一种协作无线传感网增强网络生命周期的节点选择方法

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。

主权项

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：$P_{\mathrm{out}}\left(\overrightarrow{e}\right[m\left]\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\Pi }}{P}_{\mathrm{out}}\left(e_k\right[m\left]\right)$$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}\left(e_k\right[m\left]\right)=P_r(P_s{\left|h_{\mathrm{sd}}\right|}^2+\frac{P_s{e}_k\left[m\right]{\left|h_{\mathrm{sk}}{h}_{\mathrm{kd}}\right|}^2}{1+P_s{\left|h_{\mathrm{sk}}\right|}^2+e_k\left[m\right]{\left|h_{\mathrm{kd}}\right|}^2}<\gamma )\\ =1-\left[e^{-(\frac{\gamma }{P_s{\sigma }_{\mathrm{sk}}^2}+\frac{\gamma }{e_k\left[m\right]{\sigma }_{\mathrm{kd}}^2})}\sqrt{\frac{4\gamma (\gamma +1)}{P_s{e}_k\left[m\right]{\sigma }_{\mathrm{sk}}^2{\sigma }_{\mathrm{kd}}^2}}{K}_1\left(\sqrt{\frac{4\gamma (\gamma +1)}{P_s{e}_k\left[m\right]{\sigma }_{\mathrm{sk}}^2{\sigma }_{\mathrm{kd}}^2}}\right)\right]\end{array}$其中，γ是目的节点的接收信噪比的阈值，若目的节点的接收信噪比大于阈值γ，则认为目的节点正确接收了信息；e_k[m]为第k个中继节点在第m时隙时的初始能量；P_r(·)表示求取括号内容的概率；P_s为信源节点S的发射功率；h_sd表示信源节点到目的节点的信道增益，满足均值为0、方差为的循环对称复高斯分布；h_sk表示信源节点到中继节点的信道增益，满足均值为0、方差为的循环对称复高斯分布；h_kd表示中继节点到目的节点的信道增益，满足均值为0、方差为的循环对称复高斯分布；K₁(·)表示一阶的第二类贝塞尔函数；若则进入步骤(3)；否则，记录lifetime并结束；(3)协作中继系统随机生成新的h_sd、h_sk和h_kd；(4)判断中继节点是否属于集合R_E，即判断中继节点是否满足如下条件：①目的节点的接受信噪比需要大于阈值γ，因此第k个中继节点在第m时隙满足该条件下所需要的最小传输功率P_k‑min[m]为：$P_{k-\min }\left[m\right]=\min \left\{P_k\right[m]:P_s{\left|h_{\mathrm{sd}}\right|}^2+\frac{{P_s{P}_k\left[m\right]\left|h_{\mathrm{sk}}{h}_{\mathrm{kd}}\right|}^2}{1+P_s{\left|h_{\mathrm{sk}}\right|}^2+P_k\left[m\right]{\left|h_{\mathrm{kd}}\right|}^2}\ge \gamma \}$其中，P_k[m]表示第k个中继节点在第m时隙的传输功率；设定信息在每个时隙传输的时间为一个单位时间，则中继节点传输的耗能在数值上等于传输的功率，基于此要求第k个中继节点满足P_k‑min[m]≤P_k‑max和P_k‑min[m]≤e_k[m]这两个条件，即要求在第m时隙时，第k个中继节点的最小传输功率P_k‑min[m]小于其最大传输功率P_k‑max，第k个中继节点的最小消耗能量P_k‑min[m]小于其在第m时隙的初始能量e_k[m]；②在第m时隙时，第k个中继节点的接收信噪比大于γ，保证中继转发的信息不会过于失真，即R_t＝{k:P_s|h_sk|²≥γ}；基于上述条件，R_E＝R_t∩{k:P_k‑min[m]≤e_k[m]}∩{k:P_k‑min[m]≤P_max}；若R_E为空集，则保持当前的中继状态不变，返回步骤(3)；否则，进入步骤(5)；(5)采用MEI方案或OLS方案从R_E中选择一个中继节点作为协助传输节点；①MEI方案为：对于R_E中的每一个中继节点，计算下式：$k_{\mathrm{MEI}}^{*}=\arg \underset{k\in R_E}{\max }\frac{e_k\left[m\right]}{w_k\left[m\right]}$选取值最小的中继节点作为协助传输节点；②OLS方案为：对于R_E中的每一个中继节点，计算下式：$\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{OLS}}^{*}=\arg \underset{k\in R_E}{\min }{P}_{\mathrm{out}}\left(\overrightarrow{e}\right[m]-w_k[m\left]1_k\right)\\ =\arg \underset{k\in R_E}{\min }\frac{P_{\mathrm{out}}\left(\overrightarrow{e}\right[m]-w_k[m\left]1_k\right)}{P_{\mathrm{out}}\left(\overrightarrow{e}\right[m\left]\right)}\\ =\arg \underset{k\in R_E}{\min }\frac{P_{\mathrm{out}}\left(e_k\right[m]-w_k[m\left]\right)}{P_{\mathrm{out}}\left(e_k\right[m\left]\right)}\end{array}$其中1_k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)。