CN101577956A - 协作中继节点选择方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种协作中继节点选择方法，包括：源节点广播RTS消息，RTS消息包括源节点当前能量和目的节点的地址；接收到RTS消息的潜在中继节点根据源节点当前能量和信道状态计算自身参与协作后的剩余能量和源节点的剩余能量，并判断自身剩余能量是否不低于源节点的剩余能量，是则参与协作竞争；目的节点接收到潜在中继节点发送的竞争信息，选择使源节点的剩余能量最大的潜在中继节点作为中继节点，并广播CTS消息通知中继节点参与传输。本发明考虑整网为执行整个应用的能量消耗，利用协作传输技术最大化每一次传输中所有参与传输的节点的剩余能量，使网络中所有节点的剩余能量得到平衡，从而最大化整个网络生命周期。

Description

协作中继节点选择方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种协作中继节点的选择方法及选择系统。

背景技术

低功耗无线电通信技术、嵌入式计算技术和微型传感器等技术的飞速发展和日益成熟，使得大量的、低成本的微型传感器通过无线链路自组织成无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)成为现实。与传统的有线传感器网络(例如办公楼里的消防传感器网络等)相比，无线传感器具有放置灵活、扩展简便、可以有移动节点和自组织网络等特点。特别是在人无法或避免进入的环境中，无线传感器可以通过直升机或火箭抛撒到要监测的区域，传感器自行组织成无线网络，感知其所在环境的信息并传给网络中心，完成监测任务。

WSN是自组织(Self-Organizing)网络，它一般由上千个传感器节点(Sensor node)和一个或多个中心节点(Data sink)构成，没有底层的通信基础设施。传感器节点体积通常都非常小，且只具有有限的计算能力、有限的存储能力、有限的无线通信能力和有限的电源供应(例如电池供电等)。很显然，对成千上万个传感器节点进行充电或更换电池是不现实的，更何况有的环境人不便进入(如战场)，因此提高网络能量效率、平衡网络能量消耗，延长网络运行寿命、防止网络分立，是WSN研究的核心课题。

能量效率的策略体现在WSN设计的各个层面，如传感器节点的硬件设计、MAC协议、路由协议和数据融合处理等等。在WSN中，中心节点不像传感器节点那样功能有限和能量受制，它可以进行复杂的计算，具有大容量的存储器和大的无线电发射功率，电源供应不受限制。因此，对于能量受限的传感器网络，最小化能量消耗，最大程度延长网络的生命周期成为传感器网络研究的最重要课题。

发明内容

本发明的目的是提出一种协作中继节点选择方法及系统，能够利用协作传输技术使网络中所有节点的剩余能量得到平衡，尽量延长每一个节点的生存时间，从而最大化整个网络生命周期。

为实现上述目的，本发明提供了一种协作中继节点选择方法，包括：

源节点广播发送请求(Request-To-Send，简称RTS)消息，所述RTS消息包括源节点当前能量和目的节点的地址；

接收到所述RTS消息的潜在中继节点根据所述源节点当前能量和信道状态计算自身参与协作后的剩余能量和源节点的剩余能量，并判断自身剩余能量是否不低于所述源节点的剩余能量，如果不低于，则参与协作竞争；

目的节点接收到所述潜在中继节点发送的竞争信息，选择使所述源节点的剩余能量最大的潜在中继节点作为中继节点，并广播允许发送(Clear-To-Send，简称CTS)消息通知所述中继节点参与传输。

在上述技术方案中，如果目的节点接收到的多个参与协作竞争的潜在中继节点使得所述源节点的剩余能量最大且相同，则判断所述多个潜在中继节点进行多点协作时，所述多个潜在中继节点中最小的剩余能量是否大于所述多个潜在中继节点单独参与协作时的剩余能量，是则将所述参与协作竞争的潜在中继节点均作为多点协作的中继节点，并广播CTS消息通知所述多点协作的中继节点参与传输。

进一步的，所述参与协作竞争的操作具体为：

所述潜在中继节点根据自身剩余能量计算竞争发送时间，并在竞争周期中竞争发送时间到来时，发送竞争信息给目的节点，所述竞争信息包括所述源节点的剩余能量和所述潜在中继节点的当前能量。

进一步的，所述潜在中继节点根据所述源节点当前能量和信道状态计算自身参与协作后的剩余能量和源节点的剩余能量的操作具体为：

所述潜在中继节点根据所述信道状态计算参与传输所需要的能量，通过所述源节点的当前能量减去传输到所述潜在中继节点所需的能量，获得所述源节点的剩余能量，通过所述潜在中继节点的当前能量减去传输到所述目的节点所需的能量，获得所述潜在中继节点自身参与协作后的剩余能量。

进一步的，在所述目的节点广播CTS消息进行通知时，还包括通知所述源节点所需采用的发射功率。

进一步的，如果没有潜在中继节点参与协作竞争，则所述目的节点通知所述源节点直接传输数据。

为实现上述目的，本发明提供了一种协作中继节点选择系统，包括：

源节点，用于广播RTS消息，所述RTS消息包括源节点当前能量和目的节点的地址；

潜在中继节点，用于接收所述RTS消息，并根据所述源节点当前能量和信道状态计算自身参与协作后的剩余能量和源节点的剩余能量，并判断自身剩余能量是否不低于所述源节点的剩余能量，如果不低于，则参与协作竞争；

目标节点，用于在接收到所述潜在中继节点发送的竞争信息时，选择使所述源节点的剩余能量最大的潜在中继节点作为中继节点，并广播CTS消息通知所述中继节点参与传输。

在上述技术方案中，所述目的节点还包括：

多点协作判断模块，用于当接收到的多个参与协作竞争的潜在中继节点使得所述源节点的剩余能量最大且相同，则判断所述多个潜在中继节点进行多点协作时，所述多个潜在中继节点中最小的剩余能量是否大于所述多个潜在中继节点单独参与协作时的剩余能量，是则将所述参与协作竞争的潜在中继节点均作为多点协作的中继节点，并广播CTS消息通知所述多点协作的中继节点参与传输。

基于上述技术方案，本发明不考虑源节点到目的节点一次传输中一跳或多跳能耗最小化问题，而是考虑整网为执行整个应用的能量消耗，利用协作传输技术，来最大化每一次传输中所有参与传输的节点(包括源节点)的剩余能量，使网络中所有节点的剩余能量得到平衡，尽量延长每一个节点的生存时间，从而最大化整个网络生命周期。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明协作中继节点选择方法实施例所应用的网络传输系统的结构示意图。

图2为采用本发明协作中继节点选择的协作传输方法与直接传输和最小能量传输对比，节点的生命周期和节点存活数目关系的示意图。

图3为本发明协作中继节点选择方法的一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

协作中继也被称作为协作分集，其原理来自于“虚拟天线阵列”思想。协作中继就是单路径中继的一个扩展，在源节点和目的节点之间可以引入一个或者多个具有共同覆盖区域的节点充当中继节点，目的节点可以合并来自源节点和来自中继节点的数据。协作中继可以提高无线链路的传输速率及传输可靠性，同时可以实现整个无线网状网的频谱效率提升和广域覆盖。对于能量受限的无线网络，可以考虑作在同样系统容量要求下，协作中继技术降低所需传输能量

由于无线传感器网络具有高密度特点，每个节点周围都有一定数量的邻居节点，可以利用这一特点让单个或多个节点(多点协作式MIMO技术)充当中继，进行可靠通信并有效节省能量。

本发明不考虑源节点到目的节点一次传输中一跳或多跳能耗最小化问题，而是考虑整网为执行整个应用的能量消耗，利用中继协作传输技术，来最大化每一次传输中所有参与传输的节点(包括源节点)的剩余能量，使网络中所有节点的剩余能量得到平衡，尽量延长每一个节点的生存时间，从而最大化整个网络生命周期。

如图1所示，本发明协作中继节点选择方法实施例所应用的网络传输系统的结构示意图。本实施例假设假定网络有M个节点均匀分布在半径为D_r的圆心区域，圆心到目的节点的距离为D，任意选择一个节点作为源节点向目标节点进行数据传输，其它节点可以作为中继节点帮助源节点进行传输，一个源节点死亡后，任意选择另外一个节点作为源节点继续进行传输，直到最后一个节点死亡，系统生命周期结束。另外，假定源节点有能力直接传输数据到目的节点，且不考虑目的节点的能量消耗，并且设定目的节点可以配备多个天线进行接收和发送。系统的传输速率为R，带宽为W Hz。源节点到协作节点的传输时间为μ，协作中继节点到目的节点的传输时间为1-μ。在时间μ内，源节点以平均发射功率P₁向邻居节点广播数据，则源节点设备发送总共消耗的能量为

E_1，total＝μ((1+α)P₁+P_ct)                (1)

这里，P_ct为发射电路的能量消耗，可以包括电路域的能量消耗和射频部分的能量消耗，α是放映射频功率放大器效率的参数。源节点剩余能量为

E_s，re＝E_s-μ((1+α)P₁+P_ct)                (2)

这里，E_s为源节点现在的能量。

假定有N个节点参与协作传输，假定系统要求的错误率为P_out，则，

$P_{\mathrm{out}}=\mathrm{Pr}((1-\mathrm{\&mu;})W\log (1+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{P_i{G}_i}{N_0})<R)---\left(3\right)$

这里，P_i为协作中继节点i的发射功率，G_i是协作中继节点i到目的节点的信道增益因子。N₀是接收端的高斯白噪声。具体为

$P_i={(\mathrm{\&beta;}-\frac{1}{{\left|h_i\right|}^2})}^{+}---\left(\text{4}\right)$

这里，β是为了满足 $\underset{i\&Element;N}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_i=P_2,$ P₂是第二跳协作节点发射的总功率，h_i为信道i特征值。

协作中继节点i消耗的能量为

E_i，t＝(1-μ)((1+α)P_i+P_ct)+μP_cr            (5)

这里，P_cr是接收电路的能量消耗。节点i的剩余能量为：

E_i，re＝E_i-(1-μ)((1+α)P_i+P_ct)-μP_cr        (6)

这里，E_i为节点i现在的能量。

如图3所示，为本发明协作中继节点选择方法的一实施例的流程示意图。当源节点有数据发送时，执行以下的协作中继节点选择步骤：

步骤101、广播RTS消息，RTS消息包括源节点当前能量和目的节点的地址；

步骤102、所述RTS消息的潜在中继节点根据所述源节点当前能量和信道状态计算自身参与协作后的剩余能量和源节点的剩余能量；

步骤103、潜在中继节点判断自身剩余能量是否不低于所述源节点的剩余能量，是则执行步骤104参与协作竞争，否则不参与协作竞争；

步骤104、潜在中继节点根据自身剩余能量计算竞争发送时间，并在竞争周期中竞争发送时间到来时，发送竞争信息给目的节点，竞争信息包括所述源节点的剩余能量和所述潜在中继节点的当前能量。

步骤105、目的节点接收到所述潜在中继节点发送的竞争信息，选择使所述源节点的剩余能量最大的潜在中继节点作为中继节点；

步骤106、目的节点广播CTS消息通知所述中继节点参与传输。

在步骤101中，源节点所广播的RTS信息网络中所有的节点设备都应该设置为能够监听RTS信息。所谓潜在中继节点在本实施例中是指能够接收到源节点广播的RTS信息，并可能成为中继节点的节点。

在步骤102中，潜在中继节点可以根据信道状态计算参与传输所需要的能量，通过源节点的当前能量减去传输到潜在中继节点所需的能量，获得所述源节点的剩余能量，并通过潜在中继节点的当前能量减去传输到目的节点所需的能量，获得所述潜在中继节点自身参与协作后的剩余能量。

在步骤105中，当目的节点收到所有潜在中继节点发送的消息，估计自己和中继之间的信道状态，并重新计算每一个参与协作竞争的中继节点转发数据需要的能量，得到中继的剩余能量。目的节点在所有的潜在中继中选择参与这次传输的中继节点，中继节点的选择标准是使所述源节点的剩余能量最大的潜在中继节点。目的节点在选择中继节点之后，广播CTS消息，CTS消息中会通知那个节点参与这次数据传输，并且还可以通知源节点此次需要的发射功率。整个的交流过程如下图。

如果没有中继节点参与竞争，源节点则直接传输数据到目的节点，这时μ＝1，P_s，d是源节点传输数据到目的节点消耗的功率。如果中继节点收到目的节点的通知，需要参与协作传输，但是该中继节点没有正确译码源节点发送的数据，则该中继节点不参与协作传输。

下面通过具体实例来对本发明协作中继节点选择方法实施例进行说明，在这个具体实例中，为了方便说明中继节点的选择，这里并未结合前面提到的公式计算源节点和潜在中继节点的剩余能量，而是简单得假定源节点的能量为10，如果直接传输，源节点的剩余能量为8。潜在协作节点将自身的剩余能量和源节点剩余能量进行比较，如果协作节点的剩余能量比源节点的高，则协作节点参与协作竞争。

下面给出协作节点选择的几种情况的说明：

1、单个中继节点选择情况：当多个潜在中继节点参与协作竞争，则首先选择使源节点剩余能量最大的中继节点。

例如：有3个潜在协作中继节点，节点1的能量为12，节点2的能量为10，节点3的能量为9。

节点1参与协作后：源节点剩余能量为9，节点1剩余能量为11；

节点2参与协作后：源节点剩余能量为9.5，节点2剩余能量为9.5；

节点3参与协作后：源节点剩余能量为9，节点3剩余能量为8；

这时候，由于节点3判断自身的剩余能量小于源节点剩余能量，则不参与协作竞争，而节点1，2符合自身的剩余能量不小于源节点剩余能量的条件，因此均参与协作竞争。然后由目的节点比较节点1和节点2参与协作后源节点的剩余能量，由于节点2参与协作后，源节点剩余能量更高，因此目标节点选择节点2进行协作传输。

2、多个中继节点选择情况：当多个中继节点参与协作竞争，如果目的节点接收到的多个参与协作竞争的潜在中继节点使得所述源节点的剩余能量最大且相同，则判断多个潜在中继节点进行多点协作时，多个潜在中继节点中最小的剩余能量是否大于多个潜在中继节点单独参与协作时的剩余能量，是则将参与协作竞争的潜在中继节点均作为多点协作的中继节点，并广播CTS消息通知多点协作的中继节点参与传输

多点协作的判断标准是：多个中继协作传输时，中继节点中最小的剩余能量比单个中继协作传输时，每一个中继节点的剩余能量都大。即 $\underset{i\&Element;N}{\max }\left\{E_{i,\mathrm{re}}^{\mathrm{one}}\right\}<\underset{i\&Element;N}{\min }\left(E_{i,\mathrm{re}}^{\mathrm{many}}\right),$ 这里E_i，re ^one是单个中继传输时中继节点i的剩余能量，E_i，re ^many为多个中继协作传输时中继节点i的剩余能量。

例如：有3个潜在协作中继节点，节点1的能量为12，节点2的能量为12，节点3的能量是11。

节点1单独参与协作后：源节点剩余能量为9.5，节点1剩余能量为11；

节点2单独参与协作后：源节点剩余能量为9.5，节点2剩余能量为10.5；

节点3参与协作后：源节点剩余能量为9，节点3剩余能量为10.5。

由于节点1和2单独参与协作，源节点的剩余能量都为最大，而且相同，则需要考虑节点1和2一起参与协作传输。

当节点1和2一起参与协作传输，源节点剩余能量仍然为9.5，节点1剩余能量为11.5，节点2剩余能量为11.2。

由于节点1、2一起协作传输，协作节点中最小的剩余能量(11.2)比单独协作中任何一个中继节点的剩余能量(11和10.5)都大，因此目的节点选择节点1和2一起参与协作传输。

下面再通过仿真来说明本发明与现有技术比较的优势，如图2所示，为采用本发明协作中继节点选择的协作传输方法与直接传输和最小能量传输对比，节点的生命周期和节点存活数目关系的示意图。

图2观察了圆心区域中心到目标节点距离D等于100m情况的节点存活比率。对本发明的协作中继节点选择方法进行仿真，并且和直接传输及最小能量消耗传输算法进行比较。仿真设定μ分别为1/2或1，值为1时为直接传输；假定D_r＝20m，R＝1bps，M＝45，所有节点的初始能量全部为100J。最后一个节点的能量耗尽，整个网络生命周期结束。具体参数设置：P_cr＝10mW，P_ct＝15mW，α＝2，N₀＝10^-10W/Hz，G＝1，δ＝2，P_out＝10^-3。

从图2可以看出，在D＝100米时，和直接传输及最小能耗传输相比，本发明的协作中继节点选择方法实施例能够有效的延长网络的生命周期，而且节点存活的比率曲线更加平缓。

基于前面的协作中继节点选择流程，本发明还提供了一种协作中继节点选择系统，包括：源节点，用于广播RTS消息，所述RTS消息包括源节点当前能量和目的节点的地址；潜在中继节点，用于接收所述RTS消息，并根据所述源节点当前能量和信道状态计算自身参与协作后的剩余能量和源节点的剩余能量，并判断自身剩余能量是否不低于所述源节点的剩余能量，如果不低于，则参与协作竞争；目标节点，用于在接收到所述潜在中继节点发送的竞争信息时，选择使所述源节点的剩余能量最大的潜在中继节点作为中继节点，并广播CTS消息通知所述中继节点参与传输。

在另一个系统实施例中，所述目的节点还可以包括：多点协作判断模块，用于当接收到的多个参与协作竞争的潜在中继节点使得所述源节点的剩余能量最大且相同，则判断所述多个潜在中继节点进行多点协作时，所述多个潜在中继节点中最小的剩余能量是否大于所述多个潜在中继节点单独参与协作时的剩余能量，是则将所述参与协作竞争的潜在中继节点均作为多点协作的中继节点，并广播CTS消息通知所述多点协作的中继节点参与传输。

本发明不考虑源节点到目的节点一次传输中一跳或多跳能耗最小化问题，而是考虑整网为执行整个应用的能量消耗，利用协作传输技术，来最大化每一次传输中所有参与传输的节点(包括源节点)的剩余能量，使网络中所有节点的剩余能量得到平衡，尽量延长每一个节点的生存时间，从而最大化整个网络生命周期。

本发明提出了一种协作中继节点选择方案，目的是平衡整个网络中节点能量，延长网络的生存周期。不同的传输策略(虚拟MIMO和单个协作中继)、不同的能量受限无线网络(蜂窝、Ad-Hoc及传感器网)均适用本专利，而且本发明的技术方案不仅仅适用于一跳或两跳传输，也同样适用于多跳的传输策略。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1、一种协作中继节点选择方法，包括：

源节点广播RTS消息，所述RTS消息包括源节点当前能量和目的节点的地址；

接收到所述RTS消息的潜在中继节点根据所述源节点当前能量和信道状态计算自身参与协作后的剩余能量和源节点的剩余能量，并判断自身剩余能量是否不低于所述源节点的剩余能量，如果不低于，则参与协作竞争；

目的节点接收到所述潜在中继节点发送的竞争信息，选择使所述源节点的剩余能量最大的潜在中继节点作为中继节点，并广播CTS消息通知所述中继节点参与传输。

2、根据权利要求1所述的协作中继节点选择方法，其中如果目的节点接收到的多个参与协作竞争的潜在中继节点使得所述源节点的剩余能量最大且相同，则判断所述多个潜在中继节点进行多点协作时，所述多个潜在中继节点中最小的剩余能量是否大于所述多个潜在中继节点单独参与协作时的剩余能量，是则将所述参与协作竞争的潜在中继节点均作为多点协作的中继节点，并广播CTS消息通知所述多点协作的中继节点参与传输。

3、根据权利要求1或2所述的协作中继节点选择方法，其中所述参与协作竞争的操作具体为：

所述潜在中继节点根据自身剩余能量计算竞争发送时间，并在竞争周期中竞争发送时间到来时，发送竞争信息给目的节点，所述竞争信息包括所述源节点的剩余能量和所述潜在中继节点的当前能量。

4、根据权利要求1或2所述的协作中继节点选择方法，其中所述潜在中继节点根据所述源节点当前能量和信道状态计算自身参与协作后的剩余能量和源节点的剩余能量的操作具体为：

所述潜在中继节点根据所述信道状态计算参与传输所需要的能量，通过所述源节点的当前能量减去传输到所述潜在中继节点所需的能量，获得所述源节点的剩余能量，通过所述潜在中继节点的当前能量减去传输到所述目的节点所需的能量，获得所述潜在中继节点自身参与协作后的剩余能量。

5、根据权利要求1或2所述的协作中继节点选择方法，其中在所述目的节点广播CTS消息进行通知时，还包括通知所述源节点所需采用的发射功率。

6、根据权利要求1所述的协作中继节点选择方法，其中如果没有潜在中继节点参与协作竞争，则所述目的节点通知所述源节点直接传输数据。

7、一种协作中继节点选择系统，包括：

源节点，用于广播RTS消息，所述RTS消息包括源节点当前能量和目的节点的地址；

潜在中继节点，用于接收所述RTS消息，并根据所述源节点当前能量和信道状态计算自身参与协作后的剩余能量和源节点的剩余能量，并判断自身剩余能量是否不低于所述源节点的剩余能量，如果不低于，则参与协作竞争；

目标节点，用于在接收到所述潜在中继节点发送的竞争信息时，选择使所述源节点的剩余能量最大的潜在中继节点作为中继节点，并广播CTS消息通知所述中继节点参与传输。

8、根据权利要求7所述的协作中继节点选择系统，其中所述目的节点还包括：

多点协作判断模块，用于当接收到的多个参与协作竞争的潜在中继节点使得所述源节点的剩余能量最大且相同，则判断所述多个潜在中继节点进行多点协作时，所述多个潜在中继节点中最小的剩余能量是否大于所述多个潜在中继节点单独参与协作时的剩余能量，是则将所述参与协作竞争的潜在中继节点均作为多点协作的中继节点，并广播CTS消息通知所述多点协作的中继节点参与传输。

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