本发明专利技术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，本发明专利技术技术方案提高了协作通信网络的生命时长。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉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。
技术介绍
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。这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。按照参与协作通信的中继节点数目，中继选择方案可以分为两类：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。以满足目的节点的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。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。但是MTP方案和MRE方案存在如下缺陷：1、以存在特定数量(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这些问题。缩略语和关键术语定义WSN wireless sensor networks 无线传感网CSI channel state information 信道状态信息REI residual energy information 剩余能量信息QOS quality of service 服务质量AF amplify and forward 放大转发MTP minimum transmission energy 最小传输能量MRE maximum residual energy 最大剩余能量MRI maximum energy-efficiency index 最大能效指数OLS optimal lifetime strategy 最优网络寿命
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术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以作为潜在的中继传输消息，以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。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：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：(1)初始化中继个数N，N个中继节点的初始能量为设置计时步长lifetime＝0；(2)判断系统中断概率是否小于设定阈值η，η是协作中继系统最大可容忍中断概率值：Pout(e→[m])=Πk=1NPout(ek[m])]]>Pout(ek[m])=Pr(Ps|hsd|2+Psek[m]|hskhkd|21+Ps|hsk|2+ek[m]|hkd|2<γ)=1-[e-(γPsσsk2+γek[m]σkd2)4γPsek[m]σsk2σkd2K1(4γ(γ+1)Psek[m]σsk2σkd2)]]]>其中，γ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γ，则认为目的节点正确接收了信息；ek[m]为第k个中继节点在第m时隙时的初始能量；Pr(·)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；K1(·)表示一阶的第二类贝塞尔函数；由上式可以看出，系统中断概率仅仅和中继节点的剩余能量有关；若则进入步骤(3)；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γ，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Pk-min[m]为：Pk-min[m]=min{Pk[m]:Ps|hsd|2+PsPk[m]|hskhkd|21+Ps|hsk|2+Pk[m]|hkd|2≥γ本文档来自技高网...
【技术保护点】
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设置计时步长lifetime＝0；(2)判断系统中断概率是否小于设定阈值η，η是协作中继系统最大可容忍中断概率值：Pout(e→[m])=Πk=1NPout(ek[m])]]>Pout(ek[m])=Pr(Ps|hsd|2+Psek[m]|hskhkd|21+Ps|hsk|2+ek[m]|hkd|2<γ)=1-[e-(γPsσsk2+γek[m]σkd2)4γ(γ+1)Psek[m]σsk2σkd2K1(4γ(γ+1)Psek[m]σsk2σkd2)]]]>其中，γ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γ，则认为目的节点正确接收了信息；ek[m]为第k个中继节点在第m时隙时的初始能量；Pr(·)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；K1(·)表示一阶的第二类贝塞尔函数；若则进入步骤(3)；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γ，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Pk‑min[m]为：Pk-min[m]=min{Pk[m]:Ps|hsd|2+PsPk[m]|hskhkd|21+Ps|hsk|2+Pk[m]|hkd|2≥γ}]]>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]≤Pk‑max和Pk‑min[m]≤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‑max，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γ，保证中继转发的信息不会过于失真，即Rt＝{k:Ps|hsk|2≥γ}；基于上述条件，RE＝Rt∩{k:Pk‑min[m]≤ek[m]}∩{k:Pk‑min[m]≤Pmax}；若RE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：kMEI*=argmaxk∈REek[m]wk[m]]]>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：kOLS*=argmink∈REPout(e→[m]-wk[m]1k)=argmink∈REPout(e→[m]-wk[m]1k)Pout(e→[m])=argmink∈REPout(ek[m]-wk[m])Pout(ek[m])]]>其中1k为N×1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)。...
【技术特征摘要】
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设置计时步长lifetime＝0；
(2)判断系统中断概率是否小于设定阈值η，η是协作中继系统最大可
容忍中断概率值：
Pout(e→[m])=Πk=1NPout(ek[m])]]>Pout(ek[m])=Pr(Ps|hsd|2+Psek[m]|hskhkd|21+Ps|hsk|2+ek[m]|hkd|2<γ)=1-[e-(γPsσsk2+γek[m]σkd2)4γ(γ+1)Psek[m]σsk2σkd2K1(4γ(γ+1)Psek[m]σsk2σkd2)]]]>其中，γ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γ，
则认为目的节点正确接收了信息；ek[m]为...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐平平，刘琨，武贵路，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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