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龙图腾网恭喜哈尔滨工业大学(威海)申请的专利中继辅助的水下传感器网络模式选择与资源分配方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN115278691B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-05-13发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202210695091.X，技术领域涉及：H04W16/10；该发明授权中继辅助的水下传感器网络模式选择与资源分配方法是由马若飞;王瑞松;刘功亮;康文静设计研发完成，并于2022-06-20向国家知识产权局提交的专利申请。

本中继辅助的水下传感器网络模式选择与资源分配方法在说明书摘要公布了：本发明涉及水下传感器网络中继资源分配技术领域，具体的说一种中继辅助的水下传感器网络模式选择与资源分配方法，中继辅助的水下传感网络由汇聚节点SN和水下传感器节点USN组成，其中，USN随机地部署在海里以感知必要的信息，而SN通常部署在海面上，用来收集所有水下传感节点感知的信息，为了避免干扰，采用时分多址的方式将整个收集周期均匀地划分为多个时隙，在每个时隙中，USN可以利用声信号向SN发送相应的信息，如果采用直接传输，远离SN的用户节点会比靠近SN的用户节点消耗更多的能量，导致节点能量不平衡和网络寿命降低，进一步考虑通过放大和转发协议的中继传输模式，用户网络不仅可以传输自己的信息，还可以充当中继来帮助其他用户网络。

本发明授权中继辅助的水下传感器网络模式选择与资源分配方法在权利要求书中公布了：1.一种中继辅助的水下传感器网络模式选择与资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立中继辅助的水下传感网络模型，系统由汇聚节点SN和水下传感器节点USN组成，其中，USN随机地部署在海里以感知信息，而SN部署在海面上，用来收集所有水下传感节点感知的信息，采用时分多址TDMA的方式将整个收集周期均匀地划分为多个时隙，在每个时隙中，USN利用声信号向SN发送相应的信息，在中继传输模式下，USN只需要将信号传输到较近的中继节点而不是远处的SN，然后中继节点将放大的信号转发给SN，其中定义作为USN的集合，其中M是USN的总数，总的收集周期假设为T，每个时隙的长度相应地为ΔT＝TM，网络采用的带宽表示为B，中心载波频率为f；水声信号的衰减取决于中心载波频率和传感器节点之间的通信距离，采用Urick模型来模拟水声信号衰减，则衰减表示为： 其中d是传感器节点之间的通信距离，λ是一个常数并且取值范围在1和2之间，αf表示吸收系数，它是关于载波频率的函数，通过应用Thorp经验公式，吸收系数αf给出如下： 根据Thorp经验公式，水下声通信的噪声受湍流N1f、海浪N2f、风N3f和热噪声N4f的影响单位为分贝帕赫兹，总噪声Nf是这些元素的总和:Nf＝N1f+N2f+N3f+N4f3具体地，每个分量的计算公式如下所示：10logN1f＝17-30logf410logN2f＝40+20s-0.5+26logf-60logf+0.035 10logN4f＝-15+20logf7其中，s代表运输活动系数，该系数介于0和1之间，w代表风速，单位为米秒；下面给出声电信号单位转换公式， 在直接传输模式下，SN将直接接收来自第m个USN的信号，其形式为： 其中并且表示SN与第m个USN的距离；pm表示第m个USN的发射功率，为SN要重构的信号，表示信号噪声，然后，SN接收的总数据量表示为： 其中hm＝HmBNf，表示实际的传输时间；在中继传输模式下，传输过程分为两个阶段，在第一阶段，第m个USN向中继节点而不是SN发送其信号，如果选择第n个USN作为中继，则它从第m个USN接收相应的信号为： 其中Gm,n＝1Adm,n,f并且dm,n表示第n个USN与第m个USN的距离，表示信号噪声，第m个USN接收的总数据量表示为： 其中gm,n＝Gm,nBNf，第二阶段，第n个USN将接收到的信号放大后转发给SN，然后，SN从第n个USN接收到相应的信号， 然后，SN接收的总数据量计算为 其中Tm,n和qm,n分别表示第n个USN用来辅助第m个USN的实际传输时间和传输功率，由于传输过程分为两个阶段，SN接收到的最终数据量取决于两条链路的最小值，也就是步骤2：根据步骤1中建立的系统模型可知USN有两种模式可供选择:中继传输模式和直接传输模式，定义了一个二进制变量am,n∈{0,1}来表示中继选择和模式选择，am,n＝1表示第n个USN作为第m个USN的中继，如果不是，am,n＝0，对于特殊情况m＝n，am,m＝1表示第m个USN选择直接传输模式，那么，第k个收集周期中第m个USN的剩余能量表示为： 右边第二项表示第m个USN传输自身信息所需的能耗，第三项是指担任中继而导致的能耗，由于传播延迟长，实际传输时间取决于通信距离，对于直接传输模式，第m个USN的实际传输时间计算为 其中v表示声速，对于中继传输模式并且假设第n个USN作为中继，第m个USN的实际传输时间表示为 一旦第一个USN耗尽能量，网络就会被视为失效，因此，网络生命周期被定义为网络失效之前的数据收集轮数，传输时间变量与功率分配变量和最终的优化问题表示如下： 在这个优化问题中，C1表示每个USN必须在中继传输模式和直接传输模式之间进行选择，另外，如果选择中继传输模式，只能选择一个中继节点，C2表示一个USN只有在自己的数据采用直接传输时，才可以担任另一个USN的中继，C3和C4表示无论是中继传输模式还是直接传输模式，所有的用户网络都可以成功地传输它们感测到的数据量，C5和C6表示实际传输时间受限于给定的时隙长度，C7和C8确保每个USN的传输功率小于最大传输功率，C9保证实际传输时间是非负的，C10表示am,n是二进制变量；步骤3：确定优化的资源分配策略：对于中继模式，优化问题18被重新表述为非凸问题，应用拉格朗日对偶分解方法来获得最优解，具体为：假设已经给出了模式选择和中继选择结果，将该组用户网络分为三个子集，即采用直接传输模式的USN、中继传输模式的USN和充当中继的USN，具体来说，我们令表示充当中继的USN的集合，其中s是中继的数量，因此，由中继ri协助的USN组成的集合被表示为将直接传输模式的用户网络集合表示为分析所有用户网络的能耗，并找到最优的资源分配策略：对于直接传输模式的USN，USN之间不会因为时分多址帧的应用而产生干扰，然后，优化问题18可以根据每个分成许多子问题，然后，子问题表示为根据公式10，约束19.C1等价于另外，注意在第k轮数据采集开始之前，USN的剩余能量是已知的，因此，优化问题19转化为以下形式： 对于的导数，它总是负的，量消耗函数随着传输时间增大而减小，因此，最优解是对于采用中继传输模式的USN，能耗由USN和中继共同决定，同一中继可能辅助多个USN，这意味着它们将争夺中继的资源，然而，由于它们的时隙是独立的，所以它们之间不存在干扰，根据优化问题18，相应每个中继的优化问题写成 因为中继选择结果已经给出，所以能耗和表示为 由于约束21.C1和21.C2的非凸性，对于优化问题21的最优解而言总是成立即为定理1；因此，可以作为优化问题21的额外约束，为了进一步处理非凸约束21.C1和21.C2，还需要借助下面的定理：对于问题21的最优解，约束21.C1-21.C3总是以等式成立；据此，做如下变量代换： 其中，然后，根据定理1和公式28，约束21.C3等价于Tc2≤Tm,r≤Tc29，原始优化问题21重写为 通过引入辅助变量，问题30等价地转化为 为了进一步处理问题31，优化问题31等价于下面的凸优化问题： 其中，且由于优化问题41的凸性，原始问题和对偶问题之间的对偶间隙为零，因此，拉格朗日对偶分解方法被应用于解决优化问题41，拉格朗日函数可以写成 其中和μ是对应于约束41.C1和41.C2的拉格朗日乘子，然后对偶函数表示为 对于给定的拉格朗日乘子和μ，问题43相当于解决以下两个优化问题： 始终成立，因此，对于优化问题s是任意非负数，问题是一维凸优化问题；对偶问题如下所示： 对偶问题46通过次梯度方法来解决，其中次梯度被定义为：然后，拉格朗日乘数的更新规则被给出如下： 其中ρk和τk是第k次迭代的步长。

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