CN105120503B - 无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法。无线传感器网络中协作通信基于多中继协作网络模型，并且在中继节点处引入缓存队列用于消息包的存储。协作中继网络模型由信源节点S、N个具有一定的存储缓存队列且随机分布的WSN节点组成协作节点簇和目的节点D共同构成WSN网络。在满足系统传输误码率约束的条件下，以无线传感器网络协作节点传输能耗最小作为目标，对节点协作传输过程中的数据包大小、调制参数、协作中继数、信源－协作簇距离等各个因素与系统能耗之间的关系进行了分析，选择能效达到最优时的最佳协作节点集合。本发明方法可以有效提高无线传感器网络节点协作传输的能量有效性。

Description

无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法

技术领域

本发明属于信息与通信工程技术领域，涉及无线传感器网络(Wireless SensorNetworks,WSN)中协作传输技术以及协作中继节点的选择技术，特别是无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法。

背景技术

随着可持续发展和节能减排的观念深入人心，通信产业的能量消耗与环境保护问题也日益受到关注。全球的通信技术行业都在研究和制定相关节能标准，绿色通信这一理念是通信行业节能环保的体现。近年来协作通信这一技术快速发展，该技术主要利用无线网络中所有潜在的中继节点参与协作传输。协作通信技术可以显著提高网络容量，并且有效降低用户的能耗、延长网络的生命周期和提高吞吐量等优势。这些优点对于节点能量有限的无线传感器网络具有重要价值。

无线传感器网络(wireless sensor networks,WSN)是由大量传感器节点组成，具有数据采集、信号处理及无线通信的能力，被广泛应用于军事侦察、环境监测、医疗保健和应急救援等领域。无线传感网中的节点往往具有微型、低成本和低功耗等特点，其中低功耗是无线传感器网络的首要设计目标。在无线传感器网络中，传感器节点进行本地数据采集、数据处理和数据存储，簇首节点CH进行数据融合并转发来自其它簇首节点的数据，再利用邻近的簇首节点进行多跳传输，直到数据到达汇聚节点。汇聚节点通常能够进行复杂的信息处理、数据存储和远距离的无线通信，汇聚节点与管理节点通过移动通信网络、Internet或卫星等进行通信，用户可以通过管理节点与传感器节点实现信息交互。

协作通信技术(Cooperative Communications)，其主要思想是利用无线网络中多节点之间的相互协作，形成虚拟多天线阵列，实现空间分集和传输路径共享，其目的是提高通信容量、传输速率和系统性能，以减少电池能耗和延长网络寿命、增大传输范围等。协作通信技术包括中继选择、功率控制、信道分配、分组调度等，其中，中继选择技术和节点功率控制技术是协作通信中的关键技术。协作通信系统的性能受通信链路影响很大，选择不同的中继节点产生了不同的传输信道，因此中继节点的选择直接影响了协作通信系统性能的好坏。根据被选的中继数目的不同，可以将其分为两种不同的协作策略：1、单中继协作网络；2、多中继协作网络。能量是无线通信网络中十分重要的资源，由于传感器节点一般采用电池供电，能量有限，且应用环境条件复杂，使得节点难以补充能量。功率控制是在系统资源有限的前提下，以优化协作通信系统服务质量QoS(系统容量、中断概率、速率等)为目标，在一定的条件下最大化WSN网络的生命周期。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法。本发明针对WSN网络协作通信中转发的数据包大小、调制参数、协作中继数、信源－协作簇距离，对WSN网络节点协作通信能耗进行联合优化，得到一种最佳协作中继选择策略，有效提高WSN节点协作传输的能效、延长网络的生命周期和提高吞吐量等。

无线传感器网络中协作通信基于多中继协作网络模型，并且在中继节点处引入缓存队列用于消息包的存储。协作中继网络模型由信源节点S、N个具有一定的存储缓存队列且随机分布的WSN节点组成协作节点簇和目的节点D共同构成WSN网络。在满足系统传输误码率约束的条件下，以无线传感器网络协作节点传输能耗最小作为目标，对节点协作传输过程中的数据包大小、调制参数、协作中继数、信源－协作簇距离等各个因素与系统能耗之间的关系进行了分析，选择能效达到最优时的最佳协作节点集合。本发明方法能够有效提高无线传感器网络节点协作传输的能量有效性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案包括以下步骤：

步骤1、协作传输误码性能分析：使用分布式空时分组码方式实现无线传感器网络(WSN)节点之间的协作，传输数据调制方式为M进制正交幅度调制(MQAM)；接收端对接收到的各路信号进行信噪比最大比合并为准则，实现最大化接收端信噪比；

1-1.协作WSN系统建模

(1)在协作WSN中，设信源节点S和目的节点D之间的传输距离为d，中继节点簇距离信源节点的距离为d_m(假设簇内各WSN节点分布密集，它们之间的距离远小于它们到信源节点S之间的距离，故它们与信源节点S之间的距离近似相等)。中继节点簇内有一个簇首节点CH，簇首节点CH用于选择中继节点簇内参与协作的节点和广播簇内信息。

(2)当信源节点S向目的节点D发送数据包时，信源节点S将信息I广播给中继节点簇和目的节点；簇首节点CH收到信息I，根据信道链路状态信息以及缓存队列大小，选择最优的中继节点接收信源节点S发送过来的信息I并存储在中继的缓存队列中。

(3)根据信道链路状态信息，选择最优的中继节点并采用先入先出排队模型来发送存储在其缓存队列中的数据包到达目的节点D，目的节点D将来自中继节点的所有数据包内信息进行信噪比最大比合并，然后进行联合解码。

(4)根据信道链路状态信息得到中继节点簇内N个最佳中继节点和信源节点。将协作通信过程抽象为一个具有N+1个发送天线，1个接收天线的协作多输入单输出(MISO)结构，使用分布式空时分组码方式实现节点之间的协作，传输数据调制方式为M进制正交幅度调制(MQAM)。

1-2.协作传输误码性能

目的节点D将来自中继节点的所有数据包内信息进行信噪比最大比合并，在获得准确信道链路状态信息的情况下，实现最大化目的节点D信噪比，目的节点D的瞬时信噪比γ_b表示如下：

其中，N₀是加性高斯白噪声(AWGN)的单边功率谱密度，为目的节点D平均比特能量，是信道转移矩阵的Frobenius平方范数。假设信道服从Rayleigh不相关平坦衰落，则服从自由度为2(N+1)的中心χ²(2N+2)分布，其概率密度函数为：

在Rayleigh不相关平坦衰落信道下，系统平均误比特率表示为：

在加性高斯白噪声(AWGN)信道情况下，采用MQAM调制的瞬时误比特率为：

其中，M＝2^b,b≥2且为偶数；当b为奇数时，去掉上式中的项，得到在Rayleigh衰落信道下的平均误比特率：

其中b为偶数；当b为奇数时，去掉式中的(1-1/2^b/2)项。

在传输过程中，考虑数据通过封装数据包的形式进行转发，L为一个数据包所包含的比特数，则数据包差错率表示为：

PER＝1-(1-BER)^L (6)

步骤2、协作传输能耗分析，WSN节点协作传输过程分为两个过程：广播过程和协作转发过程。

2-1.广播过程传输能耗分析

由于MQAM是一个可变速率的调制方式，其调制参数b＝log₂M。若带宽为B，信源广播时间为T_on，信息速率为R_b，则调制参数如下：

在WSN中，为节约能耗，节点具有低占空比，且节点在大部分时间内是关闭的。节点的能耗包括节点工作时的能耗、节点休眠时的能耗和过渡状态的能耗，具体表示以下：

E＝P_on×T_on+P_sleep×T_sleep+P_transient×T_transient (8)

其中，P_on、P_sleep和P_transient分别表示节点处于工作状态，休眠状态和过渡状态的功耗。同样，T_on、T_sleep和T_transient分别表示节点处于工作状态，休眠状态和过渡状态的时间。节点处于工作状态的功率P_on分为节点转发功率P_transmission和其他电路模块的功率P_circuit。为了简便起见，休眠时间的功耗忽略不计，则：

P_on＝P_transmission+P_circuit (9)

节点转发功率P_transmission包括节点发射功率P_transmit和放大器功率P_amplifying，且P_amplifying＝αP_transmit，α表示放大系数。P_transient≈2P_syn，P_syn表示频率同步器的功率。所以，总能量消耗能够表示为：

E＝[P_transmit(1+α)+P_circuit]T_on+2P_syn×T_transient (10)

由于过渡状态的功耗与电路功耗相比是微不足道的，使用常量P_C表示电路模块的能耗，则：

E＝[P_transmit(1+α)+P_C]×T_on (11)

节点发射功率表示为：

其中，表示在给定的误比特率要求下，接收端接收每比特信息所需要的平均能量。R_b是传输比特率，G_t,G_r是发射机和接收机的天线增益。λ是载波波长，M_l是硬件过程变化和其它加性背景噪声或者其它干扰的连接边缘补偿，N_f是接收机噪声指数，d_ij，k_ij分别是节点i和节点j之间的距离和路径衰落系数。

将式(12)带入式(11)，且T_on＝L/R_b，得到每个节点的总能耗为：

其中表示放大器系数；P_C代表总的电路消耗，P_C＝N_T×P_ct+N_R×P_cr，N_T、N_R分别表示发送节点和接收节点的数量。

广播过程的误码率性能分析等同于单输入单输出(SISO)结构，在给定平均误比特率要求下，采用MQAM调制的广播过程平均比特能量为在广播过程中，以广播距离d_m为自变量，分析不同中继节点N参与协作通信时，WSN广播含L比特的信息数据包所需要的传输能量E_a1表示如下：

其中，Pr_b代表误比特率(BER)；b₁是在满足误码率的前提下，广播过 程中不同中继数N在不同广播距离d_m下传输能量E_a1最小时，所对应的MQAM调制参数。

2-2.协作转发过程传输能耗分析

信源节点S和N个正确解包的中继节点形成一个虚拟天线阵，采用分布式空时分组编码(D-STBC)将数据包转发给目的节点。协作转发的平均误码率性能分析等同于N+1根发送天线，1根接收天线的MISO结构。当已知协作节点数N，采用MQAM调制的平均比特能量在协作转发过程中，以转发距离d-d_m为自变量，分析不同中继节点N向目的节点D发送数据时，协作转发含L比特的信息数据包所需要的传输能量E_a2为：

其中，Pr_b代表误比特率(BER)；b₂是在协作转发过程中，不同中继 数N在不同转发距离d-d_m的条件下传输能量E_a2最小时，所对应的MQAM调制参数。

2-3.协作传输总能耗

协作WSN中发送含L比特信息数据包的总能耗为广播过程传输能耗和协作转发过程传输能耗两部分之和，即：

E_sum＝E_a1+E_a2 (16)

步骤3、协作传输总能耗优化和协作传输中继节点选择。

3-1.协作传输总能耗优化

在协作转发过程中，转发数据包由数据包首部和有效数据比特组成。若L表示整个数据包长度，L_p表示数据包中传输的有效数据比特长度。协作通信系统的能量有效性表示为：

其中，PER为协作传输中数据包的差错率，其由式(6)给出。E_sum表示传输一个数据包所消耗的总能量，其由式(16)给出。ρ表示每比特有效数据的传输能耗。因此，通过最小化每比特有效数据的传输能耗能够得到最大化协作传输的能效。

在协作传输的两个过程中，考虑调制参数、协作中继数、信源－协作簇距离、数据包大小，信源-目的节点距离等因素对协作传输能效的影响。为了优化系统总能耗，对协作节点数N、信源－协作簇距离d_m、数据包长度L、广播过程的调制参数b₁和协作转发过程的调制参数b₂进行多参数联合优化，寻找在每比特有效数据的传输能耗最小化目标下，传输每比特有效数据的最佳参数集合(N,b₁,b₂,L)，该优化问题表示为：

通过求解上式(18)，能够得到在满足协作系统误码率(BER)的条件下，每比特有效数据的传输能耗达到最小时的最优中继节点数。

3-2.协作传输中继节点选择

(1)固定传输距离d，以传输每比特有效数据所消耗能量ρ最小为目标，分析不同广播距离d_m下对应的最佳中继节点数N；

(2)固定传输距离d和固定广播距离d_m情况下，根据上述不同中继数对应的最佳调制参数b₁，b₂，计算每比特有效数据的传输能耗，得到该传输条件下的最佳中继节点数N以及最佳调制参数；

(3)在相同的前提条件下，分别对比在固定数据包长度与最佳数据包长度的情况下，不同协作节点数N时的传输总能耗，得到在不同广播距离d_m下，最佳中继节点数N以及最佳数据包长度L。

与传统的中继选择方法相比较，所提方法在中继节点处引入了缓存队列用于数据包的存储，并且综合考虑了调制参数、协作中继数、信源－协作簇距离、数据包大小，信源-目的节点距离等因素对协作传输能效的影响，协作通信系统的节点能量有效性大大提高。

本发明有益效果如下：

本发明对协作WSN系统中广播与转发两个过程的每比特传输能耗分别进行了分析，同时推导了两个过程采用MQAM调制的系统误码率性能和每比特传输总能耗。通过分析协作传输数据包长度对传输能耗的影响，提出了对协作传输数据包长度、协作中继数、调制参数、广播距离等参数进行联合优化的协作传输能效优化方法，得到不同参数情况下的WSN协作传输中继节点数。采用该方法的WSN协作传输系统具有较高的能量有效性。

附图说明

图1为无线传感器网络高能效节点协作传输方法的流程图。

图2为协作WSN系统场景图。

图3为协作传输总能耗与广播距离之间关系的仿真图。

图4为最佳数据包长与系统能量有效性之间关系的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

如图1所示，本发明对于无线传感器网络多节点协作传输包括中继选择、能效优化的具体实现过程。该方法中WSN网络的协作节点具有缓存队列，能够存储信息。当源节点向中继节点和目的节点发送数据时，先以最大功率广播请求发送信息(RTS)，再进行信道估计。中继节点收到源节点发送的广播信息，获取与源节点之间的信道链路状态。中继节点判断自身的剩余能量以及队列大小，计算出该节点的优先级。在满足系统传输误比特率的前提下，以能量有效性为目标，选择N个最佳中继来进行数据转发，并将数据存入到中继缓存队列。同样地，根据中继节点-目的节点之间的信道链路状态，选择N个最佳的中继节点来进行协作转发，采用先入先出排队模型来发送其队列中存储的数据包到达目的节点。接收端对接收到的各路信号以信噪比最大比合并准则进行联合解码，目的节点接收源节点经中继转发的数据。通过对调制参数、协作中继数、信源－协作簇距离、数据包大小、信源-目的节点距离等因素进行联合优化，实现本发明所提的无线传感器网络中高能效节点协作传输方法，使协作系统达到较高的能量有效性。

图2为本发明采用的协作WSN系统模型图。在该模型中，采用分布式空时分组码方式实现节点之间的协作，数据调制方式为M进制正交幅度调制(MQAM)。每个中继节点具有一个全向天线，并且备有一个缓存队列。每个中继节点均工作在半双工的工作模式下，即中继节点不能同时进行数据包的接收和发送。数据包的传输以时隙为基本单位，因此每个数据包的传输分为两个时隙。在第一个时隙，根据能效优化算法选择最优的中继，中继节点接收源节点发送的信息并且存储在其缓存队列中。在第二个时隙，源节点选择最优的中继，采用先入先出排队模型来发送其缓存队列中存储的数据包到达目的节点。

在中继节点处引入缓存队列，使得每个中继具有缓存数据的能力，增加了系统的自由度。通过综合考虑两个通信链路的瞬时信道状态信息、缓存队列状态以及节点的剩余能量信息，对调制参数、协作中继数、信源－协作簇距离、节点缓存数据包长度、信源-目的节点距离等因素进行联合优化，选择能量有效性最高的中继节点进行协作传输。

图3给出了协作传输总能耗与广播距离之间的关系。由图可知，当信源-目的节点之间总距离固定时，协作系统传输每比特有效信息的能耗随着广播距离的增加而增大。当传输总距离与调制参数一定时，可以通过调节协作节点数和广播距离，使该系统的能效达到最高。例如，设广播过程中调制参数b₁＝2和协作转发过程中调制参数b₂＝2、Pr_b＝10^-4、信源-目的节点之间的总距离d＝150m时，仿真得到系统传输每比特有效数据的能耗与广播距离成正比。当广播距离小于等于30m时，选择最佳协作节点数为2，传输每比特有效数据的能耗最小；当广播距离大于30m时，选择最佳协作节点数为1，则传输每比特有效数据的能耗最小。本方法可以根据协作过程中的广播距离不同，在系统能量有效性最大的目标下，选择合适的中继节点位置以及参与协作的中继节点数量，它是一种高能效的协作传输方法。

图4给出了最佳数据包长与系统能量有效性之间的关系。由图可知，当协作节点数相同时，采用最佳包长协作传输系统的每比特能耗小于固定包长协作传输系统。例如，当广播距离d_m＝0.2×d(信源-目的节点之间总距离d)、广播过程和协作转发过程的调制参数b₁和b₂均为4时，协作WSN在不同d下，每比特传输能耗与协作节点数、节点缓存数据包长度之间的关系。其中，通过对节点不同数据包长度与协作WSN节点每比特传输能耗之间的关系进行分析，确定该系统的最佳包长为128bit，固定包长为56bit。由图可知，当协作节点数相同时，采用最佳包长的协作传输系统每比特传输能耗小于固定包长协作传输系统。此外，当总传输距离d≤100m时，选择1个协作节点的传输能耗最小；当总传输距离100m<d≤180m时，选择2个协作节点的传输能耗最小；当传输距离180m<d≤200m时，选择3个协作节点则可使每比特传输能耗达到最小。因此，对于实现能量有效的中继选择协作传输，需要综合考虑中继节点缓存数据包长度和所选择的最佳中继节点个数。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。

Claims (2)

1.无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、协作传输误码性能分析：使用分布式空时分组码方式实现WSN节点之间的协作，传输数据调制方式为M进制正交幅度调制；接收端对接收到的各路信号进行信噪比最大比合并，实现最大化接收端信噪比；

步骤2、协作传输能耗分析，WSN节点协作传输过程分为两个过程：广播过程和协作转发过程；

步骤3、协作传输总能耗优化和协作传输中继节点选择；

步骤1所述的协作传输误码性能分析；具体如下：

1-1.协作WSN系统建模

⑴在协作WSN中，设信源节点S和目的节点D之间的传输距离为d，中继节点簇距离信源节点的距离为d_m；中继节点簇内有一个簇首节点CH，簇首节点CH用于选择中继节点簇内参与协作的节点和广播簇内信息；

⑵当信源节点S向目的节点D发送数据包时，信源节点S将信息I广播给中继节点簇和目的节点；簇首节点CH收到信息I，根据信道链路状态信息以及缓存队列大小，选择最优的中继节点接收信源节点S发送过来的信息I并存储在中继的缓存队列中；

⑶根据信道链路状态信息，选择最优的中继节点并采用先入先出排队模型来发送存储在其缓存队列中的数据包到达目的节点D，目的节点D将来自中继节点的所有数据包内信息进行信噪比最大比合并，然后进行联合解码；

⑷根据信道链路状态信息得到中继节点簇内N个最佳中继节点和信源节点；将协作通信过程抽象为一个具有N+1个发送天线、1个接收天线的协作多输入单输出结构，使用分布式空时分组码方式实现节点之间的协作，传输数据调制方式为M进制正交幅度调制；

1-2.协作传输误码性能

目的节点D将来自中继节点的所有数据包内信息进行信噪比最大比合并，在获得准确信道链路状态信息的情况下，实现最大化目的节点D信噪比，目的节点D的瞬时信噪比γ_b表示如下：

其中，N₀是加性高斯白噪声(AWGN)的单边功率谱密度，为目的节点D平均比特能量，是信道转移矩阵的Frobenius平方范数；假设信道服从Rayleigh不相关平坦衰落，则服从自由度为2(N+1)的中心χ²(2N+2)分布，其概率密度函数为：

在Rayleigh不相关平坦衰落信道下，系统平均误比特率表示为：

在加性高斯白噪声信道情况下，采用MQAM调制的瞬时误比特率为：

其中，M＝2^b,b≥2且为偶数；当b为奇数时，去掉上式中的项，得到在Rayleigh衰落信道下的平均误比特率：

其中b为偶数；当b为奇数时，去掉式中的(1-1/2^b/2)项；

在传输过程中，考虑数据通过封装数据包的形式进行转发，L为一个数据包所包含的比特数，则数据包差错率表示为：

PER＝1-(1-BER)^L (6)；

步骤2所述的协作传输能耗分析；具体如下：

2-1.广播过程传输能耗分析

由于MQAM是一个可变速率的调制方式，其调制参数b＝log₂M；若带宽为B，信源广播时间为信息速率为R_b，则调制参数如下：

在WSN中，节点的能耗包括节点工作时的能耗、节点休眠时的能耗和过渡状态的能耗，具体表示以下：

E＝P_on×T_on+P_sleep×T_sleep+P_transient×T_transient (8)

其中，P_on、P_sleep和P_transient分别表示节点处于工作状态、休眠状态和过渡状态的功耗；同样，T_on、T_sleep和T_transient分别表示节点处于工作状态，休眠状态和过渡状态的时间；节点处于工作状态的功率P_on分为节点转发功率P_transmission和其他电路模块的功率P_circuit；为了简便起见，休眠时间的功耗忽略不计，则：

P_on＝P_transmission+P_circuit (9)

节点转发功率P_transmission包括节点发射功率P_transmit和放大器功率P_amplifying，且P_amplifying＝αP_transmit，α表示放大系数；P_transient≈2P_syn，P_syn表示频率同步器的功率；所以，总能量消耗能够表示为：

E＝[P_transmit(1+α)+P_circuit]T_on+2P_syn×T_transient (10)

由于过渡状态的功耗与电路功耗相比是微不足道的，使用常量P_C表示电路模块的能耗，则：

E＝[P_transmit(1+α)+P_C]×T_on (11)

节点发射功率表示为：

其中，表示在给定的误比特率要求下，接收端接收每比特信息所需要的平均能量；R_b是传输比特率，G_t、G_r是发射机和接收机的天线增益；λ是载波波长，M_l是硬件过程变化和其它加性背景噪声或者其它干扰的连接边缘补偿，N_f是接收机噪声指数，d_ij，k_ij分别是节点i和节点j之间的距离和路径衰落系数；

将式(12)带入式(11)，且T_on＝L/R_b，得到每个节点的总能耗为：

其中表示放大器系数；P_C代表总的电路消耗，P_C＝N_T×P_ct+N_R×P_cr，N_T、N_R分别表示发送节点和接收节点的数量；P_ct、P_cr分别表示发送节点和接收节点的功耗；

广播过程的误码率性能分析等同于单输入单输出结构，在给定平均误比特率要求下，采用MQAM调制的广播过程平均比特能量为在广播过程中，以广播距离d_m为自变量，分析不同中继节点N参与协作通信时，WSN广播含L比特的信息数据包所需要的传输能量E_a1表示如下：

其中，Pr_b代表误比特率；b₁是在满足误码率的前提下，广播过程中不同中继数N在不同广播距离d_m下传输能量E_a1最小时，所对应的MQAM调制参数；

2-2.协作转发过程传输能耗分析

信源节点S和N个正确解包的中继节点形成一个虚拟天线阵，采用分布式空时分组编码(D-STBC)将数据包转发给目的节点；协作转发的平均误码率性能分析等同于N+1根发送天线、1根接收天线的MISO结构；当已知协作节点数N，采用MQAM调制的协作转发过程平均比特能量为在协作转发过程中，以转发距离d-d_m为自变量，分析不同中继节点N向目的节点D发送数据时，协作转发含L比特的信息数据包所需要的传输能量E_a2为：

其中，Pr_b代表误比特率；b₂是在协作转发过程中，不同中继数N在不同转发距离d-d_m的条件下传输能量E_a2最小时，所对应的MQAM调制参数；

2-3.协作传输总能耗

协作WSN中发送含L比特信息数据包的总能耗为广播过程传输能耗和协作转发过程传输能耗两部分之和，即：

E_sum＝E_a1+E_a2 (16)。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络中一种高能效节点协作传输方法，其特征在于步骤3所述的协作传输总能耗优化和协作传输中继节点选择，具体如下：

3-1.协作传输总能耗优化

在协作转发过程中，转发数据包由数据包首部和有效数据比特组成；若L表示整个数据包长度，L_p表示数据包中传输的有效数据比特长度；协作通信系统的能量有效性表示为：

其中，PER为协作传输中数据包的差错率，其由式(6)给出；E_sum表示传输一个数据包所消耗的总能量，其由式(16)给出；ρ表示每比特有效数据的传输能耗；因此，通过最小化每比特有效数据的传输能耗能够得到最大化协作传输的能效；

在协作传输的两个过程中为了优化系统总能耗，对中继节点数N、信源－协作簇距离d_m、数据包长度L、广播过程的调制参数b₁和协作转发过程的调制参数b₂进行多参数联合优化，寻找在每比特有效数据的传输能耗最小化目标下，传输每比特有效数据的最佳参数集合(N,b₁,b₂,L)，该优化问题表示为：

通过求解上式(18)，能够得到在满足协作系统误码率(BER)的条件下，每比特有效数据的传输能耗达到最小时的最优中继节点数；

3-2.协作传输中继节点选择

⑴固定传输距离d，以传输每比特有效数据所消耗能量ρ最小为目标，分析不同广播距离d_m下对应的最佳中继节点数N；

⑵固定传输距离d和固定广播距离d_m情况下，根据上述不同中继数对应的最佳调制参数b₁,b₂，计算每比特有效数据的传输能耗，得到该传输条件下的最佳中继节点数N以及最佳调制参数；

⑶在相同的前提条件下，分别对比在固定数据包长度与最佳数据包长度的情况下，不同协作节点数N时的传输总能耗，得到在不同广播距离d_m下，最佳中继节点数N以及最佳数据包长度L。