本发明属于协作通信的技术领域，具体涉及在能量受限的传感器网络中基于能量感知的选择协作方法和三种中继选择策略。
背景技术：
选择协作技术由于只需要通过单个中继协作就可以达到与分布式空时编码协议相同的传输性能，具有低复杂度、高可靠性的特点，因此，非常适合应用于无线传感器网络中。而无线传感器网络节点经常由能量有限的电池供电并投放到无法或不便补充能量的荒郊野外或危险环境。一旦节点能量不足或耗尽，就无法进行数据传输或协作，再好的协作方法都无法实施，网络的可靠性立刻受到影响。因此对选择协作的研究应逐步着眼于提高能量效率、减少能量消耗。
目前，在能量受限传感器网络中从能量角度研究选择协作方法和性能的成果很少。李敏等人提出了一种轻量级选择协作协议，显著降低了中继节点与目标节点之间的信息交互开销，减少能量消耗。但该方法依然假设中继节点能量充足，其重点在于减小信息交互，并未聚焦在节点能量上，没有考虑和分析能量对系统性能带来的负面影响。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于能量感知的选择协作方法和三种基于能量的中继选择方法，在提高整个网络传输可靠性的同时能够均衡网络能量消耗、延长网络生命周期。
本发明针对能量受限的传感器网络，提出了基于能量感知的选择协作方法，充分利用反馈机制和节点的能量感知功能，提高传输可靠性；在中继选择上将剩余能量和传输功率考虑进协作传输中，提出了三种最佳中继选择策略，包括：最大剩余能量策略、最小传输功率策略和最小能量消耗策略。相比于之前的中继选择方法，本发明考虑实际无线传感器网络能量受限的特点，从能量角度对最佳中继进行选择，使得最佳中继有充足的能量转发数据，各中继节点能量得到均衡，网络生命周期得以延长。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于能量感知的选择协作方法和中继选择方法，该方法包括以下步骤：
设网络中有一个源节点s、一个目的节点d、m个中继节点ri，i＝1,2,...m；各中继节点由容量有限的电池供电，无外界能量补给，且具有能量感知功能，能够及时感知自身能量的消耗和剩余情况；利用反馈机制和节点的能量感知功能，将节点的剩余能量和传输功率充分考虑进协作传输过程中用于提高传输可靠性；选择协作传输过程分为两阶段；第一阶段：直接传输；源节点s发送数据到目的节点d，同时各中继节点尝试接收并解码s发来的数据，解码成功的中继节点加入解码集d(s)；若源节点直接传输成功，目的节点返回确认ack帧，此轮数据传输结束；若直接传输失败，目的节点反馈否决nack帧，进入第二阶段；第二阶段：协作传输；d(s)中能够成功接收nack帧的中继节点继续加入有效集a(s)；为保证中继节点能顺利完成数据转发，需排除信道较好但能量不足的节点，有效集中剩余能量大于等于传输能量的中继节点进一步加入能量有效集e(s)，在e(s)中根据一定策略选择出最佳中继协助源节点转发数据到目的节点，完成此轮数据的协作传输。
进一步，在所述第二阶段中，一个中继节点到源节点和目的节点间的信道质量都很好，但能量不足，其仍然无法进行有效的数据转发；若能量也充足，可能会频繁的被选为最佳中继节点，其将比其他节点更快的耗尽自己的能量，过早退出网络；在中继节点的选择上，需考虑节点的剩余能量、传输能量以及中继节点间的均衡；从能量角度出发，将中继节点的剩余能量、传输功率考虑进选择协作协议中，在能量受限的条件下，提出三种基于能量感知的最佳中继选择策略：最大剩余能量策略、最小传输功率策略和最小能量消耗策略。
进一步，所述最大剩余能量策略为：在第二阶段的中继选择中，从中继节点剩余能量角度对最佳中继进行选择；具体方案是：从能量有效集e(s)中选取剩余能量最大的节点作为最佳中继节点进行数据转发。
进一步，所述最小传输功率策略为：在第二阶段的中继选择中，从中继节点传输功率角度对最佳中继进行选择；具体方案是：从能量有效集e(s)中选取传输功率最小的节点作为最佳中继节点。
进一步，所述最小能量消耗策略为：在第二阶段的中继选择中，从中继节点传输功率和剩余能量两个角度进行权衡，对最佳中继进行选取；具体方案是：定义传输功率和剩余能量的度量函数，从能量有效集e(s)中选择函数值最小的节点作为最佳中继节点，以获得最大的传输可靠性和最小能量消耗。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明考虑基于能量的中继选择方法：在中继节点的选择上，将节点的剩余能量、传输能量考虑进中继的选择中。在选择协作协议实施过程中，若中继节点能量不足，即使信道再好，仍然无法进行有效的数据转发；另一方面，若只根据信道质量进行中继选择，则信道质量好的节点可能会频繁当选，其能量将很快耗尽，缩短了网络的生命周期。同时，造成网络中能量消耗的不均衡。基于此，提出三种基于能量感知的最佳中继选择策略：最大剩余能量策略、最小传输功率策略以及最小能量消耗策略。
(2)本发明考虑节点剩余能量的中继选择方法：在中继节点集合e(s)中，选取节点剩余能量最大的当选为最佳中继节点，均衡各中继节点的能量消耗，避免单个节点过早的退出网络，影响系统的传输可靠性。
(3)本发明考虑节点传输功率的中继选择方法：在中继节点集合e(s)中，选取节点传输功率最小的当选为最佳中继节点，从而减少了由于传输功率过大带来的能量浪费，能够更加合理有效的使用能量，减少整个网络的能量消耗。
(4)本发明考虑节点传输功率和剩余能量的中继选择方法：在中继节点集合e(s)中，选取节点传输功率和剩余能量度量函数值最小的节点为最佳中继节点，从而能够得到最高的传输可靠性以及最少的能量消耗，最大限度的延长网络生命周期。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的基于能量感知的选择协作方法的通信流程图；(a)源节点发送数据给目的节点，解码成功的中继节点形成解码集；(b)直接传输成功，目的节点反馈ack帧；(c)直接传输失败，目的节点反馈nack帧；(d)解码集中能够成功接收到nack帧的中继节点形成有效集；(e)有效集中能量充足的节点形成能量有效集；(f)根据一定策略从能量有效集中选出最佳中继完成协作传输。
图2为本发明的基于能量感知的选择协作系统模型。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，为本发明的基于能量感知的选择协作方法的通信流程图；(a)源节点发送数据给目的节点，解码成功的中继节点形成解码集；(b)直接传输成功，目的节点反馈ack帧；(c)直接传输失败，目的节点反馈nack帧；(d)解码集中能够成功接收到nack帧的中继节点形成有效集；(e)有效集中能量充足的节点形成能量有效集；(f)根据一定策略从能量有效集中选出最佳中继完成协作传输。
在能量受限的无线传感器网络中，用于提高网络可靠性和延长网络生命周期的基于能量感知的选择协作方法和中继选择方法，设定该协作网络有一个源节点s，一个目的节点d，以及m个中继节点，分别表示为r1,r2,…,rm。在网络中，源节点和目的节点能量充足，中继节点采用容量有限的电池供电，能量有限且无补给。每个中继节点具有能量感知功能，对自身的能量和使用情况能及时感知。各信道相互独立且服从瑞利分布，s-d,s-ri,ri-rj,ri-d之间的信道用αs,d,
每个中继节点初始能量为ci。假设每个中继节点配备的电池处于理想状态，即只在数据收发时消耗一定的能量，其他时候无能量消耗，则中继节点的能量消耗表现在如下两方面：①接收源节点发来的信息并进行解码；②转发源节点信息到目的节点。各中继节点均具有能量感知功能并且中继节点的能量以轮次为周期进行更新。单个中继节点ri在n+1时刻的剩余能量表示为：
其中，
如图2所示，为本发明的基于能量感知的选择协作系统模型，基于能量感知的选择协作方法的实施过程如下：
步骤一(直接传输)：源节点向目的节点发送信息，目的节点和中继节点都尝试接收并解码。如果目的节点解码成功，则反馈ack帧，本轮传输结束，开始下一轮传输。如果目的节点解码失败，则反馈nack帧，直接传输失败，启动协作传输，执行步骤二。
步骤二(最佳中继选择)：在步骤一中能够成功解码源节点信息的中继节点形成解码集d(s)，解码集中能够正确解码nack帧的节点继续加入有效集a(s)。有效集中剩余能量大于等于传输功率的节点进一步加入能量有效集e(s)。这表明e(s)中的任何中继节点既具有良好的信道质量又有充足的能量。从e(s)中按照一定策略选出最佳中继节点，执行步骤三。
步骤三(协作传输)：最佳中继节点将从源节点收到的信息转发给目的节点。
最佳中继的选择可采用本发明的三种中继选择策略进行。
①最大剩余能量策略(maximumresidualenergystrategymre)：选取中继节点剩余能量ei最大的节点作为最佳中继节点。该方法可以最大限度的保证中继节点有足够的能量完成协作转发任务，并均衡各中继节点间的剩余能量，避免单个节点过早退出网络。
其中，ei为第i个中继节点在当前时刻的剩余能量。
②最小传输功率策略(minimumtransmissionpowerstrategymtp)：选取中继节点传输功率pi最小的节点作为最佳中继节点。该方法可以减少由传输功率造成的能量浪费。
其中，pi为第i个中继节点当前时刻的传输功率。
③最小能耗策略(minimumenergyconsumptionstrategymec)：定义度量函数metric(ei,pi)，选择metric(ei,pi)值最小的节点作为最佳中继节点，以获得最大的传输可靠性和最小能量消耗。
其中，
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。