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龍圖騰網恭喜哈爾濱工業大學(威海)申請的專利中繼輔助的水下傳感器網絡模式選擇與資源分配方法獲國家發明授權專利權，本發明授權專利權由國家知識產權局授予，授權公告號為：CN115278691B 。

龍圖騰網通過國家知識產權局官網在2025-05-13發布的發明授權授權公告中獲悉：該發明授權的專利申請號/專利號為：202210695091.X，技術領域涉及：H04W16/10；該發明授權中繼輔助的水下傳感器網絡模式選擇與資源分配方法是由馬若飛;王瑞松;劉功亮;康文靜設計研發完成，并于2022-06-20向國家知識產權局提交的專利申請。

本中繼輔助的水下傳感器網絡模式選擇與資源分配方法在說明書摘要公布了：本發明涉及水下傳感器網絡中繼資源分配技術領域，具體的說一種中繼輔助的水下傳感器網絡模式選擇與資源分配方法，中繼輔助的水下傳感網絡由匯聚節點SN和水下傳感器節點USN組成，其中，USN隨機地部署在海里以感知必要的信息，而SN通常部署在海面上，用來收集所有水下傳感節點感知的信息，為了避免干擾，采用時分多址的方式將整個收集周期均勻地劃分為多個時隙，在每個時隙中，USN可以利用聲信號向SN發送相應的信息，如果采用直接傳輸，遠離SN的用戶節點會比靠近SN的用戶節點消耗更多的能量，導致節點能量不平衡和網絡壽命降低，進一步考慮通過放大和轉發協議的中繼傳輸模式，用戶網絡不僅可以傳輸自己的信息，還可以充當中繼來幫助其他用戶網絡。

本發明授權中繼輔助的水下傳感器網絡模式選擇與資源分配方法在權利要求書中公布了：1.一種中繼輔助的水下傳感器網絡模式選擇與資源分配方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：建立中繼輔助的水下傳感網絡模型，系統由匯聚節點SN和水下傳感器節點USN組成，其中，USN隨機地部署在海里以感知信息，而SN部署在海面上，用來收集所有水下傳感節點感知的信息，采用時分多址TDMA的方式將整個收集周期均勻地劃分為多個時隙，在每個時隙中，USN利用聲信號向SN發送相應的信息，在中繼傳輸模式下，USN只需要將信號傳輸到較近的中繼節點而不是遠處的SN，然后中繼節點將放大的信號轉發給SN，其中定義作為USN的集合，其中M是USN的總數，總的收集周期假設為T，每個時隙的長度相應地為ΔT＝TM，網絡采用的帶寬表示為B，中心載波頻率為f；水聲信號的衰減取決于中心載波頻率和傳感器節點之間的通信距離，采用Urick模型來模擬水聲信號衰減，則衰減表示為： 其中d是傳感器節點之間的通信距離，λ是一個常數并且取值范圍在1和2之間，αf表示吸收系數，它是關于載波頻率的函數，通過應用Thorp經驗公式，吸收系數αf給出如下： 根據Thorp經驗公式，水下聲通信的噪聲受湍流N1f、海浪N2f、風N3f和熱噪聲N4f的影響單位為分貝帕赫茲，總噪聲Nf是這些元素的總和:Nf＝N1f+N2f+N3f+N4f3具體地，每個分量的計算公式如下所示：10logN1f＝17-30logf410logN2f＝40+20s-0.5+26logf-60logf+0.035 10logN4f＝-15+20logf7其中，s代表運輸活動系數，該系數介于0和1之間，w代表風速，單位為米秒；下面給出聲電信號單位轉換公式， 在直接傳輸模式下，SN將直接接收來自第m個USN的信號，其形式為： 其中并且表示SN與第m個USN的距離；pm表示第m個USN的發射功率，為SN要重構的信號，表示信號噪聲，然后，SN接收的總數據量表示為： 其中hm＝HmBNf，表示實際的傳輸時間；在中繼傳輸模式下，傳輸過程分為兩個階段，在第一階段，第m個USN向中繼節點而不是SN發送其信號，如果選擇第n個USN作為中繼，則它從第m個USN接收相應的信號為： 其中Gm,n＝1Adm,n,f并且dm,n表示第n個USN與第m個USN的距離，表示信號噪聲，第m個USN接收的總數據量表示為： 其中gm,n＝Gm,nBNf，第二階段，第n個USN將接收到的信號放大后轉發給SN，然后，SN從第n個USN接收到相應的信號， 然后，SN接收的總數據量計算為 其中Tm,n和qm,n分別表示第n個USN用來輔助第m個USN的實際傳輸時間和傳輸功率，由于傳輸過程分為兩個階段，SN接收到的最終數據量取決于兩條鏈路的最小值，也就是步驟2：根據步驟1中建立的系統模型可知USN有兩種模式可供選擇:中繼傳輸模式和直接傳輸模式，定義了一個二進制變量am,n∈{0,1}來表示中繼選擇和模式選擇，am,n＝1表示第n個USN作為第m個USN的中繼，如果不是，am,n＝0，對于特殊情況m＝n，am,m＝1表示第m個USN選擇直接傳輸模式，那么，第k個收集周期中第m個USN的剩余能量表示為： 右邊第二項表示第m個USN傳輸自身信息所需的能耗，第三項是指擔任中繼而導致的能耗，由于傳播延遲長，實際傳輸時間取決于通信距離，對于直接傳輸模式，第m個USN的實際傳輸時間計算為 其中v表示聲速，對于中繼傳輸模式并且假設第n個USN作為中繼，第m個USN的實際傳輸時間表示為 一旦第一個USN耗盡能量，網絡就會被視為失效，因此，網絡生命周期被定義為網絡失效之前的數據收集輪數，傳輸時間變量與功率分配變量和最終的優化問題表示如下： 在這個優化問題中，C1表示每個USN必須在中繼傳輸模式和直接傳輸模式之間進行選擇，另外，如果選擇中繼傳輸模式，只能選擇一個中繼節點，C2表示一個USN只有在自己的數據采用直接傳輸時，才可以擔任另一個USN的中繼，C3和C4表示無論是中繼傳輸模式還是直接傳輸模式，所有的用戶網絡都可以成功地傳輸它們感測到的數據量，C5和C6表示實際傳輸時間受限于給定的時隙長度，C7和C8確保每個USN的傳輸功率小于最大傳輸功率，C9保證實際傳輸時間是非負的，C10表示am,n是二進制變量；步驟3：確定優化的資源分配策略：對于中繼模式，優化問題18被重新表述為非凸問題，應用拉格朗日對偶分解方法來獲得最優解，具體為：假設已經給出了模式選擇和中繼選擇結果，將該組用戶網絡分為三個子集，即采用直接傳輸模式的USN、中繼傳輸模式的USN和充當中繼的USN，具體來說，我們令表示充當中繼的USN的集合，其中s是中繼的數量，因此，由中繼ri協助的USN組成的集合被表示為將直接傳輸模式的用戶網絡集合表示為分析所有用戶網絡的能耗，并找到最優的資源分配策略：對于直接傳輸模式的USN，USN之間不會因為時分多址幀的應用而產生干擾，然后，優化問題18可以根據每個分成許多子問題，然后，子問題表示為根據公式10，約束19.C1等價于另外，注意在第k輪數據采集開始之前，USN的剩余能量是已知的，因此，優化問題19轉化為以下形式： 對于的導數，它總是負的，量消耗函數隨著傳輸時間增大而減小，因此，最優解是對于采用中繼傳輸模式的USN，能耗由USN和中繼共同決定，同一中繼可能輔助多個USN，這意味著它們將爭奪中繼的資源，然而，由于它們的時隙是獨立的，所以它們之間不存在干擾，根據優化問題18，相應每個中繼的優化問題寫成 因為中繼選擇結果已經給出，所以能耗和表示為 由于約束21.C1和21.C2的非凸性，對于優化問題21的最優解而言總是成立即為定理1；因此，可以作為優化問題21的額外約束，為了進一步處理非凸約束21.C1和21.C2，還需要借助下面的定理：對于問題21的最優解，約束21.C1-21.C3總是以等式成立；據此，做如下變量代換： 其中，然后，根據定理1和公式28，約束21.C3等價于Tc2≤Tm,r≤Tc29，原始優化問題21重寫為 通過引入輔助變量，問題30等價地轉化為 為了進一步處理問題31，優化問題31等價于下面的凸優化問題： 其中，且由于優化問題41的凸性，原始問題和對偶問題之間的對偶間隙為零，因此，拉格朗日對偶分解方法被應用于解決優化問題41，拉格朗日函數可以寫成 其中和μ是對應于約束41.C1和41.C2的拉格朗日乘子，然后對偶函數表示為 對于給定的拉格朗日乘子和μ，問題43相當于解決以下兩個優化問題： 始終成立，因此，對于優化問題s是任意非負數，問題是一維凸優化問題；對偶問題如下所示： 對偶問題46通過次梯度方法來解決，其中次梯度被定義為：然后，拉格朗日乘數的更新規則被給出如下： 其中ρk和τk是第k次迭代的步長。

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