CN103716866A - 水下传感器网络适用的协作通信最佳中继节点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字通信技术领域，涉及一种水下传感器网络适用的协作通信最佳中继节点选择方法，源节点使用源-中继、中继-目的间信道的瞬时功率增益的调和平均数

对各候选中继节点的瞬时信道特性进行计算，以此来选择最佳中继节点，其中，H_sri和H_rdi分别是源-中继、中继-目的节点间的信道增益。本发明的中继节点选择方法，非常适用于水下传感器网络中。

Description

水下传感器网络适用的协作通信最佳中继节点选择方法

技术领域

本发明涉及水下无线传感器网络协作通信技术领域，具体的讲是一种水声通信环境下由中继节点信道性能决定的最佳中继节点选择方法。

背景技术

近年来，水下传感器网络在海洋数据收集、污染监测、灾难预警、海上探测、援助导航以及战略监测等方面的应用越来越广泛，水下通信技术也日益受到重视。由于电磁波在水下衰减太快，所以声波是人类迄今为止发现的最适宜在水下远距离传播的能量形式。

水下通信环境十分复杂，水声信道特性参数随着时—空—频的变化而随机变化，水下环境噪声高、带宽窄、传输时延大等不利因素使得水下通信传输误码率高、速率低等问题难以解决。为了提高水下通信质量，尽量降低信道衰落的影响，可以采用中继协作通信方式，使得单天线用户可以通过中继节点的协作发送信息，既克服了信道衰落严重问题，又能获取分集增益。

在协作通信系统中，中继节点的选择是一个关键问题，在中继节点协助源节点传输数据信息之前，先根据一定的条件选择出最佳中继节点是非常有必要的，因为这样可以节省很多能量，避免源节点给所有中继节点发送数据信息，同时选择出一个最佳中继节点又可以获得非常可观的分集增益。

虽然中继选择算法在陆地无线通信中和认知无线网络中已有很多应用，但是因为水下环境的特殊性和复杂性，很多陆地无线网络的技术不能直接运用在水下环境中，需要在原有技术中考虑并加入水下环境的特殊性因素。在水下无线传感器网络中采用中继节点进行协作的目的就是为了降低源节点和目的节点之间的信道衰落，因此最佳中继节点选择最直接的判决标准就是中继节点的信道特性，所以需要根据水下环境的特殊因素制定一个衡量中继节点信道特性的指标。

发明内容

本发明参考陆地无线网络中和认知网络中协作中继节点的选择算法，并考虑水下环境的复杂性和特殊性，提出在水下声学无线传感器网络中适用的最佳中继节点选择方法。本发明的技术方案如下：

一种水下传感器网络适用的协作通信最佳中继节点选择方法，源节点使用源-中继、中继-目的间信道的瞬时功率增益的调和平均数

对各候选中继节点的瞬时信道特性进行计算，以此来选择最佳中继节点，其中，H_sri和H_rdi分别是源-中继、中继-目的节点间的信道增益，信道增益H的计算公式为H=hl^-α，h是信道衰落系数、l是通信距离、α是传播因子；该方法采用下列的方法计算信道衰落系数h：

设发送节点与接收节点之间的通信距离为l，所设定的通信频率为f，则信道衰落系数h＝a(f)^l/1000，其中，距离l单位为米（m）,a(f)是吸收系数， $10\log a\left(f\right)=0.11\frac{f^2}{f^2+1}+44\frac{f^2}{f+4100}+2.75\×{10}^{-4}{f}^2+0.003.$

作为优选实施方式，各个信道增益的计算方法如下：

1）所有的候选中继节点向源节点和目的节点发送数据包，源节点向目的节点发送数据包，包中含有发送时间t₁，接收节点在t₂时刻收到该数据包，计算通信距离l＝v×(t₂-t₁)，其中v是声波传播速度；

2）各接收节点向相应的发送节点反馈一个信息包，包中包含上一步计算出的通信距离l；

3）各中继节点可以得知自身到源节点和目的节点的距离l_sri和l_rdi，源节点得知自身到目的节点的距离l_sd。

4）各候选中继节点根据步骤3）得到的自身与源节点和目的节点的距离l_sri和l_rdi及信道衰落系数，分别计算源-中继节点间的信道增益H_sri和中继-目的节点间的信道增益H_rdi。

其中，α一般取1.5。

本发明提出的是一种适合在水下传感器网络中使用的最佳中继节点选择算法。各候选中继节点的信道性能评估用源-中继、中继-目的间信道的瞬时功率增益的调和平均数来表示，而其功率增益需要由水声通信频率和通信距离来求解。本发明提出的最佳中继节点选择方法，由于充分考虑了水下声学信道衰落特性，可以在恶劣的水下环境中，寻找信道条件好的中继节点，提高经中继协作传输的信号质量。

附图说明

图1是本发明多中继节点可选时协作通信系统模型。

具体实施方式

在最佳中继节点选择算法中，评判标准是各候选中继节点的信道条件。众所周知，既然选择使用中继进行协作通信，目的就是希望在恶劣的水下环境中，找一个信道条件好的中继节点，经中继协作传输的信号质量高，这样才对目的端接收处理有好处，所以中继节点选择算法最直接的判决依据就是中继节点的信道特性。

针对水下声通信环境特性，水声信道增益和水声通信频率以及距离密切相关，在此提出的最佳中继节点选择方法主要依靠中继节点信道性能来判决，其中中继节点信道性能评估标准用源-中继、中继-目的间信道的瞬时功率增益的调和平均数表示。

为使本发明的目的、实现方案和优点更为清晰，下面结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，水下传感器网络中源节点S要发送信息给目的节点D，但是由于水下环境的不确定性导致某时刻源节点到目的节点信道条件很差H_sd很小，此时就需要从众多可选中继节点中选择一个最佳中继节点来协助源节点进行通信。

中继节点选择算法最直接的判决依据就是中继节点的信道特性。在此，需要找到一个合适的表达式来评估中继节点的信道特性。具体实施步骤如下：

（1）所有的候选中继节点向源节点和目的节点发送一个简单数据包，源节点向目的节点发送一个简单数据包，包中含有发送时间t₁，假设全局时间同步，接收节点在t₂时刻收到该数据包，根据TOA测距方法计算通信距离l＝v×(t₂-t₁)，其中v是声波传播速度，约为1500m/s。

（2）各接收节点会向相应的发送节点反馈一个信息包，包中包含上一步计算出的通信距离l，则第i个中继节点可以得知自身到源节点和目的节点的距离l_sri和l_rdi，源节点得知自身到目的节点的距离l_sd。

（3）第i个候选中继节点根据获得的距离值和已设定的通信频率计算其信道衰落系数h_i，表达式为其中，距离l_i单位为米（m）,a(f)是吸收系数，可以用如下经验公式进行求解： $10\log a\left(f\right)=0.11\frac{f^2}{f^2+1}+44\frac{f^2}{f+4100}+2.75\×{10}^{-4}{f}^2+0.003,$ 这样就可以根据关系式H＝hl^-α得到各中继节点信道增益H_sri和H_rdi了，其中传播因子α在水下环境中一般取值1.5，然后将计算结果反馈给源节点。

（4）最后源节点对各候选中继节点的瞬时信道特性进行计算，中继节点信道性能评估标准用源-中继、中继-目的间信道的瞬时功率增益的调和平均数表示，第i个中继节点的信道性能评估标准表达式为 ${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{opi}}=m_H(H_{\mathrm{sri}},H_{\mathrm{rdi}})=\frac{2H_{\mathrm{sri}}{H}_{\mathrm{rdi}}}{H_{\mathrm{sri}}+H_{\mathrm{rdi}}},$ 其中 $m_H(x,y)=\frac{2}{1/x+1/y}=\frac{2\mathrm{xy}}{x+y}$ 为调和平均数函数，Λ反映了中继节点瞬时信道特性，该值越大则信道性能越好，源节点计算完该值以后，从中选取最大值对应的信道特性最好的一个作为最佳中继节点。

Claims (3)

1.一种水下传感器网络适用的协作通信最佳中继节点选择方法，源节点使用源-中继、中继-目的间信道的瞬时功率增益的调和平均数

对各候选中继节点的瞬时信道特性进行计算，以此来选择最佳中继节点，其中，H_sri和H_rdi分别是源-中继、中继-目的节点间的信道增益，信道增益H的计算公式为H=hl^-α，h是信道衰落系数、l是通信距离、α是传播因子；该方法采用下列的方法计算信道衰落系数h：

设发送节点与接收节点之间的通信距离为l，所设定的通信频率为f，则信道衰落系数h＝a(f)^l/1000，其中，距离l单位为米（m）,a(f)是吸收系数， $10\log a\left(f\right)=0.11\frac{f^2}{f^2+1}+44\frac{f^2}{f+4100}+2.75\×{10}^{-4}{f}^2+0.003.$

2.根据权利要求1所述的最佳中继节点选择方法，其特征在于，各个信道增益的计算方法如下：

1）所有的候选中继节点向源节点和目的节点发送数据包，源节点向目的节点发送数据包，包中含有发送时间t₁，接收节点在t₂时刻收到该数据包，计算通信距离l＝v×(t₂-t₁)，其中v是声波传播速度；

2）各接收节点向相应的发送节点反馈一个信息包，包中包含上一步计算出的通信距离l；

3）各中继节点可以得知自身到源节点和目的节点的距离l_sri和l_rdi，源节点得知自身到目的节点的距离l_sd。

4）各候选中继节点根据步骤3）得到的自身与源节点和目的节点的距离l_sri和l_rdi及信道衰落系数，分别计算源-中继节点间的信道增益H_sri和中继-目的节点间的信道增益H_rdi。

3.根据权利要求1所述的最佳中继节点选择方法，其特征在于，α一般取1.5。

Images