源分配方法，其包括：网络分层：无线集中器作为网络中心发起网络，无线设备依次按照与无线集中器跳数逐渐加入网络；网络为分层结构，新加入网络节点根据父节点的层号加1作为节点自身网络层号；时隙分配：从时间顺序上来看，网络资源以超帧和时隙的形式存在，资源分配将网络资源分配到网络中不同的节点，从而实现网络中所有无线设备与无线集中器之间的通信；超帧中的时隙以时分多址接入方式分配到各个层，同一层内无线设备共享该层对应时隙，采取载波侦听多路访问方式；无线信道分配：从空间顺序上来看，网络资源主要以不同无线信道存在，也就是无线集中器和无线设备在不同的无线信道进行通信，从而实现同一时间对不同信道的充分利用；非间隔层在不同信道共享相同时隙。该方法可以实现大规模、低功耗、多跳网络的组建。中国专利申请号201310635782.1，公开日2013年12月13日，公开了一份名称为一种无线传感网络分布式速率控制方法，其包括以下步骤：网络中的中间链路根据所在链路干扰集在带宽上的供求关系，按比例微分型方式更新带宽价格因子；中间节点根据所在节点的能量供求关系，按比例微分型方式更新能量价格因子；源节点根据数据所经链路上各节点的能量价格因子和带宽价格因子，优化设定合适的数据传输速率；通过多次迭代后，使得无线传感网络的带宽和能量资源取得最优分配。该方法可以高效实现无线传感网络的带宽和能量资源的最优分配，降低通信开销的成本。总的来说，申请号201310183276.3的公开材料考虑节点的能耗问题，但是没有但是没有联合考虑功率分配和路径选择的最优化问题。申请号201310374140.0的公开材料考虑大规模、低功耗、多跳网络的组建，但是没有充分考虑能耗的问题。申请号201310635782.1的公开材料考虑高效率的能量和带宽的资源分配，但是没有考虑协作节点的选择以及算法实时运算的实践要求。
技术实现思路
针对现有的无线传感网络路径选择和功率分配方法未充分考虑能量采集因素带来的性能改善、联合资源分配的性能优化、低复杂度算法实际应用等问题，本专利技术提出一种无线传感网中能量采集节点的联合路径选择和功率分配方法，在综合考虑联合路径选择和功率分配，结合能量采集技术带来的节能方案，辅助低复杂度迭代算法，最大化通信节点间网络性能。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种无线传感网络能量采集节点协作传输的联合功率分配和中继选择方法，包括：步骤1：系统场景分析，问题归结；步骤1.1：建立信道模型；场景中有一个能量采集源节点A，N个能量采集的协作节点Ci,i＝1,2,...,N和一个目标通信节点B，能量采集源节点A和目标通信节点B之间没有直达路径，协作节点Ci选用放大转发工作方式，一个传输过程T包含K个数据块，每个数据块的传输都包含两个时隙，联合考虑该场景下的N个能量采集的协作节点的选择问题以及这N个协作节点和源节点A的功率指派问题；假设用于能量采集的电池容量有限，设定能量采集源节点A的电池容量为BA,max，能量采集协作节点Ci,i＝1,2,...,N的电池容量为除了用于传输消耗的能量忽略不计，规定在每个数据块k,k＝1,2,...,K的传输过程中，从协作节点集合N中唯一选择最佳的协作节点参与协作这次传输，记这个参与协作的节点为Cζ,ζ＝1,2,...,N，第一时隙源节点A广播发送数据给所有协作节点Ci,i＝1,2,...,N，第二时隙，选择最佳的协作节点Cζ,ζ＝1,2,...,N协作转发第一时隙源节点A广播的数据给目标通信节点B；定义端到端等效信噪比如下： SNR e q , ζ , k = P A , k γ AC ζ , k P C ζ , k γ 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无线传感网络能量采集节点协作传输的联合功率分配和中继选择方法，其特征在于，包括：步骤1：系统场景分析，问题归结；步骤1.1：建立信道模型；场景中有一个能量采集源节点A，N个能量采集的协作节点Ci,i＝1,2,...,N和一个目标通信节点B，能量采集源节点A和目标通信节点B之间没有直达路径，协作节点Ci选用放大转发工作方式，一个传输过程T包含K个数据块，每个数据块的传输都包含两个时隙，联合考虑该场景下的N个能量采集的协作节点的选择问题以及这N个协作节点和源节点A的功率指派问题；假设用于能量采集的电池容量有限，设定能量采集源节点A的电池容量为BA,max，能量采集协作节点Ci,i＝1,2,...,N的电池容量为除了用于传输消耗的能量忽略不计，规定在每个数据块k,k＝1,2,...,K的传输过程中，从协作节点集合N中唯一选择最佳的协作节点参与协作这次传输，记这个参与协作的节点为Cζ,ζ＝1,2,...,N，第一时隙源节点A广播发送数据给所有协作节点Ci,i＝1,2,...,N，第二时隙，选择最佳的协作节点Cζ,ζ＝1,2,...,N协作转发第一时隙源节点A广播的数据给目标通信节点B；定义端到端等效信噪比如下：SNReq,ζ,k=PA,kγACζ,kPCζ,kγCζB,kPA,kγACζ,k+PCζ,kγCζB,k+1]]>其中：SNReq,ζ,k表示传输第k个数据块同时选中第ζ个协作节点协作转发时的等效端到端信噪比，PA,k和分别表示第k个数据块传输时第一时隙源节点A的发射功率和第二时隙第ζ个协作节点协作转发数据的发射功率，相应的，和分别表示传输第k个数据块同时选中第ζ个中继协作转发时第一时隙中继Cζ和第二时隙目标通信节点B的接收信噪比，从而系统吞吐量表示为：12log2(1+SNReq,ζ,k);]]>步骤1.2：建立能量采集模型；定义BM,k为各种能量采集终端在准备传输第k个数据块时的储存能量，其中M∈{A,C1,C2,...,CN}k∈{1,2,...,K}，在第k个数据块的传输期间，能量采集终端M的发射功率应该满足0≤PM,k≤BM,k，能量限制条件是：BM,k+1=min{(BM,k-PM,k+HM,k),BM,max},∀k∈{1,2,...,K};]]>其中，BM,k+1表示能量采集终端M在准备传输第k+1个数据块时的存储能量，PM,k表示能量采集终端M的发送第k个数据块消耗的能量，HM,k表示能量采集终端M在第k个传输期间能量采集终端M采集到的能量，HM,k也要满足HM,k≤BM.max，定义能量采集终端的平均采集能量E{·}表示期望，设定初值BN,1＝HN,0≥0；步骤2：最优化问题的数学模型建立；在上述假设前提和约束条件下，归结出最优化问题如下：P1:maxτ≥0,w1,1,,...wN,KΣk=1K12log2(1+SNReq,k)s.t.Σk=1l(PA,k+λA,k)≤Σk=0l-1HA,k,∀lΣk=1l(wn,kPCn,k+λCn,k)≤Σk=0l-1HCn,k,∀l,∀nΣk=0mHA,k-Σk=0m(PA,k+λA,k)≤BA,max,∀mΣk=0mHCn,k-Σk=1m(wn,kPCn,k+λCn,k)≤BCn,max,∀m,∀nΣn=1Nwn,k=1,∀kwn,k∈{0,1},∀k,∀n]]>其中：表示考虑功率分配和中继选择的第k个传输块的等效信噪比，τ=Δ{PA,k,PC1,k,...,PCN,k,λA,k,λC1,k,...,λCN,k|k∈{1,2,...,K}}]]>表示拉格朗日松弛变量；步骤3：最优化问题求解；所述优化问题P1的求解可以采用拉格朗日因子方法：L(PA,k,PCn,k,wn,k,λA,k,λCn,k,βA,k,0,βCn,k,0,βA,k,1,βCn,k,1,βk)=Σk=1K12log2(1+SNReq,k)-βA,k,0(Σk=1l(PA,k+&lamb...
【技术特征摘要】
1.一种无线传感网络能量采集节点协作传输的联合功率分配和中继选择方法，其特征在于，包括：步骤1：系统场景分析，问题归结；步骤1.1：建立信道模型；场景中有一个能量采集源节点A，N个能量采集的协作节点Ci,i＝1,2,...,N和一个目标通信节点B，能量采集源节点A和目标通信节点B之间没有直达路径，协作节点Ci选用放大转发工作方式，一个传输过程T包含K个数据块，每个数据块的传输都包含两个时隙，联合考虑该场景下的N个能量采集的协作节点的选择问题以及这N个协作节点和源节点A的功率指派问题；假设用于能量采集的电池容量有限，设定能量采集源节点A的电池容量为BA,max，能量采集协作节点Ci,i＝1,2,...,N的电池容量为除了用于传输消耗的能量忽略不计，规定在每个数据块k,k＝1,2,...,K的传输过程中，从协作节点集合N中唯一选择最佳的协作节点参与协作这次传输，记这个参与协作的节点为Cζ,ζ＝1,2,...,N，第一时隙源节点A广播发送数据给所有协作节点Ci,i＝1,2,...,N，第二时隙，选择最佳的协作节点Cζ,ζ＝1,2,...,N协作转发第一时隙源节点A广播的数据给目标通信节点B；定义端到端等效信噪比如下： SNR e q , ζ , k = P A , k γ AC ζ , k P C ζ , k γ C ζ ...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁广俊，
申请(专利权)人：梁广俊，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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