面向无线传感网的低复杂度低能耗选择协作方法研究

As a novel transmission technology, selection cooperation is suitable for applying in wireless sensor networks (WSNs) for its advantage of multi-user diversity. However, most selection cooperation schemes were not designed for WSN. Thus, with the purpose of meeting the cooperative transmission requirements of WSN, such as low complexity, energy efficiency, and so on, this project focuses on the selection cooperation schemes optimized for WSN. It consists of the following four parts: 1) The lightweight selection cooperation protocol with feedback and best relay selection methods for relay balance by considering the requirement of low complexity; 2) The low power selection cooperation scheme and best relay election method supporting sleep nodes based on event-driven characteristic and sensor relationship of WSN; 3) The energy-efficient selection cooperation scheme and relaying retransmission strategy using packet aggregation for WSN with small packets and high-efficient cooperative aggregation scheduling methods; 4) The selection cooperation experimental platform based on WSN to address the issue of test bed shortage for cooperative communication and verify the performances of the proposed cooperative schemes. The work in this project combines the cooperative communications and the WSN. It enhances the basic schemes and contributes to the application and development of selection cooperation in WSN.

作为一种新型传输技术，选择协作技术应用于无线传感网（WSN），能够有效发挥多用户分集的优势。但多数选择协作方法，并未针对WSN的特征进行专门设计。为了满足WSN对协作传输的低复杂度、低能耗等需求，本项目将对选择协作技术在WSN中的适配优化方法进行深入研究，主要内容包括：1）针对WSN的低复杂度需求，提出基于反馈的轻量级选择协作方法，设计均衡型中继选择策略；2）针对WSN的“事件驱动”特点，提出支持节点休眠的基于事件关联的低能耗选择协作方法与中继选择方案；3）针对以小数据包传输为主的WSN网络，提出基于包聚合的选择协作方法，研究和分析中继转发和包聚合策略，设计高效协作聚合调度方法；4）针对协作通信实验平台匮乏的问题，构建基于WSN的选择协作实验平台，并验证所提方法。本项目把协作通信与WSN密切结合起来，将完善选择协作技术的基本方法，有助于该技术在WSN中的应用和发展。

随着无线传感器网络的快速发展，其数据传输的可靠性和节能减耗成为关注的焦点。选择协作传输技术因其复杂度低、易于实施，天然适合应用于无线传感器网络。但通用的选择协作方法并未针对传感网络的特征进行专门设计和优化，无法取得较好的网络性能。本项目以无线传感器网络的高可靠性、低复杂度和低能耗需求为目标，探索了不同网络场景下的选择协作方法的设计和性能分析。本项目取得的主要成果如下：1）在能量受限的无线传感器网络中，提出了一种低复杂度的基于能量感知的选择协作方法来提升传输可靠性；同时，引进拍卖理论，提出了基于拍卖的中继选择策略和功率分配方法，来解决节点对资源的竞争和共享；对分簇网络，提出了基于反馈的两级选择协作传输方法来提高数据传输的可靠性；2）针对大规模无线传感器网络中数据包较小的特点，提出了多源多目标网络中基于包聚合的选择协作方法，分析验证了不同调度策略下系统的传输性能；并在等速率反馈下的无线工业传感网中提出四种数据包聚合方案，来提升系统的传输性能，改善系统的能量效率；3）在事件驱动的大规模无线传感器网络中，提出了基于事件驱动的动态分簇网络的协作传输方法，在保证数据传输可靠性的同时降低能耗；4）为解决无线传感器网络的持续供能问题，研究了太阳能能量采集和预测方法，提出了基于改进WCMA太阳能能量预测方法。在能量收集不均衡网络中，提出了基于能量互助的协作传输方法，推导了该场景下的系统中断概率，验证了方法的有效性；5）搭建了选择协作传输方法的仿真平台和实验平台，对选择协作传输方法进行了实现和验证。本项目的研究成果，发展和完善了选择协作传输技术应用在不同传感器网络中所面临的方法设计与性能分析等理论问题，有助于推动该技术在实际无线传感器网络中的应用，促进网络性能的提升和持续发展。