【技术实现步骤摘要】
中继辅助的水下传感器网络模式选择与资源分配方法
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[0001]本专利技术涉及水下传感器网络中继资源分配
，具体的说一种能够通过平衡节点间能量消耗来确定合适的中继集合，进而提高系统通信性能的中继辅助的水下传感器网络模式选择与资源分配方法。
技术介绍
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[0002]人们对探索海洋环境非常感兴趣并且从未停止过探索的脚步，包括温度、洋流、目标探测等工作。为了收集这些数据，需要在一些海洋区域部署大量传感器来感测必要的信息，这也带来了一个关键的挑战，即如何高效地将每个传感器收集的信息传输到地面控制中心。因此，水声传感器网络越来越受到人们的重视，一些相关技术也得到了很好的研究，主要涉及多址控制协议、资源优化和网络架构设计。虽然现有的关于海洋网络的工作已经取得了很大的成就，但不得不提到的是，网络寿命一直是制约网络发展的一个关键因素。一般来说，一个具有特定功能的网络由几十到几百个传感器节点组成，所有的传感器节点需要共同工作，以确保收集的信息的完整性。只要有节点因为能量耗尽而不工作，网络就会被视为无效。然而，由于成本高，对无效的传感器节点...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种中继辅助的水下传感器网络模式选择与资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立中继辅助的水下传感网络模型，系统由汇聚节点SN和水下传感器节点USN组成，其中，USN随机地部署在海里以感知必要的信息，而SN通常部署在海面上，用来收集所有水下传感节点感知的信息，为了避免干扰，采用时分多址(TDMA)的方式将整个收集周期均匀地划分为多个时隙，在每个时隙中，USN利用声信号向SN发送相应的信息，当采用直接传输，远离SN的用户节点会比靠近SN的用户节点消耗更多的能量，导致节点能量不平衡和网络寿命降低，因此本系统考虑通过放大和转发协议的中继传输模式，即用户网络不仅可以传输自己的信息，还充当中继来帮助其他用户网络，在中继传输模式下，USN只需要将信号传输到较近的中继节点而不是远处的SN，然后中继节点将放大的信号转发给SN，其中定义作为USN的集合，其中M是USN的总数，总的收集周期假设为T，每个时隙的长度相应地为ΔT＝T/M，网络采用的带宽表示为B，中心载波频率为f；水声信号的衰减主要取决于中心载波频率和传感器节点之间的通信距离，采用Urick模型来模拟水声信号衰减，则衰减表示为：其中d是传感器节点之间的通信距离。λ是一个常数并且取值范围在1和2之间，为方便起见，λ通常等于1.5，α(f)表示吸收系数，它是关于载波频率的函数，通过应用Thorp经验公式，吸收系数α(f)给出如下：根据Thorp经验公式，水下声通信的噪声受湍流N1(f)、海浪N2(f)、风N3(f)和热噪声N4(f)的影响(单位为分贝/帕/赫兹)，总噪声N(f)是这些元素的总和:N(f)＝N1(f)+N2(f)+N3(f)+N4(f)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)具体地，每个分量的计算公式如下所示：10logN1(f)＝17
‑
30logf
ꢀꢀꢀ
(4)10logN2(f)＝40+20(s
‑
0.5)+26logf
‑
60log(f+0.03)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)10logN4(f)＝
‑
15+20logf
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，s代表运输活动系数，该系数介于0和1之间，w代表风速，单位为米/秒；为了方便进一步分析声信号传输过程和能量消耗，下面给出声电信号单位转换公式，在直接传输模式下，SN将直接接收来自第m个USN的信号，其形式为：其中并且表示SN与第m个USN的距离。p
m
表示第m个USN的发射功率，
为SN要重构的信号，表示信号噪声，然后，SN接收的总数据量可以表示为：其中h
m
＝H
m
/(BN(f))，表示实际的传输时间；在中继传输模式下，传输过程分为两个阶段，在第一阶段，第m个USN向中继节点而不是SN发送其信号。如果选择第n个USN作为中继，则它从第m个USN接收相应的信号为：其中G
m,n
＝1/A(d
m,n
,f)并且d
m,n
表示第n个USN与第m个USN的距离。表示信号噪声，第m个USN接收的总数据量可以表示为：其中g
m,n
＝G
m,n
/(BN(f))，第二阶段，第n个USN将接收到的信号放大后转发给SN，然后，SN从第n个USN接收到相应的信号，然后，SN接收的总数据量可以计算为其中T
m,n
和q
m,n
分别表示第n个USN用来辅助第m个USN的实际传输时间和传输功率。由于传输过程分为两个阶段，SN接收到的最终数据量取决于两条链路的最小值，也就是步骤2：根据步骤1中建立的系统模型可知USN有两种模式可供选择:中继传输模式和直接传输模式，定义了一个二进制变量a
m,n
∈{0,1}来表示中继选择和模式选择，a
m,n
＝1表示第n个USN作为第m个USN的中继，如果不是，a
m,n
＝1。对于特殊情况m＝n，a
m,m
＝1表示第m个USN选择直接传输模式，那么，第k个收集周期中第m个USN的剩余能量可以表示为：右边第二项表示第m个USN传输自身信息所需的能耗，第三项是指担任中继而导致的能耗，由于传播延迟长，实际传输时间取决于通信距离，对于直接传输模式，第m个USN的实际传输时间可以计算为其中v表示声速。对于中继传输模式并且假设第n个USN作为中继，第m个USN的实际传输时间可以表示为
通常，一旦第一个USN耗尽能量，网络就会被视为失效，因此，网络生命周期被定义为网络失效之前的数据收集轮数，在每一轮数据收集中，我们的目标是最大化用户网络的最小剩余能量，从而进一步提高网络寿命，主要优化变量包括中继选择和模式选择变量传输时间变量与功率分配变量和最终的优化问题表示如下：s.t.C1:C2:C3:C4:C5:C6:C7:C8:C9:C10:在这个优化问题中，C1表示每个USN必须在中继传输模式和直接传输模式之间进行选择，另外，如果选择中继传输模式，只能选择一个中继节点，C2表示一个USN只有在自己的数据采用直接传输时，才可以担任另一个USN的中继，原因是，如果USN可以充当中继，它的剩余能量必须足够，至少可以确保它自己的数据在没有任何中继帮助的情况下直接传输，C3和C4表示无论是中继传输模式还是直接传输模式，所有的用户网络都可以成功地传输它们感测到的数据量，C5和C6表示实际传输时间受限于给定的时隙长度，C7和C8确保每个USN的传输功率小于最大传输功率，C9保证实际传输时间是非负的，C10表示a
m,n
是二进制变量；步骤3：确定优化的资源分配策略：在步骤2已经给出模式和中继选择的前提下，对于直接模式，最优资源分配策略是容易获得的，对于中继模式，优化问题(18)被重新表述为非凸问题，应用拉格朗日对偶分解方法来获得最优解，具体为：假设已经给出了模式选择和中继选择结果，将该组用户网络分为三个子集，即采用直接传输模式的USN、中继传输模式的USN和充当中继的USN，具体来说，我们令表示充当中继的USN的集合，其中s是中继的数量，因此，由中继r
i
协助的USN组成的集合被表示为将直接传输模式的用户网络集合表示为分析所有用户网
络的能耗，并找到最优的资源分配策略：对于直接传输模式的USN，USN之间不会因为时分多址帧的应用而产生干扰。然后，优化问题(18)可以根据每个分成许多子问题。然后，子问题可以表示为分成许多子问题。然后，子问题可以表示为分成许多子问题。然后，子问题可以表示为根据公式(10)，约束(19.C1)可以等价于另外，注意在第k轮数据采集开始之前，USN的剩余能量是已知的。因此，优化问题(19)可以转化为以下形式。转化为以下形式。对于的导数，它总是负的，量消耗函数随着传...
【专利技术属性】
技术研发人员：马若飞，王瑞松，刘功亮，康文静，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：
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