[发明专利]面向变电站覆盖增强的无线传感网系统及其中继选择方法

权利要求书

1.一种面向变电站覆盖增强的无线传感网系统，其特征在于，包括：网关和无线传感网；

其中，网关为无线传感网提供决策计算服务；

无线传感网是多对一两跳传输网络，包括：I个源节点、J个中继节点和1个目标节点；

源节点是无线传感器节点，用于监测变电站电气设备运行状态，作为监测数据发送端；

中继节点是无线路由或无线传感器，为源节点提供监测数据转发服务；

目标节点是变电站间隔测控柜及其保护装置，作为监测数据的接收端，并为网关提供网络性能数据。

2.根据权利要求1所述的一种面向变电站覆盖增强的无线传感网系统的中继选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建传输时延模型；

设源节点集合表示为S＝{s₁,…,s_i,…,s_I}，中继节点集合表示为R＝{r₁,…,r_j,…,r_J}，目标节点表示为u₀，总时间被划分为T个不等长的时隙，总时隙集合表示为T＝{1,…,t,…,T}；

第t个时隙内，假设源节点s_i产生数据量为A_i(t)的传输任务；源节点s_i根据网关的中继选择策略，选择中继节点r_j将数据转发至目标节点u₀；定义选择指示变量为a_i,j,t，a_i,j,t＝1表示在第t个时隙源节点s_i选择中继节点r_j，否则a_i,j,t＝0；传输过程分为两跳，第一跳传输过程为源节点s_i到中继节点r_j的传输过程，第二跳传输过程为中继节点r_j到目标节点u₀的传输过程；

第t个时隙内，第一跳源节点s_i到中继节点r_j之间的数据传输信噪比为

其中，P_TX,i是源节点s_i的传输功率，G_i,j(t)是源节点s_i到中继节点r_j之间的信道增益，σ₀是通信链路噪声功率，ε_i,j(t)是第一跳传输过程中的电力设备电磁干扰功率；因此，根据香农公式，在第t个时隙内，第一跳源节点s_i到中继节点r_j的传输速率为

其中，B是通信链路带宽；因此，在第t个时隙内，第一跳源节点s_i到中继节点r_j的传输时延为

第t个时隙内，第二跳中继节点r_j到目标节点u₀之间的数据传输信噪比为

其中，P_TX,j是中继节点r_j的传输功率，G_j,0(t)是中继节点r_j到目标节点u₀之间的信道增益，ε_j,0(t)是第二跳传输过程中的电力设备电磁干扰功率；因此，根据香农公式，在第t个时隙内，第二跳中继节点r_j到目标节点u₀的传输速率为

因此，在第t个时隙内，第二跳中继节点r_j到目标节点u₀的传输时延为

步骤2，构建传输能耗模型；

节点传输能耗包括接收能耗及发送能耗；接收能耗指的是在接收数据过程中支撑设备处理数据信号所消耗的能量，表示为A_i(t)E_tra，E_tra是收发电路能耗系数，单位为nJ·bit^-1；发送能耗分为两部分，一部分是在发送数据过程中支撑设备处理数据信号所消耗的能量，表示为A_i(t)E_tra，另一部分用于发送数据过程中支撑射频功率放大器运作所消耗的能量，表示为传输功率和传输时延的乘积；

在第t个时隙内，源节点s_i到中继节点r_j、中继节点r_j到目标节点u₀的两跳传输总能耗表示为

其中，第一项、第二项分别是源节点s_i的发送能耗、中继节点r_j的接收能耗，即第一跳源节点s_i到中继节点r_j的传输能耗；第三项、第四项分别是中继节点r_j的发送能耗、目标节点u₀的接收能耗，即第二跳中继节点r_j到目标节点u₀的传输能耗；

步骤3，提出优化目标；

优化目标表示为

其中，约束条件C₁对选择指示变量为a_i,j,t的取值进行了定义；C₂和C₃保证了在每一个时隙内不产生选择冲突，即每个时隙内源节点最多选择一个中继节点进行数据转发，中继节点最多为一个源节点提供数据转发服务；

步骤4，优化问题的转化；

采用匹配理论中的单边匹配方法；假设源节点s_i与中继节点r_j匹配，表示为φ(s_i)＝r_j，即第t个时隙内源节点s_i选择中继节点r_j，此时a_i,j,t＝1；若源节点s_i没有和任何中继节点r_j进行匹配，表示为φ(s_i)＝s_i；

步骤5，基于UCB算法，依据优化目标P1，构建匹配理论中的偏好列表；源节点s_i∈Ss对各中继节点r_j∈Rs的匹配偏好值表示为

其中，是源节点s_i选择中继节点r_j导致的两跳传输总能耗E_i,j,t的经验样本均值估计；ω＞0表示对探索的偏好；k_i,j,t表示第t个时隙为止源节点s_i选择中继节点r_j的总次数，H_j表示为中继节点r_j的匹配成本，没有任何物理意义，一开始被设为零，当匹配成本越高，对中继节点的偏好值越低；表示第t个时隙为止的中继节点性能估计值；置信区间表示估计值的不确定度，随中继节点被选择次数的增加而减小，表示中继节点性能估计值逐渐接近实际期望值；k_i,j,t的更新式分别表示为

k_i,j,t＝k_i,j,t-1+a_i,j,t (11)

步骤6，中继选择并学习，具体子步骤如下：

(1)源节点s_i∈Ss对所有的中继节点r_j∈Rs的偏好列表表示为F_i，对所有的Q_i,j，t,降序排列即可得到源节点s_i的偏好列表F_i。对偏好列表F_i、匹配策略φ(s_i)、匹配成本H_j进行初始化；

(2)根据偏好列表F_i，所有源节点向最喜欢的中继节点提出匹配请求；定义Ω为收到超过一个匹配请求的中继节点r_j的集合；产生匹配冲突时，所有中继节点r_j∈Ω逐步提高其匹配成本，表示为

H_j＝H_j+ΔH_j (12)

其中，ΔH_j表示每一次提升匹配成本的大小；

根据最新的匹配成本，向中继节点r_j∈Ω发出了匹配请求的源节点更新其偏好列表F_i，并根据更新后的偏好列表，重新向最喜欢的中继节点发出匹配请求；

(3)直到所有中继节点收到的请求不超过一个，则中继节点与向其提出请求的源节点相匹配，并进行本轮传输。若源节点s_i的偏好列表F_i上所有中继节点均已经与其他源节点构造了匹配关系，设置φ(s_i)＝s_i，即该源节点没有与任意中继节点匹配，则该源节点监测数据传输任务暂缓，等待下一轮传输；

(4)基于本轮观察到的传输能耗E_i,j,t，网关根据公式(10)和公式(11)更新估值。