本发明属于协作通信领域，涉及一种多源多目标网络下基于包聚合的选择协作方法。
背景技术
选择协作通信作为单中继协作技术中的一个重要分支，一直是协作通信领域的研究热点。其基本思想是选出一个最佳中继执行协作转发任务，无需全部中继参与协作传输过程，因此具有高可靠性、低复杂度的特点，非常适合应用到无线传感器网络中。目前，已有一些针对选择协作技术的相关研究，主要集中在对选择协作性能的推导和分析及在不同网络场景下的应用，如：单源单目标网络、多源单目标网络、多源多目标(源、目标节点一一对应)网络等。有研究分析rayleigh衰落下的单中继选择方案的性能，也有为集中式网络和分布式网络提出多种中继选择的方案。
然而，上述研究都是针对特定的网络场景，对实际中广泛存在的通用的m个源节点n个目标节点(m>n)的无线传感器网络鲜有研究，也未针对无线传感器网络中数据包较小的特点进行协议设计和优化。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多源多目标网络下基于包聚合的选择协作方法，在提高系统可靠性的同时，降低网络的能量消耗，提升频谱利用率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
多源多目标网络下基于包聚合的选择协作方法，该方法包括以下步骤：
设网络中有m个源节点si(i＝1,...,m)和n个目标节点dk(k＝1,...,n)，m＞n，网络无需设置专门的中继节点，具有相同目标节点的源节点间互相协作。在协作过程中，针对数据包较小的特点，实施包聚合策略。数据传输过程分为两个阶段。第一阶段：直接传输。每轮数据发送前，进行tdma调度，获取源节点的传输顺序，根据调度结果，各源节点依次在自身时隙发送数据给各自的目标节点，如：节点si发送数据给自己的目标节点dk，同时，与其有相同目标节点的源节点接收数据并尝试解码，解码成功的源节点加入解码集d(si)，若数据传输成功，目标节点返回确认(ack)帧，解码集d(si)中的源节点在各自缓存中删除该数据包，此源节点数据传输结束，轮到下一个源节点发送数据；若数据接收失败，目标节点反馈否决(nack)帧，d(si)中能够成功接收nack帧的节点进一步加入有效集a(si)，若a(si)为空，表示没有其他源节点能正确解码si发送的数据，则产生中断；若a(si)不为空，则根据一定策略在a(si)中选出最佳中继bi，进入第二阶段。第二阶段：聚合传输。在最佳中继bi的传输时隙，bi将自身数据与从si接收到的数据进行聚合，并将聚合后的数据发往目标节点dk，完成此次数据传输。
进一步，在具有相同目标节点的源节点间互相协作时，构建源目节点间的关联矩阵，具体方案是：构建一个m×n的关联矩阵r，r中的每个元素rik表示源节点i与目标节点k之间的对应关系，若k是源节点i的目标节点，则rik为1，否则，rik为0，r与rik分别表示为：
每个目标节点对应关联矩阵中的一列，每一列中元素值为1的节点间互相协作，元素值为0的节点无需进行解码，不参与协作。通过构建源目节点间的关联矩阵，将m×n的多源多目标网络转换为n个多源单目标网络，对多源单目标网络实施选择协作通信。
进一步，在所述第一阶段中，每轮数据发送之前，进行tdma调度，获取源节点的传输顺序。具体方案是：采用三种tdma调度方案，分别为：固定调度、随机调度、自适应调度。固定调度是指在整个数据传输过程中，源节点的传输顺序始终不变，按源节点序号1、2、…、n进行。随机调度是指每轮中源节点的传输顺序随机生成，每轮数据传输中，各源节点的顺序不一定相同。自适应调度是指每轮数据传输结束后，目标节点根据前一轮信道质量的好坏对源节点进行排序，信道质量最差的源节点排在最前，最好的排在最后，下一轮数据传输前，目标节点广播传输顺序，排在前面的源节点优先传输。
进一步，所述第一阶段中最佳中继的选择可在有效集a(si)中根据优化目标进行二次筛选，挑选出符合要求的最佳中继。最佳中继选择策略为：进入有效集a(si)中的每个中继都具有与源节点和目标节点间较好的信道质量，可承担其自身数据和协作数据的发送，因此均可当选为最佳中继。因此，若有效集中有多个最佳中继可选，则可根据最佳信道质量、节点的最大剩余能量、最少中继当选次数等指标挑选中继，以便实现网络的多目标优化。
所述最佳信道质量中继选择策略为：在第一阶段中继选择中，从源目节点间的瞬时信道质量角度对最佳中继进行选择，即从有效集a(si)中选取与目标节点瞬时信道值最大的源节点作为最佳中继节点。该方法能最大限度的保证数据的可靠传输。
所述最大剩余能量中继选择策略为：在第一阶段中继选择中，从源节点剩余能量角度对最佳中继进行选择，即从有效集a(si)中选取剩余能量最大的源节点作为最佳中继节点进行数据转发。该方法能均衡源节点的能量消耗，避免某些节点频繁当选，能量快速耗尽。
所述最少中继当选次数中继选择策略为：在第一阶段中继选择中，从源节点被当选中继节点的次数的角度进行选择，即有效集a(si)中被当选次数最少的节点优先选为最佳中继。该方法能保证中继当选的相对公平，使得网络的资源能被公平的使用。
进一步，在所述第二阶段聚合传输中，根据网络中源节点发送的数据包较小的特点，各源节点在发送自身数据的同时按照一定的策略聚合一个数据包，将其发往同一目标节点。当有多个数据包等待聚合时，聚合包的选择策略有：随机聚合、先到先聚合、聚合次数多的先聚合。具体方案为：随机聚合是指从待聚合包中随机选择一个数据包进行聚合；先到先聚合是指优先聚合最早接收的数据包；聚合次数多的先聚合是指挑选之前聚合次数最多但为发送成功的数据包进行聚合。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明考虑到现实中大量真实存在的多源多目标无线传感器网络，通过在源目节点之间构建关联矩阵，将多源多目标网络转换成多个多源单目标网络，在多源单目标无线传感器网络中实施选择协作通信。
(2)本发明考虑到源节点的传输顺序对各节点的传输性能有较大影响，在数据发送前，对源节点的传输时隙进行了调度，提出了三种调度方案：固定调度、随机调度、自适应调度，以改善或均衡各节点的传输性能。
(3)本发明考虑最佳中继选择策略为：有效集a(si)中存在多个最佳中继节时，可按最佳信道质量、节点最大剩余能量、最少当选次数等指标来对中继进行二次选择，以实现系统的多目标优化。
(4)本发明考虑无线传感器网络数据包较小的特点，在选择协作通信中实施包聚合策略，并提出三种聚合方案：随机聚合、先到先聚合、聚合次数多的先聚合，使具有相同目标节点的源节点间互相协作，在进行自身数据传输的同时实施协作传输，降低了系统能耗，提高了系统频谱利用率。
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是本发明实施例所述的多源多目标网络下基于包聚合的选择协作系统模型；
图2是本发明实施例所述的运用关联矩阵将多源多目标网络分解为多个多源单目标网络的示意图；
图3是本发明实施例所述的多源单目标网络下基于包聚合的选择协作方法的通信流程；
图3(a)表示：源节点si发送数据给自己的目标节点dk，与其有相同目标节点能成功解码的后续源节点加入解码集d(si)；
图3(b)表示：数据发送成功，目标节点dk反馈ack帧；
图3(c)表示：数据发送失败，目标节点dk反馈nack帧，解码集中能成功接收到nack的源节点加入有效集a(si)，根据中继选择策略进一步选出最佳中继bi；
图3(d)表示：在最佳中继bi(此图中si+3为最佳中继)传输时隙，将自身数据与从接收到的数据聚合后发往目标节点dk。
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，为本发明的多源多目标网络下基于包聚合的选择协作系统模型。
在实际的无线传感器网络中，用于提高传输可靠性和节能提速的多源多目标网络下基于包聚合的选择协作方法，设网络有m个源节点分别表示为s1,s2,…,sm，和n个目标节点，分别表示为d1,d2,…,dn，具有相同目标节点的各源节点间相互协作。各个信道间相互独立且服从rayleigh分布，源节点si(i＝1,2,…,m)与目标节点dk(k＝1,2,…,n)间的瞬时信道增益表示为
如图2所示，为本发明的运用关联矩阵将多源多目标网络分解为多个多源单目标网络的示意图。具体方案如下：
在具有相同目标节点的源节点间互相协作时，构建源目节点间的关联矩阵，即：构建一个m×n的关联矩阵r，r中的每个元素rik表示源节点i与目标节点k之间的对应关系，若k是源节点i的目标节点，则rik为1，否则，rik为0。每个目标节点对应关联矩阵中的一列，每一列中元素值为1的节点间互相协作，元素值为0的节点无需进行解码，不参与协作。通过构建源目节点间的关联矩阵，将m×n的多源多目标网络转换为n个多源单目标网络，对多源单目标网络实施选择协作通信。图2中黑色的源节点表示当前目标节点对应的源节点，它们对应同一个目标节点，彼此间能相互协作，进行数据的聚合转发；灰色的源节点表示其不是当前目标节点对应的源节点，无需参与当前目标节点所对应的源节点间的协作。
图3(a)-(d)为本发明的多源单目标网络下基于包聚合的选择协作方法的通信流程图。其实施过程如下：
在数据传输之前，进行tdma调度，获取源节点的传输顺序。在协作过程中，针对数据包较小的特点，实施包聚合策略。数据传输过程分为两个阶段。第一阶段：直接传输。根据调度结果，各源节点依次在自身时隙发送数据给各自的目标节点，如：如图3(a)所示，节点si发送数据给自己的目标节点dk。同时，与其有相同目标节点的源节点接收数据并尝试解码，解码成功的源节点加入解码集d(si)。如图3(b)所示，若数据传输成功，目标节点返回ack帧，解码集d(si)中的源节点在各自缓存中删除该数据包，此源节点数据传输结束，轮到下一个源节点发送数据。如图3(c)所示，若数据接收失败，目标节点反馈nack帧，d(si)中能够成功接收nack帧的节点进一步加入有效集a(si)，若a(si)为空，表示没有其他源节点能正确解码si发送的数据，则产生中断；若a(si)不为空，则根据一定策略在a(si)中选出最佳中继bi，进入第二阶段。第二阶段：聚合传输。如图3(d)所示，在最佳中继bi的传输时隙，bi将自身数据与从si接收到的数据进行聚合，并将聚合后的数据发往目标节点dk，完成此次数据传输。
tdma调度可采用本发明的三种调度方案进行。
①固定调度：指在整个数据传输过程中，源节点的传输顺序始终不变，按源节点序号1、2、…、m进行。
②随机调度：指每轮中源节点的传输顺序随机生成，每轮数据传输中，各源节点的顺序不一定相同。
③自适应调度：指每轮数据传输结束后，目标节点根据前一轮信道质量的好坏对源节点进行排序，信道质量最差的源节点排在最前，最好的排在最后，下一轮数据传输前，目标节点广播传输顺序，排在前面的源节点优先传输。
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最佳信道质量中继选择策略：从有效集a(si)中选取与目标节点瞬时信道值最大的源节点作为最佳中继节点。该方法能最大限度的保证数据的可靠传输。
②最大剩余能量中继选择策略：有效集a(si)中选取剩余能量最大的源节点作为最佳中继节点进行数据转发。该方法能均衡源节点的能量消耗，避免某些节点频繁当选，能量快速耗尽。
③最少中继当选次数中继选择策略：有效集a(si)中被当选次数最少的节点优先选为最佳中继。该方法能保证中继当选的相对公平，使得网络的资源能被公平的使用。
最佳中继进行数据包聚合时，当有多个数据包等待聚合，聚合包的选择策略采用本发明的三种聚合方案进行。
①随机聚合：从待聚合包中随机选择一个聚合形成聚合包以后一起发送到目标节点。
②先到先聚合：从待聚合数据包中优先选择最早接收到的数据包形成聚合包发送到目标节点。
③聚合次数多的先聚合：从待聚合数据包中优先选择聚合次数最多的数据包进行聚合形成聚合包发送到目标节点。
最后需要说明的是，上述的实施例为本发明较好的实施方式，但不受该实施方式的限制，任何其他未脱离本发明方案宗旨和范围的替换，简化等修改，都应涵盖在本发明保护范围之内。