[发明专利]一种水下传感器网络协作通信中继选择方法

说明书

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，具体的讲是一种通过中继节点信道性能指标和传输延时指标双重决定的中继节点选择方法。

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，我们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，我们需要在原有技术中考虑并加入水下环境的特殊性因素。一方面，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，故此中继节点选择首要标准就是中继节点的信道特性要好；另一方面，由于UWSN中采用声波进行通信，而声波在水中的速度约为1500m/s，这比陆地无线网络中电磁波的速度要低5个数量级，所以水下声通信的通信传输延时不可忽略不计。

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，提出了在水下声学无线传感器网络中适用的中继节点选择算法，在中继节点选择的时候综合考虑中继节点信道性能和传输延时两个因素。本发明的技术方案如下：

一种水下传感器网络协作通信中继选择方法，该方法针对水下环境特性，综合考虑中继节点信道性能和传输延时两方面的因素，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，传输延时用源节点和中继节点的信息到达目的节点的时间差来衡量，然后在两者之间取折衷，根据此指标来选一个最佳中继节点。

作为优选实施方式，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含有发送功率P₁和发送时间t₁的数据包，源节点也向目的节点发送此种数据包，各节点在t₂时刻收到该数据包，接收功率为P₂，接收到此种数据包的源节点或者目的节点，求解与发送节点之间的通信距离l＝v×(t₂-t₁)，v是声波传播速度，并计算信道增益H＝hl^-α＝P₂/P₁其中α是信道衰落指数（一般取1.5）进而算出信道衰落系数h。

2）各接收节点会向相应的发送节点反馈一个信息包，包中包含上步计算出的通信距离l和信道衰落系数h；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以及相应的信道衰落系数h_sri和h_rdi，源节点得知自身到目的节点的距离l_sd以及源-目的节点间信道衰落系数h_sd，并将得到的这些系数反馈给源节点；

3）源节点计算各中继节点的信道性能的评估值，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，该值越大表明信道条件越好。

4）源节点计算源节点和中继节点的信息到达目的节点的时间差该时间差越小越好。

5）源节点综合考虑上述两种因素评估中继节点性能，选择标准是选择标准值最大的对应的中继节点作为最佳中继。

信道衰落指数α一般取1.5。