專利名稱：協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的選 擇方法及選擇系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
低功耗無(wú)線電通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和微型傳感器等技術(shù)的 飛速發(fā)展和日益成熟，使得大量的、低成本的微型傳感器通過(guò)無(wú)線鏈路自組織成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,簡(jiǎn)稱WSN)成 為現(xiàn)實(shí)。與傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)(例如辦公樓里的消防傳感器網(wǎng)絡(luò) 等)相比，無(wú)線傳感器具有放置靈活、擴(kuò)展簡(jiǎn)便、可以有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和 自組織網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)。特別是在人無(wú)法或避免進(jìn)入的環(huán)境中，無(wú)線傳感 器可以通過(guò)直升機(jī)或火箭拋撒到要監(jiān)測(cè)的區(qū)域，傳感器自行組織成無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)，感知其所在環(huán)境的信息并傳給網(wǎng)絡(luò)中心，完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。WSN是自組織(Self-Organizing)網(wǎng)絡(luò)，它一般由上千個(gè)傳感 器節(jié)點(diǎn)(Sensor node )和一個(gè)或多個(gè)中心節(jié)點(diǎn)(Data sink)構(gòu)成，沒(méi)有 底層的通信基礎(chǔ)設(shè)施。傳感器節(jié)點(diǎn)體積通常都非常小，且只具有有限 的計(jì)算能力、有限的存儲(chǔ)能力、有限的無(wú)線通信能力和有限的電源供 應(yīng)(例如電池供電等)。很顯然，對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電 或更換電池是不現(xiàn)實(shí)的，更何況有的環(huán)境人不便進(jìn)入(如戰(zhàn)場(chǎng))，因此 提高網(wǎng)絡(luò)能量效率、平衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行壽命、防止網(wǎng) 絡(luò)分立，是WSN研究的核心課題。能量效率的策略體現(xiàn)在WSN設(shè)計(jì)的各個(gè)層面，如傳感器節(jié)點(diǎn)的 硬件設(shè)計(jì)、MAC協(xié)議、路由協(xié)議和數(shù)據(jù)融合處理等等。在WSN中， 中心節(jié)點(diǎn)不像傳感器節(jié)點(diǎn)那樣功能有限和能量受制，它可以進(jìn)行復(fù)雜 的計(jì)算，具有大容量的存儲(chǔ)器和大的無(wú)線電發(fā)射功率，電源供應(yīng)不受4限制。因此，對(duì)于能量受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)，最小化能量消耗，最大程 度延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的最重要課題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法及系統(tǒng)，能夠利 用協(xié)作傳輸技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量得到平衡，盡量延長(zhǎng)每 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，從而最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法，包括源節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送請(qǐng)求(Request-To-Send,簡(jiǎn)稱RTS)消息，所 述RTS消息包括源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和目的節(jié)點(diǎn)的地址；接收到所述RTS消息的潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和信道狀態(tài)計(jì)算自身參與協(xié)作后的剩余能量和源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，并判斷自身剩余能量是否不低于所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，如果不低于， 則參與協(xié)作竟?fàn)帲荒康墓?jié)點(diǎn)接收到所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的竟?fàn)幮畔?，選擇使所迷 源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大的潛在中繼節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，并廣播允許發(fā) 送(Clear-To-Send，簡(jiǎn)稱CTS)消息通知所述中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。在上述技術(shù)方案中，如果目的節(jié)點(diǎn)接收到的多個(gè)參與協(xié)作竟?fàn)幍?潛在中繼節(jié)點(diǎn)使得所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大且相同，則判斷所述多 個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)協(xié)作時(shí)，所述多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)中最小的剩 余能量是否大于所述多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)單獨(dú)參與協(xié)作時(shí)的剩余能量， 是則將所述參與協(xié)作竟?fàn)幍臐撛谥欣^節(jié)點(diǎn)均作為多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié) 點(diǎn)，并廣播CTS消息通知所述多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。進(jìn)一步的，所述參與協(xié)作竟?fàn)幍牟僮骶唧w為所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身剩余能量計(jì)算竟?fàn)幇l(fā)送時(shí)間，并在竟 爭(zhēng)周期中竟?fàn)幇l(fā)送時(shí)間到來(lái)時(shí)，發(fā)送竟?fàn)幮畔⒔o目的節(jié)點(diǎn)，所述竟?fàn)?信息包括所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量和所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量。進(jìn)一 步的，所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和信道狀態(tài)計(jì)算自身參與協(xié)作后的剩余能量和源節(jié)點(diǎn)的剩余能量的操作具體為所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述信道狀態(tài)計(jì)算參與傳輸所需要的能 量，通過(guò)所述源節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量減去傳輸?shù)剿鰸撛谥欣^節(jié)點(diǎn)所需的 能量，獲得所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，通過(guò)所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能 量減去傳輸?shù)剿瞿康墓?jié)點(diǎn)所需的能量，獲得所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)自身 參與協(xié)作后的剩余能量。進(jìn)一步的，在所述目的節(jié)點(diǎn)廣播CTS消息進(jìn)行通知時(shí)，還包括 通知所述源節(jié)點(diǎn)所需采用的發(fā)射功率。進(jìn)一步的，如果沒(méi)有潛在中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作竟?fàn)帲瑒t所述目的節(jié) 點(diǎn)通知所述源節(jié)點(diǎn)直接傳輸數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇系統(tǒng)，包括源節(jié)點(diǎn)，用于廣播RTS消息，所述RTS消息包括源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能 量和目的節(jié)點(diǎn)的地址；潛在中繼節(jié)點(diǎn)，用于接收所述RTS消息，并根據(jù)所述源節(jié)點(diǎn)當(dāng) 前能量和信道狀態(tài)計(jì)算自身參與協(xié)作后的剩余能量和源節(jié)點(diǎn)的剩余能 量，并判斷自身剩余能量是否不低于所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，如果不 低于，則參與協(xié)作竟?fàn)?；目?biāo)節(jié)點(diǎn)，用于在接收到所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的竟?fàn)幮畔r(shí)， 選擇使所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大的潛在中繼節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，并 廣播C T S消息通知所述中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。在上述技術(shù)方案中，所述目的節(jié)點(diǎn)還包括多點(diǎn)協(xié)作判斷模塊，用于當(dāng)接收到的多個(gè)參與協(xié)作竟?fàn)幍臐撛谥欣^節(jié)點(diǎn)使得所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大且相同，則判斷所述多個(gè)潛在 中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)協(xié)作時(shí)，所述多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)中最小的剩余能量 是否大于所述多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)單獨(dú)參與協(xié)作時(shí)的剩余能量，是則將 所述參與協(xié)作竟?fàn)幍臐撛谥欣^節(jié)點(diǎn)均作為多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)，并廣 播CTS消息通知所述多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。6基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明不考慮源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)一次傳輸中 一跳或多跳能耗最小化問(wèn)題，而是考慮整網(wǎng)為執(zhí)行整個(gè)應(yīng)用的能量消 耗，利用協(xié)作傳輸技術(shù)，來(lái)最大化每一次傳輸中所有參與傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn) (包括源節(jié)點(diǎn))的剩余能量，使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量得到平衡， 盡量延長(zhǎng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，從而最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期。


此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng) 的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中圖1為本發(fā)明協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法實(shí)施例所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)傳輸系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為采用本發(fā)明協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇的協(xié)作傳輸方法與直接傳輸 和最小能量傳輸對(duì)比，節(jié)點(diǎn)的生命周期和節(jié)點(diǎn)存活數(shù)目關(guān)系的示意圖。圖3為本發(fā)明協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法的一實(shí)施例的流程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。協(xié)作中繼也被稱作為協(xié)作分集，其原理來(lái)自于"虛擬天線陣列" 思想。協(xié)作中繼就是單路徑中繼的一個(gè)擴(kuò)展，在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之 間可以引入一個(gè)或者多個(gè)具有共同覆蓋區(qū)域的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)，目 的節(jié)點(diǎn)可以合并來(lái)自源節(jié)點(diǎn)和來(lái)自中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。協(xié)作中繼可以提 高無(wú)線鏈路的傳輸速率及傳輸可靠性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng) 的頻譜效率提升和廣域覆蓋。對(duì)于能量受限的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可以考慮作 在同樣系統(tǒng)容量要求下，協(xié)作中繼技術(shù)降低所需傳輸能量由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有高密度特點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周圍都有一定數(shù) 量的鄰居節(jié)點(diǎn)，可以利用這一特點(diǎn)讓單個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)(多點(diǎn)協(xié)作式 MIMO技術(shù))充當(dāng)中繼，進(jìn)行可靠通信并有效節(jié)省能量。本發(fā)明不考慮源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)一次傳輸中一跳或多跳能耗最 小化問(wèn)題，而是考慮整網(wǎng)為執(zhí)行整個(gè)應(yīng)用的能量消耗，利用中繼協(xié)作 傳輸技術(shù)，來(lái)最大化每一次傳輸中所有參與傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)(包括源節(jié)點(diǎn)) 的剩余能量，使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量得到平衡，盡量延長(zhǎng)每一 個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，從而最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期。如圖l所示，本發(fā)明協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法實(shí)施例所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò) 傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例假設(shè)假定網(wǎng)絡(luò)有M個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻分布 在半徑為A的圓心區(qū)域，圓心到目的節(jié)點(diǎn)的距離為。，任意選擇一個(gè) 節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其它節(jié)點(diǎn)可以作為中繼節(jié) 點(diǎn)幫助源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸， 一個(gè)源節(jié)點(diǎn)死亡后，任意選擇另外一個(gè)節(jié)點(diǎn) 作為源節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行傳輸，直到最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡，系統(tǒng)生命周期結(jié) 束。另外，假定源節(jié)點(diǎn)有能力直接傳輸數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)，且不考慮目 的節(jié)點(diǎn)的能量消耗，并且設(shè)定目的節(jié)點(diǎn)可以配備多個(gè)天線進(jìn)行接收和發(fā)送。系統(tǒng)的傳輸速率為*，帶寬為WHz。源節(jié)點(diǎn)到協(xié)作節(jié)點(diǎn)的傳輸 時(shí)間為〃，協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間為l-〃。在時(shí)間^內(nèi)， 源節(jié)點(diǎn)以平均發(fā)射功率《向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)，則源節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送總 共消耗的能量為=〃((1+* +尸") (1)這里，^為發(fā)射電路的能量消耗，可以包括電路域的能量消耗和 射頻部分的能量消耗，"是放映射頻功率放大器效率的參數(shù)。源節(jié)點(diǎn) 剩余能量為H/z((l + a)S +尸") (2) 這里，A為源節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在的能量。假定有w個(gè)節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作傳輸，假定系統(tǒng)要求的錯(cuò)誤率為&,，則，、 、，=,M j (3)這里，^為協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)'的發(fā)射功率，G,是協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)'到目 的節(jié)點(diǎn)的信道增益因子。W。是接收端的高斯白噪聲。具體為5 =(4)8這里，"是為了滿足^'—2， A是第二跳協(xié)作節(jié)點(diǎn)發(fā)射的總功率， A.為信道'特征值。協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)'消耗的能量為￡',=(1 - 〃)((1+aK+尸")+《 (5 )這里，^是接收電路的能量消耗。節(jié)點(diǎn)'的剩余能量為￡,,re = ￡, -(1 _〃)((+ 〃尸 ( 6 )這里，《為節(jié)點(diǎn)i現(xiàn)在的能量。如圖3所示，為本發(fā)明協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法的一實(shí)施例的流程 示意圖。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，執(zhí)行以下的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇步驟步驟101、廣播RTS消息，RTS消息包括源.節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和目 的節(jié)點(diǎn)的地址；步驟102、所述RTS消息的潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能 量和信道狀態(tài)計(jì)算自身參與協(xié)作后的剩余能量和源節(jié)點(diǎn)的剩余能量；步驟103、潛在中繼節(jié)點(diǎn)判斷自身剩余能量是否不低于所述源節(jié) 點(diǎn)的剩余能量，是則執(zhí)行步驟104參與協(xié)作竟?fàn)帲駝t不參與協(xié)作竟?fàn)?；步驟104、潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身剩余能量計(jì)算竟?fàn)幇l(fā)送時(shí)間， 并在竟?fàn)幹芷谥芯範(fàn)幇l(fā)送時(shí)間到來(lái)時(shí)，發(fā)送竟?fàn)幮畔⒔o目的節(jié)點(diǎn)，竟 爭(zhēng)信息包括所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量和所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量。步驟105、目的節(jié)點(diǎn)接收到所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的竟?fàn)幮畔ⅲ?選擇使所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大的潛在中繼節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)；步驟106、目的節(jié)點(diǎn)廣播CTS消息通知所述中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。在步驟101中，源節(jié)點(diǎn)所廣播的RTS信息網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)設(shè) 備都應(yīng)該設(shè)置為能夠監(jiān)聽(tīng)RTS信息。所謂潛在中繼節(jié)點(diǎn)在本實(shí)施例中 是指能夠接收到源節(jié)點(diǎn)廣播的RTS信息，并可能成為中繼節(jié)點(diǎn)的節(jié) 點(diǎn)。在步驟102中，潛在中繼節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)信道狀態(tài)計(jì)算參與傳輸所 需要的能量，通過(guò)源節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量減去傳輸?shù)綕撛谥欣^節(jié)點(diǎn)所需的 能量，獲得所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，并通過(guò)潛在中繼節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量減去傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)所需的能量，獲得所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)自身參與協(xié) 作后的剩余能量。在步驟105中，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到所有潛在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息， 估計(jì)自己和中繼之間的信道狀態(tài)，并重新計(jì)算每一個(gè)參與協(xié)作竟?fàn)幍?中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)需要的能量，得到中繼的剩余能量。目的節(jié)點(diǎn)在所 有的潛在中繼中選擇參與這次傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn) 是使所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大的潛在中繼節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)在選擇中 繼節(jié)點(diǎn)之后，廣播CTS消息，CTS消息中會(huì)通知那個(gè)節(jié)點(diǎn)參與這次 數(shù)據(jù)傳輸，并且還可以通知源節(jié)點(diǎn)此次需要的發(fā)射功率。整個(gè)的交流 過(guò)程如下圖。如果沒(méi)有中繼節(jié)點(diǎn)參與竟?fàn)?，源?jié)點(diǎn)則直接傳輸數(shù)據(jù)到目的節(jié) 點(diǎn)，這時(shí)〃 =1， ^是源節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)消耗的功率。如果中 繼節(jié)點(diǎn)收到目的節(jié)點(diǎn)的通知，需要參與協(xié)作傳輸，但是該中繼節(jié)點(diǎn)沒(méi) 有正確譯碼源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，則該中繼節(jié)點(diǎn)不參與協(xié)作傳輸。下面通過(guò)具體實(shí)例來(lái)對(duì)本發(fā)明協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法實(shí)施例進(jìn) 行說(shuō)明，在這個(gè)具體實(shí)例中，為了方便說(shuō)明中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，這里并 未結(jié)合前面提到的公式計(jì)算源節(jié)點(diǎn)和潛在中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量，而是 簡(jiǎn)單得假定源節(jié)點(diǎn)的能量為10，如果直接傳輸，源節(jié)點(diǎn)的剩余能量為 8。潛在協(xié)作節(jié)點(diǎn)將自身的剩余能量和源節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行比較，如果 協(xié)作節(jié)點(diǎn)的剩余能量比源節(jié)點(diǎn)的高，則協(xié)作節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作竟?fàn)帯Ｏ旅娼o出協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇的幾種情況的說(shuō)明1、單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)選擇情況當(dāng)多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作竟?fàn)帲?則首先選擇使源節(jié)點(diǎn)剩余能量最大的中繼節(jié)點(diǎn)。例如有3個(gè)潛在協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1的能量為12，節(jié)點(diǎn)2 的能量為IO，節(jié)點(diǎn)3的能量為9。節(jié)點(diǎn)1參與協(xié)作后源節(jié)點(diǎn)剩余能量為9,節(jié)點(diǎn)1剩余能量為11;節(jié)點(diǎn)2參與協(xié)作后源節(jié)點(diǎn)剩余能量為9.5，節(jié)點(diǎn)2剩余能量為9.5;節(jié)點(diǎn)3參與協(xié)作后源節(jié)點(diǎn)剩余能量為9，節(jié)點(diǎn)3剩余能量為8;這時(shí)候，由于節(jié)點(diǎn)3判斷自身的剩余能量小于源節(jié)點(diǎn)剩余能量， 則不參與協(xié)作竟?fàn)帲?jié)點(diǎn)1， 2符合自身的剩余能量不小于源節(jié)點(diǎn)剩 余能量的條件，因此均參與協(xié)作竟?fàn)帯Ｈ缓笥赡康墓?jié)點(diǎn)比較節(jié)點(diǎn)l和 節(jié)點(diǎn)2參與協(xié)作后源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，由于節(jié)點(diǎn)2參與協(xié)作后，源節(jié) 點(diǎn)剩余能量更高，因此目標(biāo)節(jié)點(diǎn)選擇節(jié)點(diǎn)2進(jìn)行協(xié)作傳輸。2、多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)選擇情況當(dāng)多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作竟?fàn)?，?果目的節(jié)點(diǎn)接收到的多個(gè)參與協(xié)作竟?fàn)幍臐撛谥欣^節(jié)點(diǎn)使得所述源節(jié) 點(diǎn)的剩余能量最大且相同，則判斷多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)協(xié)作時(shí)， 多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)中最小的剩余能量是否大于多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)單獨(dú) 參與協(xié)作時(shí)的剩余能量，是則將參與協(xié)作竟?fàn)幍臐撛谥欣^節(jié)點(diǎn)均作為多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)，并廣播CTS消息通知多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)參與 傳輸多點(diǎn)協(xié)作的判斷標(biāo)準(zhǔn)是多個(gè)中繼協(xié)作傳輸時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)中最小 的剩余能量比單個(gè)中繼協(xié)作傳輸時(shí)，每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量都大。即，{《1 ，H￡r),這里《是單個(gè)中繼傳輸時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)i的剩余能量， ￡7為多個(gè)中繼協(xié)作傳輸時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)i的剩余能量。例如有3個(gè)潛在協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1的能量為12，節(jié)點(diǎn)2 的能量為12，節(jié)點(diǎn)3的能量是11。節(jié)點(diǎn)1單獨(dú)參與協(xié)作后源節(jié)點(diǎn)剩余能量為9.5，節(jié)點(diǎn)1剩余能 量為11;節(jié)點(diǎn)2單獨(dú)參與協(xié)作后源節(jié)點(diǎn)剩余能量為9.5,節(jié)點(diǎn)2剩余能 量為10.5;節(jié)點(diǎn)3參與協(xié)作后源節(jié)點(diǎn)剩余能量為9，節(jié)點(diǎn)3剩余能量為10.5。由于節(jié)點(diǎn)l和2單獨(dú)參與協(xié)作，源節(jié)點(diǎn)的剩余能量都為最大，而 且相同，則需要考慮節(jié)點(diǎn)l和2—起參與協(xié)作傳輸。當(dāng)節(jié)點(diǎn)1和2 —起參與協(xié)作傳輸，源節(jié)點(diǎn)剩余能量仍然為9.5， 節(jié)點(diǎn)1剩余能量為11.5，節(jié)點(diǎn)2剩余能量為11.2。由于節(jié)點(diǎn)1、2—起協(xié)作傳輸，協(xié)作節(jié)點(diǎn)中最小的剩余能量(11.2) 比單獨(dú)協(xié)作中任何一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量(11和10.5)都大，因此目的節(jié)點(diǎn)選擇節(jié)點(diǎn)1和2 —起參與協(xié)作傳輸。
下面再通過(guò)仿真來(lái)說(shuō)明本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的優(yōu)勢(shì)，如圖2所 示，為采用本發(fā)明協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇的協(xié)作傳輸方法與直接傳輸和最 小能量傳輸對(duì)比，節(jié)點(diǎn)的生命周期和節(jié)點(diǎn)存活數(shù)目關(guān)系的示意圖。
圖2觀察了圓心區(qū)域中心到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離"等于100m情況的節(jié) 點(diǎn)存活比率。對(duì)本發(fā)明的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法進(jìn)行仿真，并且和直 接傳輸及最小能量消耗傳輸算法進(jìn)行比較。仿真設(shè)定〃分別為1/2或1，
值為l時(shí)為直接傳輸；假定馬=20111， "=lbps， M = 45，所有節(jié)點(diǎn)的初始
能量全部為IOOJ。最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié)束。 具體參數(shù)設(shè)置4=i0mW， p"=15mW, =2， 乂-i?！?，/論，G=1， 5=2，
從圖2可以看出，在D-100米時(shí)，和直接傳輸及最小能耗傳輸相 比，本發(fā)明的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法實(shí)施例能夠有效的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生 命周期，而且節(jié)點(diǎn)存活的比率曲線更加平緩。
基于前面的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇流程，本發(fā)明還提供了 一種協(xié)作中 繼節(jié)點(diǎn)選擇系統(tǒng)，包括源節(jié)點(diǎn)，用于廣播RTS消息，所述RTS消 息包括源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和目的節(jié)點(diǎn)的地址；潛在中繼節(jié)點(diǎn)，用于接收 所述RTS消息，并根據(jù)所述源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和信道狀態(tài)計(jì)算自身參與 協(xié)作后的剩余能量和源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，并判斷自身剩余能量是否不 低于所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，如果不低于，則參與協(xié)作竟?fàn)?；目?biāo)節(jié) 點(diǎn)，用于在接收到所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的竟?fàn)幮畔r(shí)，選擇使所述 源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大的潛在中繼節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，并廣4番CTS消 息通知所述中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。
在另一個(gè)系統(tǒng)實(shí)施例中，所述目的節(jié)點(diǎn)還可以包括多點(diǎn)協(xié)作判 斷模塊，用于當(dāng)接收到的多個(gè)參與協(xié)作竟?fàn)幍臐撛谥欣^節(jié)點(diǎn)使得所述 源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大且相同，則判斷所述多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多 點(diǎn)協(xié)作時(shí)，所述多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)中最小的剩余能量是否大于所述多 個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)單獨(dú)參與協(xié)作時(shí)的剩余能量，是則將所述參與協(xié)作竟 爭(zhēng)的潛在中繼節(jié)點(diǎn)均作為多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)，并廣播CTS消息通知
12所述多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。
本發(fā)明不考慮源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)一次傳輸中一跳或多跳能耗最 小化問(wèn)題，而是考慮整網(wǎng)為執(zhí)行整個(gè)應(yīng)用的能量消耗，利用協(xié)作傳輸 技術(shù)，來(lái)最大化每一次傳輸中所有參與傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)(包括源節(jié)點(diǎn))的 剩余能量，使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量得到平衡，盡量延長(zhǎng)每一個(gè) 節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，從而最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期。
本發(fā)明提出了一種協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方案，目的是平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)
中節(jié)點(diǎn)能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。不同的傳輸策略(虛擬MIMO和 單個(gè)協(xié)作中繼)、不同的能量受限無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(蜂窩、Ad-Hoc及傳感 器網(wǎng))均適用本專利，而且本發(fā)明的技術(shù)方案不僅僅適用于一跳或兩 跳傳輸，也同樣適用于多跳的傳輸策略。
最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而 非對(duì)其限制；盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，所屬
領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn) 行修改或者對(duì)部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案 的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法，包括源節(jié)點(diǎn)廣播RTS消息，所述RTS消息包括源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和目的節(jié)點(diǎn)的地址；接收到所述RTS消息的潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和信道狀態(tài)計(jì)算自身參與協(xié)作后的剩余能量和源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，并判斷自身剩余能量是否不低于所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，如果不低于，則參與協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)；目的節(jié)點(diǎn)接收到所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的競(jìng)爭(zhēng)信息，選擇使所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大的潛在中繼節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，并廣播CTS消息通知所述中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法，其中如果目 的節(jié)點(diǎn)接收到的多個(gè)參與協(xié)作竟?fàn)幍臐撛谥欣^節(jié)點(diǎn)使得所述源節(jié)點(diǎn)的 剩余能量最大且相同，則判斷所述多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)協(xié)作時(shí)， 所述多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)中最小的剩余能量是否大于所述多個(gè)潛在中繼 節(jié)點(diǎn)單獨(dú)參與協(xié)作時(shí)的剩余能量，是則將所述參與協(xié)作竟?fàn)幍臐撛谥?繼節(jié)點(diǎn)均作為多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)，并廣播CTS消息通知所述多點(diǎn)協(xié) 作的中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法，其中所 述參與協(xié)作竟?fàn)幍牟僮骶唧w為所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身剩余能量計(jì)算竟?fàn)幇l(fā)送時(shí)間，并在竟 爭(zhēng)周期中竟?fàn)幇l(fā)送時(shí)間到來(lái)時(shí)，發(fā)送竟?fàn)幮畔⒔o目的節(jié)點(diǎn)，所述竟?fàn)?信息包括所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量和所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法，其中所 述潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和信道狀態(tài)計(jì)算自身參與協(xié) 作后的剩余能量和源節(jié)點(diǎn)的剩余能量的操作具體為所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述信道狀態(tài)計(jì)算參與傳輸所需要的能 量，通過(guò)所述源節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量減去傳輸?shù)剿鰸撛谥欣^節(jié)點(diǎn)所需的能量，獲得所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，通過(guò)所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能 量減去傳輸?shù)剿瞿康墓?jié)點(diǎn)所需的能量，獲得所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)自身 參與協(xié)作后的剩余能量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法，其中在 所述目的節(jié)點(diǎn)廣播CTS消息進(jìn)行通知時(shí)，還包括通知所述源節(jié)點(diǎn)所需 采用的發(fā)射功率。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法，其中如果沒(méi) 有潛在中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作竟?fàn)?，則所述目的節(jié)點(diǎn)通知所述源節(jié)點(diǎn)直接 傳輸數(shù)據(jù)。
7、 一種協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇系統(tǒng)，包括源節(jié)點(diǎn)，用于廣纟番RTS消息，所述RTS消息包括源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能 量和目的節(jié)點(diǎn)的地址；潛在中繼節(jié)點(diǎn)，用于接收所迷RTS消息，并根據(jù)所述源節(jié)點(diǎn)當(dāng) 前能量和信道狀態(tài)計(jì)算自身參與協(xié)作后的剩余能量和源節(jié)點(diǎn)的剩余能 量，并判斷自身剩余能量是否不低于所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，如果不 低于，則參與協(xié)作竟?fàn)?；目?biāo)節(jié)點(diǎn)，用于在接收到所述潛在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的竟?fàn)幮畔r(shí)， 選擇使所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大的潛在中繼節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，并 廣播CTS消息通知所述中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇系統(tǒng)，其中所述目 的節(jié)點(diǎn)還包括多點(diǎn)協(xié)作判斷模塊，用于當(dāng)接收到的多個(gè)參與協(xié)作竟?fàn)幍臐撛谥?繼節(jié)點(diǎn)使得所述源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大且相同，則判斷所述多個(gè)潛在 中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)協(xié)作時(shí)，所述多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)中最小的剩余能量 是否大于所述多個(gè)潛在中繼節(jié)點(diǎn)單獨(dú)參與協(xié)作時(shí)的剩余能量，是則將 所述參與協(xié)作竟?fàn)幍臐撛谥欣^節(jié)點(diǎn)均作為多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)，并廣 播CTS消息通知所述多點(diǎn)協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法，包括源節(jié)點(diǎn)廣播RTS消息，RTS消息包括源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和目的節(jié)點(diǎn)的地址；接收到RTS消息的潛在中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量和信道狀態(tài)計(jì)算自身參與協(xié)作后的剩余能量和源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，并判斷自身剩余能量是否不低于源節(jié)點(diǎn)的剩余能量，是則參與協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)；目的節(jié)點(diǎn)接收到潛在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的競(jìng)爭(zhēng)信息，選擇使源節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大的潛在中繼節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，并廣播CTS消息通知中繼節(jié)點(diǎn)參與傳輸。本發(fā)明考慮整網(wǎng)為執(zhí)行整個(gè)應(yīng)用的能量消耗，利用協(xié)作傳輸技術(shù)最大化每一次傳輸中所有參與傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)的剩余能量，使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量得到平衡，從而最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期。
文檔編號(hào)H04W40/08GK101577956SQ20091008726
公開(kāi)日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月15日
發(fā)明者丁子明, 旸 于, 康桂霞, 平 張, 郭艷艷 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)