CN110087275B - 一种提高分簇网络中传输可靠性的两级选择协作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高分簇网络中传输可靠性的两级选择协作方法，属于协作通信的技术领域。该方法包括：S1：选择簇头并按顺序为其编号；计算除簇头外的节点到各个簇头的信道质量和距离，选择离自己距离近、信道质量好的簇头，加入该簇；整个网络被分成若干个大小不等的簇；S2：两级选择协作传输。本发明在分簇网络中将信道质量考虑进簇头选择中，减少了剩余能量较高但信道质量较差的节点成为簇头而引起的系统中断概率的提升；同时，通过两级选择协作传输，增强了网络中数据传输的可靠性。

Description

一种提高分簇网络中传输可靠性的两级选择协作方法

技术领域

本发明属于协作通信的技术领域，涉及分簇网络中一种提高传输可靠性的两级选择协作方法。

背景技术

在无线传感器网络中，能量效率和数据传输可靠性是其关注的两大焦点。由电池供电的无线传感器网络节点，能量非常有限，且更换电池不方便，能量不能及时得到补充，故节能和提高能量效率能有效延长网络的生命周期。在大规模网络中，对网络中的节点进行分簇，采用分簇分层传输是节省能量、提高能效的常见方法。而在绝大多数分簇无线传感网中，现有的文献只关注网络的能量消耗，而对网络的传输可靠性研究较少。在无线传感器网络中，节点配置简单，无法实施复杂的传输方法来提高传输可靠性，因此，亟需根据网络特点，采用低复杂度、易实施的协作方法来提高数据传输可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高分簇网络中传输可靠性的两级选择协作方法，在关注能量效率、延长网络生命周期的同时，实施两级选择协作方法来提高网络数据传输的可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提高分簇网络中传输可靠性的两级选择协作方法，具体包括以下步骤：

S1：成簇：每轮数据传输前，网络中各节点按照一定的规则竞争簇头，竞选成功的节点当选为簇头，按簇头顺序为其编号；簇头建立后，除簇头外的每个节点计算自己到各个簇头的信道质量和距离，选择离自己距离近、信道质量好的簇头，加入该簇头所在簇；成簇完成后，整个网络被分成若干个大小不等的簇；

S2：两级选择协作传输：分簇完成后，各簇按簇序号依次实施一级簇内选择协作传输；各簇中的成员按照自身的标号依次将数据传输到簇头，若传输不成功，则在簇内实施选择协作；所有节点均完成自身到簇头的数据传输后，进行二级簇间选择协作传输；各簇头将自身数据和此轮接收到的簇成员数据进行融合，一起发往基站；若传输不成功，则在簇间实施选择协作，由其他簇头协作其转发数据到基站。

进一步，所述步骤S1中，簇头的选择规则为：综合考虑节点的剩余能量和节点到基站的信道值，使得剩余能量多、信道质量好的节点有更大概率成为簇头；同时，在一个周期内，当选过簇头的节点不再参与簇头的竞争，直至所有节点都当选过簇头，该周期结束；在下一个周期开始后，所有节点重新开始竞争簇头。

进一步，所述步骤S1中，簇头的选择规则具体包括以下步骤：

(1)节点n当选为簇头的概率阀值T(n)的计算公式为：

其中，Q＝E_n/E_n0，表示节点n的剩余能量与初始能量的比值；λ表示节点n到基站的信道质量，k表示总的簇头个数；N表示网络中的节点总数；r表示在当前周期中节点n未当选簇头的轮数；a、b分别表示能量比率和信道质量所占的权重，a＞0，b＞0；若系统在簇头选择时，更关注节点的能量比率，则a取较大值，b取较小的值；若更关注传输可靠性，则a选较小的值，b取较大的值；集合G表示在本周期中未当选过簇头的集合，若在本周期中，n已经当选过簇头，则从集合G中去除，其当选簇头的概率为0，直到下一个周期到来，其才能重新竞选簇头；

(2)节点n产生随机数x，若x＞T(n)，则n当选为簇头，并从集合G中退出；否则仍留在G中，在下一轮再次参与簇头竞争。

进一步，所述步骤S2中，一级簇内选择协作传输的过程为：簇内各成员依次向簇头发送数据，其他簇成员监听，若簇头接收数据成功，则反馈ACK帧；轮到下一个簇成员发送数据；若簇头接收数据失败，则反馈NACK帧，系统将从簇成员中按照一定的规则选出最佳中继，由最佳中继协作该簇成员转发数据到簇头；转发成功后，轮到下一个簇成员发送数据；转发失败，则系统产生中断。

进一步，在一级簇内选择协作传输过程中，因节点间的距离较近，由距离引起的能量消耗较小，故考虑传输可靠性时，将信道质量作为优先考虑因素，最佳中继的选择按照信道质量最优原则进行，以保证簇内节点的可靠传输，用公式表示为：

其中，

表示节点n到簇头C_i的信道质量，

表示节点n到簇头C_i的距离。

进一步，所述步骤S2中，二级簇间选择协作传输的过程为：各簇簇头按顺序依次将融合后的数据发往基站，若基站接收成功，则反馈ACK帧；轮到下一个簇头发送数据；若基站接收数据失败，则反馈NACK帧，系统将从监听的其他簇头中选择一个最佳中继进行数据转发；转发成功后，轮到下一个簇头发送数据；转发失败，则系统产生中断。

进一步，在二级簇间选择协作传输过程中，因簇头担负着融合本簇中所有节点的数据、并发往目标节点的任务，且簇头之间的距离较远，故需综合考虑簇头的信道质量、剩余能量和到基站的距离，最佳中继的选择按照簇头信道质量、剩余能量和到基站的距离进行，信道质量最好、剩余能量最多且距离基站最近的簇头当选为最佳中继，用公式表示为：

其中，Q_c＝E_c/E_c0，表示簇头的剩余能量与初始能量的比值；λ_c表示簇头到基站的信道质量，d_c表示簇头到基站的距离。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明在分簇网络中簇头的选择上不仅考虑节点的剩余能量，还考虑节点的信道质量，选取剩余能量多、到基站信道质量好的节点作为簇头，减少了剩余能量较高但信道质量较差的节点成为簇头而引起的系统中断概率的提升。

(2)同时，本发明在数据传输过程中，采用两级选择协作方法，分别在簇成员间、簇头间实施选择协作传输，增强了网络中数据传输的可靠性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1是本发明的分簇网络模型。

图2是本发明的分簇网络的一级簇内选择协作传输流程图，(a)簇成员直接传输成功，(b)簇成员直接传输失败，选择协作传输。

图3是本发明的分簇网络的二级簇间选择协作传输流程图，(a)簇头直接传输成功，(b)簇头直接传输失败，选择协作传输。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，在100×100单位方形区域中随机分布着100个坐标位置不同的节点S₁,S₂,S₃,…,S₁₀₀和基站d，其中基站的坐标为(50,50)，每个节点配备初始能量E_si0，系统中节点与节点、节点与基站之间的所有信道服从Rayleigh衰落且相互独立。节点S_i与基站d之间的瞬时信道增益表示为

不同节点间的瞬时信道增益表示为

和

分别是参数为

和

的指数型随机变量，其方差分别为

和

系统中的所有信道可逆且等效，且每一轮数据传输中，所有信道的瞬时增益保持不变。设源节点的发射功率为P，系统在进行数据传输时存在均值为0，方差为N₀的加性高斯白噪声。此外，各节点均只配备单天线，采用半双工模式，各节点间的数据传输速率为V。

在每一周期开始时，建立集合G，G中初始成员为所有节点。每轮数据传输前，网络中各节点按照顺序竞争簇头，若竞争成功，则该节点从集合G中剔除，在当前周期结束前，该节点不再参与簇头竞争；若竞争失败，则该节点仍保留在集合G中，在本周期余下的轮次中该节点仍参与簇头的竞争，直至当选为簇头或本周期结束。当集合G为空时，当前周期结束，下一周期开始，所有节点重新加入集合G中。各节点竞争簇头的步骤如下：

①在当前周期，若节点n不在集合G中，表明节点n在本周期已经当选过簇头，因而退出簇头竞争，轮到下一个节点竞争；若节点n在集合G中，则根据公式(1)计算概率阈值T(n)；

②节点n产生随机数x，若x＞T(n)，则n当选为簇头，并从集合G中退出，将节点状态由普通簇成员升级为簇头，并标识簇头序号；若x＜T(n)，则n保留在G中，在下一轮再次参与簇头竞争。

簇头建立后，除簇头外的其他节点依次计算自己到各个簇头的信道质量和距离，选择离自己距离近、信道质量好的簇头，加入该簇；其选择依据参见公式(2)。

所有节点成簇完成后，整个网络被分成若干个大小不等的簇。分簇完成后，将进行两级选择协作传输。

第一级为簇内选择协作传输。如图2所示，其传输过程如下：簇内各成员依次向簇头发送数据，其他簇成员监听。若簇头接收数据成功，则反馈ACK帧，此次数据传输结束，轮到下一个簇成员发送数据；若簇头接收数据失败，则反馈NACK帧，系统将从能正确接收数据信息和反馈信息的簇成员中按照一定的规则选出最佳中继，由最佳中继协作该簇成员转发数据到簇头。转发成功后，轮到下一个簇成员发送数据；转发失败，则系统产生中断。

在一级簇内选择协作传输过程中，最佳中继的选择按信道质量最优原则进行，以保证簇内节点的可靠传输。这是因为：簇内节点间的距离较近，由距离引起的能量消耗较小，故考虑传输可靠性时，将信道质量作为优先考虑因素。

每轮中所有簇内节点均将数据传输给簇头后，簇头对接收到的数据进行融合，打包后发往基站，在此过程中实施第二级选择协作传输。第二级簇间选择协作传输在簇头和基站中进行。如图3所示，第二级簇间选择协作传输过程为：各簇簇头按顺序依次将融合后的数据发往基站，其他簇头监听。若基站接收成功，则反馈ACK帧，轮到下一个簇头发送数据；若基站接收数据失败，则反馈NACK帧，系统将从能成功接收到数据信息和基站反馈信息的簇头中选择一个簇头作为最佳中继，由最佳中继将接收到的数据信息转发给基站。转发成功后，轮到下一个簇头发送数据；转发失败，则系统产生中断。

在二级簇间选择协作传输过程中，因簇头担负着融合本簇中所有节点的数据并发往基站的任务，且簇头之间的距离较远，在最佳中继的选择上需综合考虑簇头的剩余能量、信道质量和到基站的距离，选取信道质量好、剩余能量多且距离基站近的簇头当选为最佳中继，其选择依据参见公式(3)。

本发明在分簇网络中将信道质量考虑进簇头选择中，减少了剩余能量较高但信道质量较差的节点成为簇头而引起的系统中断概率的提升；同时，通过两级选择协作传输，增强了网络中数据传输的可靠性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种提高分簇网络中传输可靠性的两级选择协作方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：成簇：每轮数据传输前，网络中各节点按照一定的规则竞争簇头，竞选成功的节点当选为簇头，按簇头顺序为其编号；簇头建立后，除簇头外的每个节点计算自己到各个簇头的信道质量和距离，选择离自己距离近、信道质量好的簇头，加入该簇头所在簇；成簇完成后，整个网络被分成若干个大小不等的簇；

簇头的选择规则为：综合考虑节点的剩余能量和节点到基站的信道值，使得剩余能量多、信道质量好的节点有更大概率成为簇头；同时，在一个周期内，当选过簇头的节点不再参与簇头的竞争，直至所有节点都当选过簇头，该周期结束；在下一个周期开始后，所有节点重新开始竞争簇头；具体包括以下步骤：

(1)节点n当选为簇头的概率阀值T(n)的计算公式为：

其中，Q＝E_n/E_n0，表示节点n的剩余能量与初始能量的比值；λ表示节点n到基站的信道质量，k表示总的簇头个数；N表示网络中的节点总数；r表示在当前周期中节点n未当选簇头的轮数；a、b分别表示能量比率和信道质量所占的权重，a＞0，b＞0；若系统在簇头选择时，更关注节点的能量比率，则a取较大值，b取较小的值；若更关注传输可靠性，则a选较小的值，b取较大的值；集合G表示在本周期中未当选过簇头的集合，若在本周期中，n已经当选过簇头，则从集合G中去除，其当选簇头的概率为0，直到下一个周期到来，其才能重新竞选簇头；

(2)节点n产生随机数x，若x＞T(n)，则n当选为簇头，并从集合G中退出；否则仍留在G中，在下一轮再次参与簇头竞争；

S2：两级选择协作传输：分簇完成后，各簇按簇序号依次实施一级簇内选择协作传输；各簇中的成员按照自身的标号依次将数据传输到簇头，若传输不成功，则在簇内实施选择协作；所有节点均完成自身到簇头的数据传输后，进行二级簇间选择协作传输；各簇头将自身数据和此轮接收到的簇成员数据进行融合，一起发往基站；若传输不成功，则在簇间实施选择协作，由其他簇头协作其转发数据到基站。

2.根据权利要求1所述的一种提高分簇网络中传输可靠性的两级选择协作方法，其特征在于，所述步骤S2中，一级簇内选择协作传输的过程为：簇内各成员依次向簇头发送数据，其他簇成员监听，若簇头接收数据成功，则反馈ACK帧；轮到下一个簇成员发送数据；若簇头接收数据失败，则反馈NACK帧，系统将从簇成员中按照一定的规则选出最佳中继，由最佳中继协作该簇成员转发数据到簇头；转发成功后，轮到下一个簇成员发送数据；转发失败，则系统产生中断。

3.根据权利要求2所述的一种提高分簇网络中传输可靠性的两级选择协作方法，其特征在于，在一级簇内选择协作传输过程中，最佳中继的选择按照信道质量最优原则进行，以保证簇内节点的可靠传输，用公式表示为：

其中，

表示节点n到簇头C_i的信道质量，

表示节点n到簇头C_i的距离。

4.根据权利要求1所述的一种提高分簇网络中传输可靠性的两级选择协作方法，其特征在于，所述步骤S2中，二级簇间选择协作传输的过程为：各簇簇头按顺序依次将融合后的数据发往基站，若基站接收成功，则反馈ACK帧；轮到下一个簇头发送数据；若基站接收数据失败，则反馈NACK帧，系统将从监听的其他簇头中选择一个最佳中继进行数据转发；转发成功后，轮到下一个簇头发送数据；转发失败，则系统产生中断。

5.根据权利要求4所述的一种提高分簇网络中传输可靠性的两级选择协作方法，其特征在于，在二级簇间选择协作传输过程中，最佳中继的选择按照簇头信道质量、剩余能量和到基站的距离进行，信道质量最好、剩余能量最多且距离基站最近的簇头当选为最佳中继，用公式表示为：

其中，Q_c＝E_c/E_c0，表示簇头的剩余能量与初始能量的比值；λ_c表示簇头到基站的信道质量，d_c表示簇头到基站的距离。

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