異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下高能效多中繼選擇算法的深度剖析與仿真實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)。從早期的語(yǔ)音通信到如今的高清視頻流傳輸、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）應(yīng)用、智能交通、工業(yè)自動(dòng)化等，各種新型業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能提出了更高的要求，包括更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲、更大的覆蓋范圍以及更強(qiáng)的可靠性。單一的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已難以滿足這些多樣化的需求，異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是由多種不同類型的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)可以包括無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、無(wú)線廣域網(wǎng)（WWAN）、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）等。各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)依據(jù)其覆蓋范圍、傳輸速率、功耗和應(yīng)用場(chǎng)景等因素，在不同層次進(jìn)行優(yōu)化和組合，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。例如，無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN），如常見的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，在室內(nèi)環(huán)境中能夠提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于短距離內(nèi)的高速數(shù)據(jù)傳輸，滿足用戶瀏覽網(wǎng)頁(yè)、觀看高清視頻等需求；而無(wú)線廣域網(wǎng)（WWAN），像3G、4G、5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，則具備廣泛的覆蓋范圍，可確保用戶在移動(dòng)過(guò)程中保持網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的通信。藍(lán)牙技術(shù)常用于連接個(gè)人設(shè)備，如手機(jī)與耳機(jī)、手環(huán)等，構(gòu)建無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN），以低功耗和便捷的連接方式滿足短距離設(shè)備間的通信需求。這些不同類型的網(wǎng)絡(luò)在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中相互協(xié)作，共同為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，中繼技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。由于無(wú)線信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到路徑損耗、陰影衰落和多徑效應(yīng)等因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱，通信質(zhì)量下降。中繼節(jié)點(diǎn)的引入能夠有效地解決這一問(wèn)題，它可以接收來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后再轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，從而擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍，增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或信號(hào)覆蓋較弱的區(qū)域，通過(guò)部署中繼節(jié)點(diǎn)，可以使原本無(wú)法接收到信號(hào)的用戶獲得穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。然而，在實(shí)際的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通常存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)可供選擇，如何從這些節(jié)點(diǎn)中選擇出最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的最大化，成為了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。不同的中繼節(jié)點(diǎn)在信號(hào)質(zhì)量、傳輸能力、能量消耗等方面存在差異，選擇不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸效率低下、能耗增加等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著全球?qū)?jié)能減排的關(guān)注度不斷提高，高能效成為了無(wú)線通信領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)之一。在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，大量的基站、中繼節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備持續(xù)消耗著大量的能源，這不僅增加了運(yùn)營(yíng)成本，也對(duì)環(huán)境造成了一定的壓力。因此，研究高能效的多中繼選擇算法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。一方面，通過(guò)優(yōu)化中繼選擇算法，可以在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下，降低中繼節(jié)點(diǎn)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，提高能源利用效率。例如，選擇能量效率高的中繼節(jié)點(diǎn)，避免使用那些能耗過(guò)大但傳輸效果不佳的節(jié)點(diǎn)，從而減少不必要的能源浪費(fèi)。另一方面，高能效的多中繼選擇算法有助于推動(dòng)通信行業(yè)朝著綠色可持續(xù)方向發(fā)展，符合時(shí)代的發(fā)展需求。在5G乃至未來(lái)的6G通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量眾多，對(duì)能源效率的要求也更為嚴(yán)格。通過(guò)研究和應(yīng)用高能效多中繼選擇算法，可以為新一代通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展提供有力的技術(shù)支持，提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能和競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，這也能為用戶帶來(lái)更加穩(wěn)定、高效且綠色環(huán)保的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的通信需求。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多中繼選擇算法的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列成果。國(guó)外方面，早期研究主要聚焦于基本的中繼選擇策略。例如，最大信噪比（MaximumSignaltoNoiseRatio，MSNR）算法，該算法依據(jù)接收信號(hào)的信噪比大小來(lái)選擇中繼節(jié)點(diǎn)，選擇其中噪聲最小的信號(hào)作為中繼信號(hào)。在一個(gè)簡(jiǎn)單的三節(jié)點(diǎn)無(wú)線中繼通信系統(tǒng)中，源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，中間存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，MSNR算法會(huì)對(duì)每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收到的源節(jié)點(diǎn)信號(hào)的信噪比進(jìn)行計(jì)算，然后選擇信噪比最大的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這樣可以在一定程度上保證接收信號(hào)的質(zhì)量。然而，這種算法僅僅基于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)物理參數(shù)，缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能優(yōu)化的考慮，在大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，其效果不佳，無(wú)法有效平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、提升整體吞吐量等。隨著研究的深入，一些學(xué)者開始考慮更多因素以提升中繼選擇的性能。有研究提出基于鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量的多中繼選擇算法，在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，不僅考量鏈路的傳輸質(zhì)量，如信號(hào)強(qiáng)度、誤碼率等指標(biāo)，還將中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量納入評(píng)估范圍。在實(shí)際的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通常依靠電池供電，能量有限，這種算法能夠優(yōu)先選擇剩余能量較多的中繼節(jié)點(diǎn)，避免能量較低的節(jié)點(diǎn)過(guò)度參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而過(guò)早耗盡能量，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。但該算法在計(jì)算鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量的綜合評(píng)估指標(biāo)時(shí)，權(quán)重的設(shè)置較為復(fù)雜，不同的權(quán)重分配可能會(huì)導(dǎo)致不同的中繼選擇結(jié)果，且難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。國(guó)內(nèi)的研究也緊跟國(guó)際步伐，并在一些方面取得了獨(dú)特的成果。部分學(xué)者針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景開展研究，如在室內(nèi)局部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，提出以節(jié)點(diǎn)間距離和信號(hào)強(qiáng)度作為衡量中繼節(jié)點(diǎn)位置的中繼選擇算法。在一個(gè)大型商場(chǎng)的室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋場(chǎng)景中，通過(guò)合理部署中繼節(jié)點(diǎn)，利用該算法選擇距離用戶終端較近且信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的中繼節(jié)點(diǎn)，能夠有效增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、擴(kuò)大覆蓋范圍、提高傳輸速率，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的提升。但該算法在實(shí)際部署時(shí)，節(jié)點(diǎn)的布置難度較大，并且容易受到室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的干擾，如金屬障礙物、人員流動(dòng)等，導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)，影響算法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。此外，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)有學(xué)者將機(jī)器學(xué)習(xí)算法引入多中繼選擇中。通過(guò)對(duì)大量網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立模型來(lái)預(yù)測(cè)不同中繼節(jié)點(diǎn)在不同場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)，從而更準(zhǔn)確地選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)校園的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量、信號(hào)強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)負(fù)載等歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，訓(xùn)練出的模型可以根據(jù)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，快速準(zhǔn)確地選擇最合適的中繼節(jié)點(diǎn)，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力和整體性能。不過(guò)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)數(shù)據(jù)量和計(jì)算資源要求較高，模型的訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)，并且在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化劇烈時(shí)，模型的適應(yīng)性可能不足，需要重新訓(xùn)練。盡管國(guó)內(nèi)外在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多中繼選擇算法研究方面已取得一定進(jìn)展，但仍存在一些不足與待解決問(wèn)題。目前大多數(shù)算法在優(yōu)化能量效率時(shí)，較少考慮網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化特性，如節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性、業(yè)務(wù)流量的突發(fā)變化等，導(dǎo)致算法在實(shí)際動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的適用性受限。在實(shí)際的移動(dòng)場(chǎng)景中，如車輛在行駛過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)不斷變化，而現(xiàn)有的很多算法無(wú)法及時(shí)根據(jù)這種變化調(diào)整中繼選擇策略，從而影響通信質(zhì)量。同時(shí)，不同類型網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作機(jī)制在多中繼選擇算法中尚未得到充分研究，如何實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線接入技術(shù)（如蜂窩網(wǎng)絡(luò)與WLAN）在中繼選擇過(guò)程中的協(xié)同工作，以充分發(fā)揮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在一個(gè)同時(shí)覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN的區(qū)域，如何協(xié)調(diào)兩種網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換和高效的數(shù)據(jù)傳輸，目前還缺乏有效的解決方案。此外，現(xiàn)有算法在計(jì)算復(fù)雜度和性能優(yōu)化之間難以達(dá)到良好的平衡，一些算法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較好的性能優(yōu)化，但計(jì)算過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)成本過(guò)高，難以在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。1.3研究目標(biāo)與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在深入探索面向異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的高能效多中繼選擇算法，以解決當(dāng)前異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中多中繼選擇面臨的能量效率低、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)適應(yīng)性差以及不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制不完善等問(wèn)題，具體研究目標(biāo)如下：設(shè)計(jì)高能效多中繼選擇算法：充分考慮異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中不同類型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)的多種性能指標(biāo)，如信號(hào)質(zhì)量、傳輸能力、能量消耗等，構(gòu)建綜合評(píng)估模型，設(shè)計(jì)一種能夠在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下，顯著提高能量效率的多中繼選擇算法。通過(guò)該算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)選擇，使網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中以最小的能量消耗完成任務(wù)，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本，推動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)向綠色節(jié)能方向發(fā)展。增強(qiáng)算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的適應(yīng)性：針對(duì)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性、業(yè)務(wù)流量突發(fā)變化等動(dòng)態(tài)特性，在算法設(shè)計(jì)中引入自適應(yīng)機(jī)制。使算法能夠?qū)崟r(shí)感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，根據(jù)這些變化快速調(diào)整中繼選擇策略，確保在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下始終能夠選擇出最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)組合，維持穩(wěn)定的通信質(zhì)量，避免因網(wǎng)絡(luò)變化導(dǎo)致的通信中斷或性能下降問(wèn)題。優(yōu)化不同類型網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)作機(jī)制：深入研究不同類型網(wǎng)絡(luò)（如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WLAN等）在多中繼選擇過(guò)程中的協(xié)同工作方式，提出一種有效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制。該機(jī)制能夠協(xié)調(diào)不同網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換和高效的數(shù)據(jù)傳輸，充分發(fā)揮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。通過(guò)仿真驗(yàn)證算法性能：搭建異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的高能效多中繼選擇算法進(jìn)行全面的仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真過(guò)程中，模擬真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)比分析該算法與現(xiàn)有算法在能量效率、傳輸速率、延遲、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等關(guān)鍵性能指標(biāo)上的差異。通過(guò)仿真結(jié)果，驗(yàn)證算法的有效性和優(yōu)越性，為算法的實(shí)際應(yīng)用提供有力的依據(jù)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：創(chuàng)新的算法設(shè)計(jì)思路：打破傳統(tǒng)中繼選擇算法僅基于單一或少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行選擇的局限，創(chuàng)新性地將深度學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合，提出一種智能多中繼選擇算法。通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型對(duì)大量歷史網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，挖掘網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)與中繼節(jié)點(diǎn)性能之間的潛在關(guān)系，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)特征庫(kù)；在此基礎(chǔ)上，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和設(shè)定的能效優(yōu)化目標(biāo)，動(dòng)態(tài)地選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)組合。這種融合的算法設(shè)計(jì)思路能夠充分利用數(shù)據(jù)中的信息，提高中繼選擇的準(zhǔn)確性和智能性，有效適應(yīng)復(fù)雜多變的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。全新的性能優(yōu)化方法：在優(yōu)化能量效率的過(guò)程中，首次提出一種基于博弈論的聯(lián)合優(yōu)化方法，綜合考慮中繼節(jié)點(diǎn)的能量消耗、傳輸速率以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡等多個(gè)因素。將中繼節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題建模為一個(gè)多參與者的博弈模型，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)參與者，通過(guò)相互之間的策略博弈，實(shí)現(xiàn)自身利益（如能量利用效率、傳輸收益等）的最大化，同時(shí)也使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。這種方法能夠在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)能量效率的顯著提升，有效解決了現(xiàn)有算法在優(yōu)化能量效率時(shí)難以兼顧其他性能指標(biāo)的問(wèn)題。獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制：針對(duì)不同類型網(wǎng)絡(luò)間協(xié)作不足的問(wèn)題，提出一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）架構(gòu)的跨層協(xié)作機(jī)制。利用SDN集中控制和可編程的特點(diǎn)，打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各層之間的界限，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層之間的信息交互與協(xié)同工作。通過(guò)在SDN控制器中設(shè)置統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理策略和中繼選擇規(guī)則，協(xié)調(diào)不同類型網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫融合和高效協(xié)作。這種機(jī)制能夠充分發(fā)揮不同網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，提升網(wǎng)絡(luò)整體性能。二、異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)2.1異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的概念與架構(gòu)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一種由多種不同類型、不同頻段、不同傳輸距離、不同覆蓋范圍的無(wú)線通信系統(tǒng)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這些無(wú)線通信系統(tǒng)涵蓋無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、無(wú)線廣域網(wǎng)（WWAN）、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）等。不同類型的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到核心網(wǎng)，最終連接到Internet網(wǎng)絡(luò)上，融合成為一個(gè)整體。在這樣的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，不同網(wǎng)絡(luò)依據(jù)自身特點(diǎn)在不同層次進(jìn)行優(yōu)化和組合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。從組成部分來(lái)看，無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）常以Wi-Fi技術(shù)為代表，其工作頻段通常在2.4GHz或5GHz，室內(nèi)覆蓋范圍一般在幾十米以內(nèi)。在家庭、辦公室、商場(chǎng)等場(chǎng)所廣泛部署，用戶通過(guò)無(wú)線接入點(diǎn)（AP）連接到網(wǎng)絡(luò)，能夠提供高達(dá)幾十Mbps甚至上百M(fèi)bps的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足用戶在室內(nèi)環(huán)境下高速上網(wǎng)、觀看高清視頻、文件傳輸?shù)刃枨?。無(wú)線廣域網(wǎng)（WWAN）包含2G、3G、4G、5G等蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以基站為核心，通過(guò)空中接口與移動(dòng)終端進(jìn)行通信。其覆蓋范圍從城市到鄉(xiāng)村，可實(shí)現(xiàn)廣域的無(wú)線通信，其中5G網(wǎng)絡(luò)在理想情況下的峰值速率可達(dá)20Gbps，能夠支持用戶在移動(dòng)過(guò)程中的高速數(shù)據(jù)傳輸，如實(shí)時(shí)高清視頻直播、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）應(yīng)用等。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）典型技術(shù)有藍(lán)牙、ZigBee等，藍(lán)牙常用于連接手機(jī)、耳機(jī)、智能手環(huán)等個(gè)人設(shè)備，傳輸距離一般在10米以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，通常在幾Mbps，主要滿足設(shè)備間短距離、低功耗的通信需求；ZigBee則更多應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，用于連接各種傳感器節(jié)點(diǎn)，具有低功耗、自組網(wǎng)等特點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）由大量分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線方式相互連接，能夠?qū)崟r(shí)采集環(huán)境中的溫度、濕度、光照、壓力等物理量信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而上傳至服務(wù)器進(jìn)行處理和分析。在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，不同網(wǎng)絡(luò)的融合方式多種多樣。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)角度，常見的有松耦合、緊耦合和超緊耦合三種結(jié)構(gòu)。松耦合結(jié)構(gòu)中，不同類型的網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立，各自擁有獨(dú)立的核心網(wǎng)和接入網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。在一個(gè)同時(shí)覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，用戶的移動(dòng)終端可以分別連接到不同網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)終端檢測(cè)到Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度足夠時(shí)，可自動(dòng)切換到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)層面相互獨(dú)立，僅通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。這種融合方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同性較差，無(wú)法充分發(fā)揮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。緊耦合結(jié)構(gòu)下，不同網(wǎng)絡(luò)共享部分核心網(wǎng)功能，如移動(dòng)性管理、會(huì)話管理等，在接入網(wǎng)層面仍保持相對(duì)獨(dú)立。在一些運(yùn)營(yíng)商部署的融合網(wǎng)絡(luò)中，4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和室內(nèi)的小基站（可采用Wi-Fi或其他無(wú)線技術(shù)）通過(guò)統(tǒng)一的核心網(wǎng)進(jìn)行管理，用戶在不同網(wǎng)絡(luò)間切換時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更快速的認(rèn)證和切換過(guò)程，提升用戶體驗(yàn)。超緊耦合結(jié)構(gòu)則是將不同網(wǎng)絡(luò)深度融合，在物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層等多個(gè)層面實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。未來(lái)的6G網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)采用這種融合方式，將衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行超緊耦合，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋和高速通信，通過(guò)統(tǒng)一的資源管理和調(diào)度機(jī)制，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。2.2異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與挑戰(zhàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合了多種不同類型的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)鮮明，同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。從特點(diǎn)來(lái)看，異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率方面表現(xiàn)出顯著的多樣性。不同類型的網(wǎng)絡(luò)具備不同的傳輸能力，例如，5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的理論峰值速率可高達(dá)20Gbps，能夠滿足高清視頻實(shí)時(shí)直播、云游戲等高帶寬需求的業(yè)務(wù)。而在一些短距離通信場(chǎng)景中，Wi-Fi6技術(shù)的室內(nèi)傳輸速率也能輕松達(dá)到1Gbps以上，滿足家庭和辦公環(huán)境下多設(shè)備同時(shí)高速上網(wǎng)的需求。藍(lán)牙技術(shù)則主要用于低速率、短距離的數(shù)據(jù)傳輸，如連接耳機(jī)、鍵盤等設(shè)備，其傳輸速率一般在幾Mbps，但勝在功耗低、連接便捷。這種傳輸速率的多樣性使得異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求。覆蓋范圍上，不同網(wǎng)絡(luò)同樣各有側(cè)重。無(wú)線廣域網(wǎng)如4G、5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以大量的基站為支撐，實(shí)現(xiàn)了廣泛的地理覆蓋，從城市到鄉(xiāng)村，甚至偏遠(yuǎn)山區(qū)，只要有基站覆蓋，用戶就能保持網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然就ㄐ殴δ?。無(wú)線局域網(wǎng)則主要覆蓋室內(nèi)場(chǎng)所，如家庭、辦公室、商場(chǎng)、學(xué)校等，單個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)（AP）的覆蓋范圍通常在幾十米以內(nèi)，但通過(guò)合理部署多個(gè)AP，可以實(shí)現(xiàn)較大面積的室內(nèi)無(wú)縫覆蓋。在大型商場(chǎng)中，通過(guò)部署多個(gè)Wi-FiAP，顧客可以在商場(chǎng)內(nèi)自由移動(dòng)并保持穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行購(gòu)物、娛樂(lè)等活動(dòng)。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)如藍(lán)牙、ZigBee的覆蓋范圍更小，一般在10米以內(nèi)，主要用于連接個(gè)人周邊的設(shè)備。異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)還具有良好的網(wǎng)絡(luò)兼容性。多模終端設(shè)備的出現(xiàn)，使得用戶可以同時(shí)接入多種不同類型的網(wǎng)絡(luò)。如今的智能手機(jī)普遍支持4G/5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)用戶處于Wi-Fi覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，手機(jī)可以自動(dòng)切換到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以節(jié)省移動(dòng)數(shù)據(jù)流量；當(dāng)離開Wi-Fi覆蓋范圍后，手機(jī)又能無(wú)縫切換回蜂窩網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)連接的連續(xù)性。這種網(wǎng)絡(luò)兼容性為用戶提供了更加靈活和便捷的網(wǎng)絡(luò)接入方式，使用戶能夠根據(jù)自身需求和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)。然而，異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程中也面臨著一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。干擾協(xié)調(diào)是其中的一大難題，由于多種無(wú)線技術(shù)在同一區(qū)域內(nèi)共存，不同網(wǎng)絡(luò)之間的信號(hào)容易產(chǎn)生相互干擾。在一個(gè)同時(shí)覆蓋4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的辦公區(qū)域，4G基站和Wi-FiAP的信號(hào)頻段可能存在部分重疊，當(dāng)它們同時(shí)工作時(shí)，就可能導(dǎo)致信號(hào)干擾，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸速率下降、丟包率增加，影響用戶的上網(wǎng)體驗(yàn)。此外，不同網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率、調(diào)制方式等也存在差異，進(jìn)一步加劇了干擾協(xié)調(diào)的難度。資源分配同樣是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中包含多種不同類型的網(wǎng)絡(luò)資源，如頻譜資源、功率資源、帶寬資源等，如何在這些不同網(wǎng)絡(luò)之間合理分配資源，以滿足各種業(yè)務(wù)的QoS需求，是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。在一個(gè)繁忙的機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳，大量用戶同時(shí)使用手機(jī)、平板電腦等設(shè)備連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)需要合理分配頻譜資源和帶寬資源，確保視頻播放、在線游戲等實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)能夠獲得足夠的帶寬和低延遲的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，同時(shí)也要兼顧其他一般性業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。若資源分配不合理，可能會(huì)導(dǎo)致部分網(wǎng)絡(luò)資源閑置，而部分網(wǎng)絡(luò)則因資源不足出現(xiàn)擁塞，降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能和用戶體驗(yàn)。移動(dòng)性管理也是異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶的移動(dòng)性更為復(fù)雜，可能會(huì)在不同類型的網(wǎng)絡(luò)之間頻繁切換。在用戶乘坐地鐵的過(guò)程中，地鐵車廂內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)可能會(huì)在地下部分的4G網(wǎng)絡(luò)和站臺(tái)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間不斷切換，如何實(shí)現(xiàn)這種跨網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫切換，確保用戶在移動(dòng)過(guò)程中的通信質(zhì)量不受影響，是移動(dòng)性管理需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。此外，不同網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理機(jī)制和協(xié)議存在差異，如何實(shí)現(xiàn)這些機(jī)制和協(xié)議之間的協(xié)同工作，也是一個(gè)難點(diǎn)。若移動(dòng)性管理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致切換失敗、通信中斷等問(wèn)題，嚴(yán)重影響用戶的使用體驗(yàn)。2.3異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的中繼技術(shù)在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，中繼技術(shù)作為提升網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵手段，發(fā)揮著不可或缺的作用。其核心作用在于克服無(wú)線信號(hào)傳輸過(guò)程中的諸多限制，有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度以及提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?dāng)源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的距離較遠(yuǎn)或存在信號(hào)遮擋時(shí)，無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)受到大尺度路徑損耗、陰影衰落和多徑效應(yīng)等因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)功率嚴(yán)重衰減，通信質(zhì)量急劇下降。在山區(qū)等地形復(fù)雜的區(qū)域，基站與用戶終端之間的信號(hào)可能會(huì)被山體阻擋，信號(hào)強(qiáng)度減弱，甚至出現(xiàn)通信中斷的情況。此時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)的引入能夠有效地解決這一問(wèn)題。中繼節(jié)點(diǎn)可以接收來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后再轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接力傳輸，確保數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。中繼技術(shù)的工作模式豐富多樣，其中最為常見的包括放大轉(zhuǎn)發(fā)（AmplifyForward，AF）和解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DecodingForward，DF）模式。在放大轉(zhuǎn)發(fā)模式下，中繼節(jié)點(diǎn)的操作相對(duì)簡(jiǎn)單直接。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)接收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)后，它會(huì)將信號(hào)進(jìn)行直接放大，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。這種工作模式的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為簡(jiǎn)便，不需要中繼節(jié)點(diǎn)具備復(fù)雜的信號(hào)處理能力，能夠快速地對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而降低信號(hào)傳輸?shù)难舆t。然而，放大轉(zhuǎn)發(fā)模式也存在明顯的局限性，由于它在放大信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)將接收到的噪聲一并放大。隨著信號(hào)傳輸距離的增加或經(jīng)過(guò)多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，噪聲會(huì)不斷累積，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量逐漸下降，誤碼率升高，最終影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。在一個(gè)由源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)組成的簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)中，若源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)中存在一定的噪聲，中繼節(jié)點(diǎn)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)模式將信號(hào)放大轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)中的噪聲也會(huì)相應(yīng)增大，當(dāng)噪聲強(qiáng)度超過(guò)一定閾值時(shí)，就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。解碼轉(zhuǎn)發(fā)模式則與放大轉(zhuǎn)發(fā)模式有所不同。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)接收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)后，它首先會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼操作，將接收到的信號(hào)還原為原始的數(shù)據(jù)信息。然后，中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新編碼，并再次發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。這種工作模式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效地消除信號(hào)在傳輸過(guò)程中引入的噪聲。因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)在解碼過(guò)程中，可以對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)處理，從而提高信號(hào)的質(zhì)量。解碼轉(zhuǎn)發(fā)模式對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的處理能力和計(jì)算資源要求較高。中繼節(jié)點(diǎn)需要具備較強(qiáng)的信號(hào)解碼和編碼能力，以及足夠的計(jì)算資源來(lái)支持這些操作。這意味著在實(shí)際應(yīng)用中，采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)模式的中繼節(jié)點(diǎn)成本可能相對(duì)較高。此外，由于解碼和編碼過(guò)程需要一定的時(shí)間，會(huì)增加信號(hào)傳輸?shù)难舆t。在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的通信場(chǎng)景中，如實(shí)時(shí)視頻通話、在線游戲等，這種延遲可能會(huì)對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生較大的影響。在視頻會(huì)議中，若中繼節(jié)點(diǎn)采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)模式，由于處理時(shí)間較長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致視頻畫面出現(xiàn)卡頓、聲音延遲等問(wèn)題，影響會(huì)議的順利進(jìn)行。除了放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)模式外，還有編碼協(xié)作（CooperativeCoding，CC）等其他工作模式。編碼協(xié)作模式強(qiáng)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作，通過(guò)將多個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合編碼，實(shí)現(xiàn)分集增益，提高通信的可靠性。在一個(gè)多節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)可以與源節(jié)點(diǎn)共同協(xié)作，將各自接收到的信號(hào)進(jìn)行編碼組合后再發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。這樣，即使部分節(jié)點(diǎn)的信號(hào)受到干擾或出現(xiàn)衰落，目的節(jié)點(diǎn)仍然可以通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)，從而提高了整個(gè)通信系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。編碼協(xié)作模式的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行緊密的協(xié)作和同步，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)能力和通信協(xié)議要求較高。不同的中繼協(xié)議適用于不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和應(yīng)用需求。在選擇中繼協(xié)議時(shí)，需要綜合考慮多種因素，如信號(hào)質(zhì)量、傳輸距離、節(jié)點(diǎn)處理能力、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性要求等。在信號(hào)質(zhì)量較好、傳輸距離較短且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景中，放大轉(zhuǎn)發(fā)模式可能是一個(gè)較為合適的選擇。因?yàn)樗軌蚩焖俚剞D(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，滿足實(shí)時(shí)性需求，同時(shí)由于信號(hào)質(zhì)量較好，噪聲對(duì)信號(hào)的影響相對(duì)較小。而在信號(hào)質(zhì)量較差、傳輸距離較長(zhǎng)的情況下，解碼轉(zhuǎn)發(fā)模式則更具優(yōu)勢(shì)。雖然它會(huì)增加一定的延遲，但能夠有效地消除噪聲，提高信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，編碼協(xié)作模式可以充分發(fā)揮其協(xié)作優(yōu)勢(shì)，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。三、高能效多中繼選擇算法理論基礎(chǔ)3.1能量效率的定義與度量在無(wú)線通信領(lǐng)域，能量效率是評(píng)估系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它反映了系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中對(duì)能量資源的利用程度。從數(shù)學(xué)定義角度來(lái)看，能量效率（EnergyEfficiency，EE）通常被定義為有效信息傳輸速率R（單位為bps，即比特每秒）與信號(hào)發(fā)射功率P（單位為瓦特，W）的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為EE=\frac{R}{P}，單位為比特/焦耳（bit/J）。這一定義清晰地表明，能量效率描述了系統(tǒng)消耗單位能量時(shí)能夠獲得的傳輸比特?cái)?shù)，能量效率值越高，意味著系統(tǒng)在相同的能量消耗下能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)，或者在傳輸相同數(shù)據(jù)量時(shí)消耗更少的能量，從而實(shí)現(xiàn)更高效的能量利用。為了更直觀地理解能量效率的概念，以一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信場(chǎng)景為例。假設(shè)有兩個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)A和B，系統(tǒng)A的有效信息傳輸速率為10Mbps，信號(hào)發(fā)射功率為5W，根據(jù)能量效率公式計(jì)算可得，其能量效率為EE_A=\frac{10\times10^6}{5}=2\times10^6bit/J。系統(tǒng)B的有效信息傳輸速率為8Mbps，信號(hào)發(fā)射功率為2W，則系統(tǒng)B的能量效率為EE_B=\frac{8\times10^6}{2}=4\times10^6bit/J。通過(guò)對(duì)比可以明顯看出，雖然系統(tǒng)A的傳輸速率高于系統(tǒng)B，但系統(tǒng)B在能量利用方面更為高效，消耗相同的能量能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)。除了比特/焦耳這一常用的能量效率度量指標(biāo)外，在實(shí)際研究和應(yīng)用中，還有其他一些相關(guān)的度量方式。例如，每焦耳傳輸?shù)男畔⒘浚╞itsperjoule），它與上述能量效率的定義本質(zhì)上是一致的，只是表達(dá)方式略有不同。在一些關(guān)于綠色通信的研究中，會(huì)關(guān)注單位面積內(nèi)的能量效率，即單位面積上消耗單位能量所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，這對(duì)于評(píng)估不同區(qū)域內(nèi)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率具有重要意義。在城市密集區(qū)域和郊區(qū)，由于用戶分布密度和網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求不同，單位面積內(nèi)的能量效率表現(xiàn)也會(huì)有所差異。在評(píng)估大規(guī)模無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還會(huì)考慮全網(wǎng)的能量效率，即將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總有效信息傳輸速率與網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的總發(fā)射功率進(jìn)行比值計(jì)算。在一個(gè)包含多個(gè)基站和大量終端設(shè)備的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，全網(wǎng)能量效率能夠綜合反映整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在能量利用和數(shù)據(jù)傳輸方面的性能。這些不同的能量效率度量指標(biāo)，從不同角度和層面反映了無(wú)線通信系統(tǒng)的能量利用特性，在實(shí)際應(yīng)用中，研究人員和工程師可以根據(jù)具體的研究目的和應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的度量指標(biāo)來(lái)評(píng)估和優(yōu)化系統(tǒng)的能量效率。3.2多中繼選擇的影響因素在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，多中繼選擇受到多種因素的綜合影響，這些因素相互交織，共同決定了中繼選擇的合理性和網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣。信道狀態(tài)是影響多中繼選擇的關(guān)鍵因素之一，其核心在于信道質(zhì)量直接關(guān)系到信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院退俾?。在?shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，信道會(huì)受到多徑衰落、陰影效應(yīng)和噪聲干擾等因素的影響。多徑衰落是由于無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中遇到建筑物、地形等障礙物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多條不同路徑的反射和散射，這些多徑信號(hào)在接收端相互疊加，導(dǎo)致信號(hào)的幅度和相位發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起信號(hào)的衰落甚至中斷。在城市高樓林立的環(huán)境中，基站與移動(dòng)終端之間的信號(hào)會(huì)在建筑物之間多次反射，使得接收端接收到的信號(hào)呈現(xiàn)出復(fù)雜的多徑衰落特性。陰影效應(yīng)則是指信號(hào)在傳播過(guò)程中，由于受到大型障礙物（如山脈、建筑物等）的阻擋，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度在障礙物后方出現(xiàn)明顯的減弱區(qū)域。在山區(qū)，當(dāng)基站信號(hào)被山體阻擋時(shí)，山背面的區(qū)域就會(huì)形成信號(hào)陰影區(qū)，信號(hào)質(zhì)量明顯下降。噪聲干擾包括熱噪聲、鄰道干擾、同頻干擾等，這些噪聲會(huì)混入信號(hào)中，降低信號(hào)的信噪比，影響信號(hào)的正確解調(diào)。在一個(gè)密集的無(wú)線通信區(qū)域，多個(gè)基站同時(shí)工作，若頻率規(guī)劃不合理，就容易產(chǎn)生同頻干擾，使得接收端接收到的信號(hào)質(zhì)量惡化。由于信道狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道的相關(guān)參數(shù)來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估其質(zhì)量。常見的信道狀態(tài)信息（CSI）參數(shù)包括信道增益、信噪比（SNR）和誤碼率（BER）等。信道增益反映了信號(hào)在傳輸過(guò)程中的強(qiáng)度變化，增益越高，信號(hào)在接收端的強(qiáng)度相對(duì)越大，傳輸質(zhì)量越好。信噪比是信號(hào)功率與噪聲功率的比值，它直接影響信號(hào)的解調(diào)準(zhǔn)確性，信噪比越高，信號(hào)受噪聲的影響越小，傳輸?shù)目煽啃栽礁?。誤碼率則是衡量信號(hào)傳輸錯(cuò)誤概率的指標(biāo)，誤碼率越低，說(shuō)明信號(hào)在傳輸過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤的可能性越小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性越高。在實(shí)際的中繼選擇過(guò)程中，通常會(huì)優(yōu)先選擇信道增益高、信噪比大且誤碼率低的中繼節(jié)點(diǎn)，以確保數(shù)據(jù)能夠以較高的速率和較低的錯(cuò)誤率進(jìn)行傳輸。在一個(gè)由源節(jié)點(diǎn)、多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)組成的通信系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)之間的信道狀態(tài)信息，選擇信道增益最高的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。?jié)點(diǎn)剩余能量對(duì)多中繼選擇有著重要影響，尤其是在采用電池供電的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，能量供應(yīng)的有限性使得節(jié)點(diǎn)剩余能量成為中繼選擇時(shí)必須考慮的關(guān)鍵因素。在實(shí)際的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通常依靠電池供電，而電池的能量容量是有限的。隨著節(jié)點(diǎn)不斷參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等通信活動(dòng)，其能量會(huì)逐漸消耗。若在中繼選擇過(guò)程中忽視節(jié)點(diǎn)剩余能量，可能會(huì)導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)因過(guò)度參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而過(guò)早耗盡能量，從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性和數(shù)據(jù)傳輸能力。在一個(gè)監(jiān)測(cè)森林環(huán)境的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，若總是選擇同一批能量較高的節(jié)點(diǎn)作為中繼，這些節(jié)點(diǎn)的能量會(huì)快速消耗，當(dāng)它們的能量耗盡后，網(wǎng)絡(luò)中就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛鄥^(qū)域，影響對(duì)森林環(huán)境數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測(cè)。為了避免這種情況的發(fā)生，需要在中繼選擇算法中引入節(jié)點(diǎn)剩余能量因素。一種常見的方法是設(shè)置能量閾值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于該閾值時(shí)，將其從候選中繼節(jié)點(diǎn)中排除，以避免選擇能量過(guò)低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。還可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量來(lái)分配數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的權(quán)重，剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)更多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，而剩余能量較少的節(jié)點(diǎn)則減少其參與度。在一個(gè)包含多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)各中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量比例，分配不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量，使得網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗更加均衡，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。通過(guò)合理考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行中繼選擇，能夠有效平衡網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定性和可靠性。傳輸距離也是影響多中繼選擇的重要因素之一，它與信號(hào)的衰減密切相關(guān)。根據(jù)無(wú)線信號(hào)傳播的基本理論，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)隨著傳輸距離的增加而發(fā)生衰減，這種衰減遵循一定的數(shù)學(xué)模型，如自由空間傳播模型中的路徑損耗公式。在自由空間中，信號(hào)的路徑損耗與傳輸距離的平方成正比，即傳輸距離越遠(yuǎn)，信號(hào)的強(qiáng)度衰減越嚴(yán)重。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度衰減到一定程度時(shí)，接收端可能無(wú)法正確解調(diào)信號(hào)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或中斷。在一個(gè)長(zhǎng)距離的無(wú)線通信場(chǎng)景中，如偏遠(yuǎn)地區(qū)的基站與用戶終端之間的通信，若直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到較大的路徑損耗，到達(dá)終端時(shí)信號(hào)強(qiáng)度可能非常微弱，無(wú)法滿足通信需求。為了保證信號(hào)的可靠傳輸，在多中繼選擇時(shí)需要考慮傳輸距離因素。一種策略是選擇距離源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)較近的中繼節(jié)點(diǎn)，這樣可以減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減，提高信號(hào)的質(zhì)量和傳輸效率。在一個(gè)室內(nèi)的無(wú)線通信場(chǎng)景中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，選擇位于兩者之間且距離較近的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，能夠有效增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，降低信號(hào)的誤碼率。還可以根據(jù)傳輸距離來(lái)合理分配中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。距離較遠(yuǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)需要適當(dāng)提高發(fā)射功率，以補(bǔ)償信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減；而距離較近的中繼節(jié)點(diǎn)則可以降低發(fā)射功率，以節(jié)省能量。在一個(gè)由多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)組成的鏈狀網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與前后節(jié)點(diǎn)的距離，動(dòng)態(tài)調(diào)整其發(fā)射功率，既能保證信號(hào)的可靠傳輸，又能優(yōu)化能量利用效率。通過(guò)綜合考慮傳輸距離進(jìn)行中繼選擇，能夠在保證通信質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)能量的有效利用和網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。干擾情況同樣對(duì)多中繼選擇產(chǎn)生重要影響，在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，多種無(wú)線技術(shù)和設(shè)備共存，使得干擾問(wèn)題尤為突出。干擾可以分為同頻干擾、鄰頻干擾和互調(diào)干擾等類型。同頻干擾是指相同頻率的信號(hào)之間相互干擾，當(dāng)多個(gè)無(wú)線設(shè)備在同一頻段上同時(shí)發(fā)射信號(hào)時(shí)，它們的信號(hào)會(huì)在接收端相互疊加，導(dǎo)致接收信號(hào)的質(zhì)量下降。在一個(gè)密集的辦公區(qū)域，多個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)（AP）可能會(huì)設(shè)置在相同的頻段上，若它們的信號(hào)強(qiáng)度相近，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的同頻干擾，使得用戶的網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定，傳輸速率降低。鄰頻干擾則是指相鄰頻率的信號(hào)之間產(chǎn)生的干擾，由于無(wú)線設(shè)備的濾波器性能有限，無(wú)法完全抑制鄰頻信號(hào)的影響，導(dǎo)致鄰頻信號(hào)混入接收信號(hào)中，影響信號(hào)的解調(diào)?；フ{(diào)干擾是指當(dāng)多個(gè)不同頻率的信號(hào)同時(shí)進(jìn)入非線性器件（如放大器、混頻器等）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生新的頻率成分，這些新的頻率成分如果與有用信號(hào)的頻率相同或相近，就會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生干擾。干擾會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率下降、誤碼率增加甚至通信中斷。在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須充分考慮干擾情況。可以通過(guò)頻譜感知技術(shù)來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境中的干擾信號(hào)，獲取干擾的頻率、強(qiáng)度等信息。然后，根據(jù)這些信息，選擇受干擾較小的中繼節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)同時(shí)存在蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，通過(guò)頻譜感知發(fā)現(xiàn)某個(gè)頻段存在較強(qiáng)的干擾，那么在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，就避免選擇工作在該頻段的節(jié)點(diǎn)。還可以采用干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，如功率控制、信道分配等方法來(lái)降低干擾的影響。通過(guò)合理調(diào)整中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，避免對(duì)其他節(jié)點(diǎn)造成過(guò)大的干擾；或者通過(guò)優(yōu)化信道分配，將不同的中繼節(jié)點(diǎn)分配到不同的信道上，減少同頻干擾和鄰頻干擾的發(fā)生。在一個(gè)多中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，采用分布式的功率控制算法，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)周圍的干擾情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的發(fā)射功率，從而有效降低干擾，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。3.3現(xiàn)有多中繼選擇算法綜述傳統(tǒng)的中繼選擇算法多種多樣，它們?cè)诓煌膽?yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著各自的作用，同時(shí)也存在著一定的局限性?；诰嚯x的中繼選擇算法是一種較為簡(jiǎn)單直觀的算法。該算法的核心思想是依據(jù)源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離關(guān)系來(lái)選擇中繼節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)選擇距離源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)較近的中繼節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信場(chǎng)景中，源節(jié)點(diǎn)要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)可供選擇，基于距離的中繼選擇算法會(huì)計(jì)算每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的距離，然后選擇距離之和最小的中繼節(jié)點(diǎn)。這種算法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算復(fù)雜度低，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。由于距離較近的中繼節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)傳輸?shù)穆窂綋p耗相對(duì)較小，所以可以在一定程度上降低信號(hào)的衰減，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。在一些?duì)實(shí)時(shí)性要求較高且網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景中，如室內(nèi)短距離通信場(chǎng)景，基于距離的中繼選擇算法能夠快速地選擇出合適的中繼節(jié)點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。該算法也存在明顯的缺點(diǎn)。它僅僅考慮了距離因素，而忽略了其他重要的因素，如信道質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)剩余能量和干擾情況等。在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，信道質(zhì)量是影響信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵因素之一。即使中繼節(jié)點(diǎn)距離源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)較近，但如果信道受到嚴(yán)重的干擾或存在多徑衰落等問(wèn)題，信號(hào)的傳輸質(zhì)量仍然會(huì)受到很大的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或中斷。在城市高樓林立的環(huán)境中，雖然某個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)距離源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)較近，但信號(hào)可能會(huì)在建筑物之間多次反射，產(chǎn)生嚴(yán)重的多徑衰落，使得基于距離選擇的該中繼節(jié)點(diǎn)無(wú)法保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。節(jié)點(diǎn)剩余能量對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行也至關(guān)重要。若選擇的中繼節(jié)點(diǎn)剩余能量較低，在承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)后可能會(huì)很快耗盡能量，從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性和數(shù)據(jù)傳輸能力。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通常依靠電池供電，能量有限，基于距離選擇的中繼節(jié)點(diǎn)如果能量不足，可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛鄥^(qū)域，影響對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)的全面采集?；谛诺蕾|(zhì)量的中繼選擇算法則將重點(diǎn)放在了信道狀態(tài)信息上。該算法通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道的相關(guān)參數(shù)，如信道增益、信噪比（SNR）和誤碼率（BER）等，來(lái)評(píng)估信道質(zhì)量，并選擇信道質(zhì)量最佳的中繼節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)多中繼節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)中，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)實(shí)時(shí)采集與源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間信道的信道增益、信噪比等信息，并將這些信息反饋給源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些信息，選擇信道增益最高、信噪比最大且誤碼率最低的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。由于該算法充分考慮了信道質(zhì)量，所以能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃?。在?duì)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求較高的場(chǎng)景中，如高清視頻傳輸、在線游戲等，基于信道質(zhì)量的中繼選擇算法可以確保用戶獲得流暢的體驗(yàn)。這種算法也并非完美無(wú)缺。它在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，往往沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等因素。在實(shí)際的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的能量是有限的，如果總是選擇信道質(zhì)量好但能量較低的節(jié)點(diǎn)作為中繼，這些節(jié)點(diǎn)的能量會(huì)快速消耗，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量分布不均衡，影響網(wǎng)絡(luò)的整體壽命。在一個(gè)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，若基于信道質(zhì)量一直選擇某些能量較低的節(jié)點(diǎn)作為中繼，這些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)過(guò)早耗盡能量，使得網(wǎng)絡(luò)中部分區(qū)域的數(shù)據(jù)無(wú)法正常傳輸。該算法也沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況。當(dāng)某個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道質(zhì)量雖然很好，但它已經(jīng)承擔(dān)了過(guò)多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)重時(shí)，再選擇該節(jié)點(diǎn)作為中繼，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲增加，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包的情況。在一個(gè)繁忙的無(wú)線局域網(wǎng)中，某個(gè)接入點(diǎn)（AP）作為中繼節(jié)點(diǎn)，其信道質(zhì)量良好，但由于連接的用戶過(guò)多，負(fù)載過(guò)高，此時(shí)若繼續(xù)選擇該AP作為中繼，新接入的用戶可能會(huì)面臨網(wǎng)絡(luò)卡頓、延遲大等問(wèn)題?；谛旁氡鹊闹欣^選擇算法以接收信號(hào)的信噪比作為選擇中繼節(jié)點(diǎn)的主要依據(jù)。該算法認(rèn)為，信噪比越高，信號(hào)受噪聲的干擾越小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃跃驮礁摺Ｔ趯?shí)際應(yīng)用中，源節(jié)點(diǎn)會(huì)向所有潛在的中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)后，計(jì)算自身接收到信號(hào)的信噪比，并將該信息反饋給源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)各中繼節(jié)點(diǎn)反饋的信噪比信息，選擇信噪比最高的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這種算法在一定程度上能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，適用于對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求較高的場(chǎng)景。在語(yǔ)音通信中，為了保證語(yǔ)音的清晰度和連貫性，基于信噪比的中繼選擇算法可以有效地選擇出干擾較小的中繼節(jié)點(diǎn)，提供穩(wěn)定的語(yǔ)音通信服務(wù)。該算法同樣存在局限性。它只關(guān)注了信號(hào)的信噪比，而忽視了其他影響中繼選擇的重要因素，如節(jié)點(diǎn)的傳輸能力、能量消耗和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。在實(shí)際的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的傳輸能力是不同的。一些節(jié)點(diǎn)可能由于硬件配置較低或受到其他因素的限制，雖然接收到的信號(hào)信噪比高，但無(wú)法快速地轉(zhuǎn)發(fā)大量的數(shù)據(jù)。在這種情況下，僅基于信噪比選擇中繼節(jié)點(diǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)法滿足實(shí)際需求。節(jié)點(diǎn)的能量消耗也是一個(gè)重要問(wèn)題。若選擇的中繼節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過(guò)程中能量消耗過(guò)大，會(huì)縮短節(jié)點(diǎn)的使用壽命，增加網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本。在一些依靠電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)中，選擇能量消耗大的中繼節(jié)點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備頻繁更換電池，影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化也會(huì)對(duì)中繼選擇產(chǎn)生影響。在動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁的場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷改變，基于信噪比的中繼選擇算法可能無(wú)法及時(shí)適應(yīng)這種變化，導(dǎo)致選擇的中繼節(jié)點(diǎn)不再是最優(yōu)的。在一個(gè)由移動(dòng)車輛組成的車載自組織網(wǎng)絡(luò)中，車輛的行駛使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)刻發(fā)生變化，基于信噪比選擇的中繼節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)檐囕v位置的改變而不再適合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)?；阪溌焚|(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量的多中繼選擇算法綜合考慮了鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量這兩個(gè)關(guān)鍵因素。在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，該算法不僅會(huì)評(píng)估鏈路的傳輸質(zhì)量，如信號(hào)強(qiáng)度、誤碼率等指標(biāo)，還會(huì)將中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量納入評(píng)估范圍。通過(guò)構(gòu)建一個(gè)綜合評(píng)估函數(shù)，將鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行量化處理，并根據(jù)一定的權(quán)重分配，計(jì)算每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的綜合得分。在一個(gè)多中繼節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，先分別測(cè)量其與源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間鏈路的信號(hào)強(qiáng)度、誤碼率等鏈路質(zhì)量指標(biāo)，同時(shí)獲取該中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息。然后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的權(quán)重，如鏈路質(zhì)量權(quán)重為0.6，節(jié)點(diǎn)剩余能量權(quán)重為0.4，計(jì)算每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的綜合得分。最后，選擇綜合得分最高的中繼節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。這種算法能夠在保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的前提下，合理平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在一些對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和壽命要求較高的場(chǎng)景中，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，該算法能夠有效地提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。這種算法也面臨一些挑戰(zhàn)。如何合理確定鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量在綜合評(píng)估函數(shù)中的權(quán)重是一個(gè)難題。不同的權(quán)重分配可能會(huì)導(dǎo)致不同的中繼選擇結(jié)果，且權(quán)重的設(shè)置需要根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整，缺乏通用性。在一個(gè)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，若對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求較高，可能需要適當(dāng)提高鏈路質(zhì)量的權(quán)重；而在一個(gè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命要求更為嚴(yán)格的野外環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，則需要加大節(jié)點(diǎn)剩余能量的權(quán)重。該算法在計(jì)算綜合得分時(shí)，需要實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確的鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量信息，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集能力提出了較高的要求。在實(shí)際的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于信號(hào)干擾、節(jié)點(diǎn)故障等原因，可能會(huì)導(dǎo)致獲取的信息不準(zhǔn)確，從而影響中繼選擇的準(zhǔn)確性和算法的性能。四、面向異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的高能效多中繼選擇算法設(shè)計(jì)4.1算法設(shè)計(jì)思路與目標(biāo)在設(shè)計(jì)面向異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的高能效多中繼選擇算法時(shí)，本研究采用一種融合多因素分析與智能決策的設(shè)計(jì)思路。首先，全面收集和分析異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的各種關(guān)鍵信息，包括信道狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)剩余能量、傳輸距離、干擾情況以及不同網(wǎng)絡(luò)的特性等。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，獲取準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)。利用傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)采集各中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)之間的信道增益、信噪比、誤碼率等信道狀態(tài)信息；通過(guò)能量監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)時(shí)獲取各節(jié)點(diǎn)的剩余能量數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，挖掘數(shù)據(jù)背后的潛在規(guī)律和關(guān)聯(lián)。運(yùn)用數(shù)據(jù)分析算法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，分析信道狀態(tài)隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，以及節(jié)點(diǎn)剩余能量與網(wǎng)絡(luò)性能之間的關(guān)系。在綜合考慮多種因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建科學(xué)合理的中繼節(jié)點(diǎn)評(píng)估模型。該模型將各影響因素進(jìn)行量化處理，并根據(jù)不同因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響的重要程度，分配相應(yīng)的權(quán)重。對(duì)于信道狀態(tài)，考慮到其對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵影響，賦予較高的權(quán)重；而對(duì)于節(jié)點(diǎn)剩余能量，在一些對(duì)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)景中，也給予較大的權(quán)重。通過(guò)加權(quán)求和或其他數(shù)學(xué)方法，計(jì)算每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)估值，以此作為中繼選擇的重要依據(jù)。在一個(gè)包含多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，根據(jù)其信道增益、信噪比、誤碼率以及剩余能量等因素，按照預(yù)先設(shè)定的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)估值。為了實(shí)現(xiàn)算法的高效性和實(shí)時(shí)性，引入智能決策機(jī)制。采用啟發(fā)式算法或智能優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇進(jìn)行優(yōu)化。這些算法能夠在復(fù)雜的解空間中快速搜索到接近最優(yōu)解的中繼節(jié)點(diǎn)組合，減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。遺傳算法通過(guò)模擬生物進(jìn)化過(guò)程中的選擇、交叉和變異等操作，不斷迭代優(yōu)化中繼節(jié)點(diǎn)的選擇方案，以達(dá)到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)，使算法能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整中繼選擇策略。強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法通過(guò)與環(huán)境進(jìn)行交互，不斷學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)，以最大化長(zhǎng)期累積獎(jiǎng)勵(lì)，即實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載突然增加或信道質(zhì)量發(fā)生突變時(shí)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法能夠迅速感知這些變化，并根據(jù)學(xué)習(xí)到的經(jīng)驗(yàn)，重新選擇更合適的中繼節(jié)點(diǎn)，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。本算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面：最大化能量效率：通過(guò)優(yōu)化中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，使網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中消耗的能量最小化，同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院退俾?。在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，優(yōu)先考慮能量效率高的節(jié)點(diǎn)，避免選擇那些能耗過(guò)大但傳輸效果不佳的節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)由多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)組成的通信系統(tǒng)中，通過(guò)本算法選擇出能量效率最高的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)算法，能夠顯著降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，提高能源利用效率。保障通信可靠性：充分考慮信道狀態(tài)、干擾情況等因素，選擇能夠提供穩(wěn)定可靠通信鏈路的中繼節(jié)點(diǎn)，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率和丟包率，確保數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。在信道質(zhì)量較差或存在干擾的區(qū)域，算法會(huì)自動(dòng)選擇受干擾較小、信道質(zhì)量較好的中繼節(jié)點(diǎn)，以保證通信的可靠性。在城市高樓林立的環(huán)境中，當(dāng)信號(hào)受到多徑衰落和干擾影響時(shí)，本算法能夠選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)，有效增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，降低誤碼率，保障通信的穩(wěn)定進(jìn)行。降低算法復(fù)雜度：在保證算法性能的前提下，盡量簡(jiǎn)化算法的計(jì)算過(guò)程和結(jié)構(gòu)，減少算法的運(yùn)行時(shí)間和資源消耗，使其能夠在實(shí)際的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中快速、高效地運(yùn)行。采用簡(jiǎn)潔有效的評(píng)估模型和優(yōu)化算法，避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和迭代過(guò)程。在計(jì)算中繼節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)估值時(shí)，采用簡(jiǎn)單直觀的加權(quán)求和方法，減少計(jì)算量；在選擇優(yōu)化算法時(shí)，選擇計(jì)算復(fù)雜度較低的啟發(fā)式算法，如貪心算法，在保證一定性能的前提下，提高算法的運(yùn)行效率。4.2算法模型建立4.2.1異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建在構(gòu)建異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，充分考慮其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和多樣化的節(jié)點(diǎn)類型。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在多種類型的節(jié)點(diǎn)，包括源節(jié)點(diǎn)S、目的節(jié)點(diǎn)D以及多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R_i（i=1,2,\cdots,N），其中N為中繼節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。這些節(jié)點(diǎn)在二維平面上隨機(jī)分布，以模擬實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署情況。在一個(gè)城市區(qū)域的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模型中，源節(jié)點(diǎn)可以是某個(gè)數(shù)據(jù)中心，目的節(jié)點(diǎn)是分布在不同位置的用戶終端，中繼節(jié)點(diǎn)則是部署在各個(gè)建筑物樓頂或街道旁的小型基站或中繼設(shè)備，它們?cè)诔鞘械亩S地圖上隨機(jī)分布。對(duì)于節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路，考慮到無(wú)線信號(hào)傳播的特性，采用瑞利衰落信道模型來(lái)描述信道狀態(tài)。在瑞利衰落信道中，信號(hào)的幅度服從瑞利分布，相位服從均勻分布。假設(shè)節(jié)點(diǎn)m到節(jié)點(diǎn)n的信道增益h_{mn}為一個(gè)復(fù)隨機(jī)變量，其模的平方\verth_{mn}\vert^2服從指數(shù)分布。信道增益h_{mn}不僅受到距離的影響，還會(huì)受到多徑衰落、陰影效應(yīng)等因素的影響。根據(jù)路徑損耗模型，節(jié)點(diǎn)m到節(jié)點(diǎn)n的路徑損耗PL_{mn}與它們之間的距離d_{mn}的\alpha次方成正比，即PL_{mn}=d_{mn}^{-\alpha}，其中\(zhòng)alpha為路徑損耗指數(shù)，在不同的環(huán)境中取值不同，例如在自由空間中\(zhòng)alpha約為2，在城市環(huán)境中\(zhòng)alpha通常在3-4之間。在城市環(huán)境中，由于建筑物的遮擋和反射，信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的多徑衰落和陰影效應(yīng)，導(dǎo)致信道增益h_{mn}呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化?？紤]到異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中存在多種不同類型的網(wǎng)絡(luò)，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等，不同網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性和干擾情況有所不同。為了準(zhǔn)確描述這些差異，對(duì)不同類型的網(wǎng)絡(luò)分別設(shè)置不同的參數(shù)。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，由于基站發(fā)射功率較大，覆蓋范圍較廣，但同時(shí)也容易受到同頻干擾和鄰頻干擾的影響。而在WLAN中，接入點(diǎn)（AP）的發(fā)射功率相對(duì)較小，覆蓋范圍有限，但數(shù)據(jù)傳輸速率較高。在構(gòu)建模型時(shí)，為蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN分別設(shè)置不同的信道帶寬、噪聲功率譜密度等參數(shù)，以反映它們的傳輸特性差異。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的信道帶寬可能為20MHz，噪聲功率譜密度為-174dBm/Hz；而WLAN的信道帶寬可能為40MHz，噪聲功率譜密度為-170dBm/Hz。同時(shí)，考慮到不同網(wǎng)絡(luò)之間的干擾情況，引入干擾矩陣I，其中I_{ij}表示節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)j的干擾強(qiáng)度，該干擾強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)i的發(fā)射功率、節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的距離以及干擾抑制技術(shù)等因素有關(guān)。在一個(gè)同時(shí)覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN的區(qū)域，當(dāng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站和WLAN的AP距離較近時(shí)，它們之間可能會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾，通過(guò)干擾矩陣I可以準(zhǔn)確描述這種干擾情況。4.2.2多中繼選擇數(shù)學(xué)模型建立以能量效率作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建多中繼選擇的數(shù)學(xué)模型。能量效率（EE）定義為系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)傳輸速率R與總能量消耗P_{total}的比值，即EE=\frac{R}{P_{total}}。系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)傳輸速率R取決于所選中繼節(jié)點(diǎn)的信道質(zhì)量和傳輸能力。假設(shè)每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R_i與源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D之間的信道容量分別為C_{Si}和C_{iD}，根據(jù)香農(nóng)公式，信道容量C與信道帶寬B、信噪比SNR的關(guān)系為C=B\log_2(1+SNR)。在實(shí)際計(jì)算中，需要考慮信道增益h_{mn}、噪聲功率N以及節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率P_m等因素，以準(zhǔn)確計(jì)算信噪比SNR。節(jié)點(diǎn)m到節(jié)點(diǎn)n的信噪比SNR_{mn}=\frac{P_m\verth_{mn}\vert^2}{N}。通過(guò)計(jì)算每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道容量，可以得到系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)傳輸速率R?？偰芰肯腜_{total}包括源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的能量消耗。源節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要用于信號(hào)發(fā)射，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為P_S，傳輸時(shí)間為T，則源節(jié)點(diǎn)的能量消耗為P_ST。中繼節(jié)點(diǎn)的能量消耗包括信號(hào)接收、處理和發(fā)射的能量消耗。假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)R_i的接收功率為P_{ri}，處理能量消耗為P_{pi}，發(fā)射功率為P_{ti}，傳輸時(shí)間同樣為T，則中繼節(jié)點(diǎn)R_i的能量消耗為(P_{ri}+P_{pi}+P_{ti})T。目的節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要用于信號(hào)接收，假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)的接收功率為P_D，傳輸時(shí)間為T，則目的節(jié)點(diǎn)的能量消耗為P_DT?？偰芰肯腜_{total}=P_ST+\sum_{i=1}^{N}(P_{ri}+P_{pi}+P_{ti})T+P_DT。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，還需要考慮各種約束條件，以確保模型的合理性和可行性。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其最大發(fā)射功率限制，以避免節(jié)點(diǎn)過(guò)度發(fā)射導(dǎo)致能量浪費(fèi)和干擾增加。源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率P_S不能超過(guò)其最大發(fā)射功率P_{S_{max}}，即P_S\leqP_{S_{max}}；中繼節(jié)點(diǎn)R_i的發(fā)射功率P_{ti}不能超過(guò)其最大發(fā)射功率P_{t_{i_{max}}}，即P_{ti}\leqP_{t_{i_{max}}}。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，需要滿足一定的信噪比要求。每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的信噪比SNR_{Si}和SNR_{iD}都應(yīng)大于最小信噪比閾值SNR_{min}，即SNR_{Si}\geqSNR_{min}，SNR_{iD}\geqSNR_{min}。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，若信噪比低于一定閾值，信號(hào)將無(wú)法被正確解調(diào)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。考慮到網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的負(fù)載不能超過(guò)其最大負(fù)載能力。假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)R_i的負(fù)載為L(zhǎng)_i，最大負(fù)載能力為L(zhǎng)_{i_{max}}，則L_i\leqL_{i_{max}}。通過(guò)綜合考慮這些約束條件，可以建立如下的多中繼選擇數(shù)學(xué)模型：\begin{align*}\max_{R_1,R_2,\cdots,R_N}&\frac{R}{P_{total}}\\s.t.&P_S\leqP_{S_{max}}\\&P_{ti}\leqP_{t_{i_{max}}},i=1,2,\cdots,N\\&SNR_{Si}\geqSNR_{min},i=1,2,\cdots,N\\&SNR_{iD}\geqSNR_{min},i=1,2,\cdots,N\\&L_i\leqL_{i_{max}},i=1,2,\cdots,N\end{align*}該數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)是在滿足各種約束條件的前提下，選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)組合，以最大化能量效率。通過(guò)求解這個(gè)數(shù)學(xué)模型，可以得到在不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的最優(yōu)中繼選擇方案，為高能效多中繼選擇算法的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。4.3算法詳細(xì)步驟鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在初始階段需要進(jìn)行鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)操作。源節(jié)點(diǎn)S通過(guò)廣播一個(gè)特定的發(fā)現(xiàn)消息，該消息中包含源節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、位置信息以及一些基本的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如支持的通信協(xié)議、最大發(fā)射功率等。在一個(gè)由多個(gè)不同類型節(jié)點(diǎn)組成的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)S以一定的功率在特定頻段上廣播發(fā)現(xiàn)消息。中繼節(jié)點(diǎn)R_i和目的節(jié)點(diǎn)D在接收到該消息后，記錄下源節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，并向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)包含自身信息的響應(yīng)消息。中繼節(jié)點(diǎn)R_i的響應(yīng)消息中會(huì)包含其自身的標(biāo)識(shí)、位置、剩余能量、支持的通信模式以及當(dāng)前的信道狀態(tài)信息（如信道增益、信噪比等）。目的節(jié)點(diǎn)D的響應(yīng)消息同樣包含自身的標(biāo)識(shí)、位置以及與源節(jié)點(diǎn)通信的相關(guān)參數(shù)。源節(jié)點(diǎn)S在接收到這些響應(yīng)消息后，構(gòu)建鄰居節(jié)點(diǎn)列表，列表中記錄了所有鄰居節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信息。中繼候選節(jié)點(diǎn)篩選：源節(jié)點(diǎn)S根據(jù)接收到的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，依據(jù)一定的篩選條件對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步篩選，以確定中繼候選節(jié)點(diǎn)集合。考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量因素，設(shè)置一個(gè)能量閾值E_{th}，只有剩余能量大于該閾值的中繼節(jié)點(diǎn)才被納入候選范圍。在一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)依靠電池供電，能量有限，若某個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于能量閾值E_{th}，則將其排除，以避免選擇能量過(guò)低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，防止其過(guò)早耗盡能量而影響網(wǎng)絡(luò)的連通性?？紤]信道質(zhì)量因素，設(shè)置最小信噪比閾值SNR_{min}，只有與源節(jié)點(diǎn)之間信道信噪比大于該閾值的中繼節(jié)點(diǎn)才被保留。在一個(gè)存在多徑衰落和干擾的無(wú)線通信環(huán)境中，若某個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)之間的信道信噪比低于SNR_{min}，則該中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量較差，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或中斷，因此將其排除。通過(guò)上述篩選條件，源節(jié)點(diǎn)S確定中繼候選節(jié)點(diǎn)集合\{R_{c1},R_{c2},\cdots,R_{cm}\}，其中m為候選節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。中繼節(jié)點(diǎn)評(píng)估：對(duì)于中繼候選節(jié)點(diǎn)集合中的每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)S根據(jù)預(yù)先構(gòu)建的中繼節(jié)點(diǎn)評(píng)估模型，計(jì)算其綜合評(píng)估值。該評(píng)估模型綜合考慮信道狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)剩余能量、傳輸距離和干擾情況等因素。對(duì)于信道狀態(tài)，通過(guò)測(cè)量候選中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道增益h_{mn}、信噪比SNR和誤碼率BER等參數(shù)來(lái)評(píng)估。假設(shè)候選中繼節(jié)點(diǎn)R_{ci}與源節(jié)點(diǎn)S之間的信道增益為h_{S_{ci}}，信噪比為SNR_{S_{ci}}，誤碼率為BER_{S_{ci}}；與目的節(jié)點(diǎn)D之間的信道增益為h_{c_{i}D}，信噪比為SNR_{c_{i}D}，誤碼率為BER_{c_{i}D}。對(duì)于節(jié)點(diǎn)剩余能量，獲取候選中繼節(jié)點(diǎn)R_{ci}的剩余能量E_{ci}。對(duì)于傳輸距離，計(jì)算候選中繼節(jié)點(diǎn)R_{ci}與源節(jié)點(diǎn)S之間的距離d_{S_{ci}}以及與目的節(jié)點(diǎn)D之間的距離d_{c_{i}D}。對(duì)于干擾情況，通過(guò)頻譜感知技術(shù)或其他干擾檢測(cè)方法，獲取候選中繼節(jié)點(diǎn)R_{ci}周圍的干擾強(qiáng)度信息I_{ci}。根據(jù)這些因素，構(gòu)建綜合評(píng)估函數(shù)f(R_{ci})，例如f(R_{ci})=w_1\timesSNR_{S_{ci}}+w_2\timesSNR_{c_{i}D}+w_3\timesE_{ci}-w_4\timesd_{S_{ci}}-w_5\timesd_{c_{i}D}-w_6\timesI_{ci}，其中w_1,w_2,\cdots,w_6為各因素的權(quán)重，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)置。在一個(gè)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的視頻傳輸場(chǎng)景中，可能會(huì)適當(dāng)提高信噪比因素的權(quán)重w_1和w_2，以確保視頻傳輸?shù)牧鲿承?；而在一個(gè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命要求較高的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，則可能會(huì)加大節(jié)點(diǎn)剩余能量因素的權(quán)重w_3。源節(jié)點(diǎn)S通過(guò)該綜合評(píng)估函數(shù)，計(jì)算每個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)估值。中繼節(jié)點(diǎn)確定：源節(jié)點(diǎn)S根據(jù)各候選中繼節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)估值，選擇綜合評(píng)估值最高的中繼節(jié)點(diǎn)作為最終的中繼節(jié)點(diǎn)。假設(shè)經(jīng)過(guò)計(jì)算，候選中繼節(jié)點(diǎn)R_{cj}的綜合評(píng)估值f(R_{cj})在所有候選節(jié)點(diǎn)中最大，則選擇R_{cj}作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)。若存在多個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)估值相同且為最大值的情況，則可以進(jìn)一步根據(jù)其他因素進(jìn)行選擇，如隨機(jī)選擇或選擇距離源節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)多候選中繼節(jié)點(diǎn)且綜合評(píng)估值相同的場(chǎng)景中，通過(guò)隨機(jī)選擇算法從這些節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)作為中繼節(jié)點(diǎn)，以避免出現(xiàn)選擇困境。確定中繼節(jié)點(diǎn)后，源節(jié)點(diǎn)S向該中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，中繼節(jié)點(diǎn)在接收到請(qǐng)求并確認(rèn)自身狀態(tài)允許后，回復(fù)確認(rèn)消息。源節(jié)點(diǎn)S在收到確認(rèn)消息后，開始將數(shù)據(jù)傳輸給中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)D。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道狀態(tài)和自身的能量消耗等情況，若發(fā)現(xiàn)信道質(zhì)量惡化或能量不足等異常情況，及時(shí)向源節(jié)點(diǎn)反饋，源節(jié)點(diǎn)則根據(jù)反饋信息重新進(jìn)行中繼選擇或調(diào)整傳輸策略。在中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的信道信噪比突然降低，低于一定閾值，中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信道質(zhì)量惡化的反饋消息，源節(jié)點(diǎn)收到消息后，可能會(huì)重新啟動(dòng)中繼選擇流程，選擇其他信道質(zhì)量更好的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)繼續(xù)完成數(shù)據(jù)傳輸。4.4算法復(fù)雜度分析算法復(fù)雜度是衡量算法性能的重要指標(biāo)之一，它對(duì)于評(píng)估算法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和效率具有關(guān)鍵意義。對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的面向異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的高能效多中繼選擇算法，主要從時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度兩個(gè)方面進(jìn)行深入分析。在時(shí)間復(fù)雜度方面，算法的執(zhí)行時(shí)間主要受到鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、中繼候選節(jié)點(diǎn)篩選、中繼節(jié)點(diǎn)評(píng)估以及中繼節(jié)點(diǎn)確定等關(guān)鍵步驟的影響。在鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)階段，源節(jié)點(diǎn)需要廣播發(fā)現(xiàn)消息，然后接收來(lái)自所有鄰居節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)消息。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為N，則此階段的時(shí)間復(fù)雜度為O(N)。這是因?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)需要與每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次消息交互，交互次數(shù)與節(jié)點(diǎn)總數(shù)成正比。在一個(gè)包含100個(gè)節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)需要向這100個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)現(xiàn)消息，并接收它們的響應(yīng)，消息交互次數(shù)為100次，時(shí)間復(fù)雜度即為O(100)，可簡(jiǎn)化為O(N)。中繼候選節(jié)點(diǎn)篩選階段，源節(jié)點(diǎn)需要對(duì)每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行逐一檢查，判斷其是否滿足預(yù)先設(shè)定的篩選條件。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，需要檢查節(jié)點(diǎn)剩余能量是否大于能量閾值以及信道信噪比是否大于最小信噪比閾值等條件。由于需要對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行這些檢查操作，因此該階段的時(shí)間復(fù)雜度同樣為O(N)。在上述100個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)需要對(duì)這100個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量和信道信噪比等信息進(jìn)行檢查，操作次數(shù)與節(jié)點(diǎn)總數(shù)相關(guān)，時(shí)間復(fù)雜度為O(N)。中繼節(jié)點(diǎn)評(píng)估階段的計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。對(duì)于每個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn)，需要根據(jù)綜合評(píng)估函數(shù)計(jì)算其綜合評(píng)估值。該綜合評(píng)估函數(shù)涉及信道狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)剩余能量、傳輸距離和干擾情況等多個(gè)因素，每個(gè)因素的計(jì)算都需要一定的時(shí)間開銷。假設(shè)候選中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為M，計(jì)算每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)估值需要進(jìn)行多次乘法和加法運(yùn)算，其時(shí)間復(fù)雜度為O(M)。在一個(gè)有20個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景中，源節(jié)點(diǎn)需要對(duì)這20個(gè)候選節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算綜合評(píng)估值，計(jì)算次數(shù)為20次，時(shí)間復(fù)雜度為O(20)，即O(M)。由于M通常小于或等于N，所以該階段的時(shí)間復(fù)雜度也可近似看作O(N)。中繼節(jié)點(diǎn)確定階段，源節(jié)點(diǎn)需要從所有候選中繼節(jié)點(diǎn)中選擇綜合評(píng)估值最高的節(jié)點(diǎn)。這可以通過(guò)一次遍歷所有候選節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，時(shí)間復(fù)雜度為O(M)，同樣可近似看作O(N)。在20個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn)中選擇綜合評(píng)估值最高的節(jié)點(diǎn)，需要對(duì)這20個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次遍歷比較，時(shí)間復(fù)雜度為O(20)，即O(N)。綜上所述，整個(gè)算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(N)，這表明算法的執(zhí)行時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量呈線性關(guān)系，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，算法的執(zhí)行時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加，但增長(zhǎng)速度相對(duì)較為緩慢，具有較好的可擴(kuò)展性。從空間復(fù)雜度來(lái)看，算法在運(yùn)行過(guò)程中主要涉及鄰居節(jié)點(diǎn)列表、中繼候選節(jié)點(diǎn)集合以及一些臨時(shí)變量的存儲(chǔ)空間占用。鄰居節(jié)點(diǎn)列表用于存儲(chǔ)源節(jié)點(diǎn)接收到的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，其大小與鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量成正比，假設(shè)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N，則鄰居節(jié)點(diǎn)列表的空間復(fù)雜度為O(N)。在實(shí)際的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，若源節(jié)點(diǎn)周圍有50個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，那么鄰居節(jié)點(diǎn)列表就需要存儲(chǔ)這50個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，其空間占用與節(jié)點(diǎn)數(shù)量相關(guān)，空間復(fù)雜度為O(50)，即O(N)。中繼候選節(jié)點(diǎn)集合用于存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)篩選后的候選中繼節(jié)點(diǎn)信息，其大小與候選中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量相關(guān)。假設(shè)候選中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量為M，則中繼候選節(jié)點(diǎn)集合的空間復(fù)雜度為O(M)。由于M通常小于或等于N，所以也可近似看作O(N)。在一個(gè)有15個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn)的情況下，中繼候選節(jié)點(diǎn)集合需要存儲(chǔ)這15個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，空間復(fù)雜度為O(15)，即O(N)。此外，算法在計(jì)算過(guò)程中還會(huì)使用一些臨時(shí)變量，用于存儲(chǔ)中間計(jì)算結(jié)果等信息。這些臨時(shí)變量的空間占用相對(duì)較小，通常為常數(shù)級(jí)別的空間復(fù)雜度O(1)。在計(jì)算綜合評(píng)估值時(shí)，可能會(huì)使用幾個(gè)臨時(shí)變量來(lái)存儲(chǔ)中間計(jì)算得到的信道增益、信噪比等數(shù)值，這些變量的數(shù)量固定，不隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化而變化，空間復(fù)雜度為O(1)。綜合以上分析，整個(gè)算法的空間復(fù)雜度為O(N)，這意味著算法所需的存儲(chǔ)空間與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量成正比，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，算法所需的存儲(chǔ)空間也會(huì)相應(yīng)增加。與現(xiàn)有一些多中繼選擇算法相比，本文算法在復(fù)雜度方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。一些傳統(tǒng)的基于窮舉搜索的多中繼選擇算法，其時(shí)間復(fù)雜度通常為指數(shù)級(jí)O(2^N)。這種算法需要對(duì)所有可能的中繼節(jié)點(diǎn)組合進(jìn)行遍歷和評(píng)估，以找到最優(yōu)的中繼選擇方案。在一個(gè)包含10個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，基于窮舉搜索的算法需要計(jì)算2^{10}=1024種不同的中繼節(jié)點(diǎn)組合，計(jì)算量巨大，隨著中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，計(jì)算時(shí)間會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。而本文算法的時(shí)間復(fù)雜度僅為O(N)，大大降低了計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，能夠在實(shí)際的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中更快速地完成中繼選擇操作。在空間復(fù)雜度方面，一些算法可能需要存儲(chǔ)大量的中間數(shù)據(jù)和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，導(dǎo)致空間復(fù)雜度較高。而本文算法通過(guò)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程優(yōu)化，將空間復(fù)雜度控制在O(N)，在存儲(chǔ)空間利用上更加高效，能夠適應(yīng)大規(guī)模異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。五、算法性能分析與仿真實(shí)現(xiàn)5.1性能評(píng)估指標(biāo)為了全面、準(zhǔn)確地評(píng)估所設(shè)計(jì)的面向異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的高能效多中繼選擇算法的性能，選取了一系列具有代表性和針對(duì)性的性能評(píng)估指標(biāo)，這些指標(biāo)涵蓋了能量效率、吞吐量、傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間等多個(gè)關(guān)鍵方面，能夠從不同角度反映算法在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的運(yùn)行效果和優(yōu)劣。能量效率是本研究最為關(guān)注的核心指標(biāo)之一，它直接體現(xiàn)了算法在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能量利用方面的能力。如前文所述，能量效率定義為系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)傳輸速率與總能量消耗的比值。在實(shí)際評(píng)估中，通過(guò)精確測(cè)量在不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和業(yè)務(wù)負(fù)載下，算法運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率以及源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)等各節(jié)點(diǎn)的能量消耗情況，進(jìn)而計(jì)算出能量效率值。在一個(gè)包含多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景中，設(shè)置不同的業(yè)務(wù)類型和數(shù)據(jù)傳輸量，分別測(cè)量在采用本算法和傳統(tǒng)算法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸總量以及所有節(jié)點(diǎn)的總能量消耗。假設(shè)在某一特定場(chǎng)景下，采用本算法時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為R_1，總能量消耗為P_{total1}，則本算法的能量效率EE_1=\frac{R_1}{P_{total1}}；采用傳統(tǒng)算法時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率為R_2，總能量消耗為P_{total2}，傳統(tǒng)算法的能量效率EE_2=\frac{R_2}{P_{total2}}。通過(guò)對(duì)比EE_1和EE_2的值，可以直觀地判斷本算法在能量效率方面相對(duì)于傳統(tǒng)算法的提升程度。能量效率的提升對(duì)于降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本、減少能源消耗以及推動(dòng)綠色通信發(fā)展具有重要意義。在大規(guī)模的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，高能量效率的算法能夠顯著降低基站和中繼節(jié)點(diǎn)的能耗，減少對(duì)環(huán)境的影響。吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的重要指標(biāo)，它反映了在單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。在仿真實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間傳輸一定數(shù)量和大小的數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計(jì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)目的節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量，并根據(jù)數(shù)據(jù)包的大小計(jì)算出實(shí)際的吞吐量。在一個(gè)模擬的視頻傳輸場(chǎng)景中，源節(jié)點(diǎn)不斷向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送高清視頻數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包大小為100KB。在采用本算法時(shí)，在10秒的傳輸時(shí)間內(nèi)，目的節(jié)點(diǎn)成功接收了1000個(gè)數(shù)據(jù)包，則本算法下的吞吐量為100\times1000\div10=10000KB/s。而在相同場(chǎng)景下采用傳統(tǒng)算法時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)在10秒內(nèi)成功接收了800個(gè)數(shù)據(jù)包，傳統(tǒng)算法下的吞吐量為100\times800\div10=8000KB/s。通過(guò)對(duì)比不同算法下的吞吐量，可以評(píng)估算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的影響。較高的吞吐量意味著網(wǎng)絡(luò)能夠更快速地傳輸數(shù)據(jù)，滿足用戶對(duì)大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枨?，如高清視頻流、大文件下載等業(yè)務(wù)。傳輸延遲是指數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間，它直接影響用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性體驗(yàn)。在仿真過(guò)程中，利用時(shí)間戳技術(shù)，記錄每個(gè)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的時(shí)間以及到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，兩者的時(shí)間差即為該數(shù)據(jù)包的傳輸延遲。在一個(gè)實(shí)時(shí)語(yǔ)音通話的仿真場(chǎng)景中，源節(jié)點(diǎn)不斷向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送語(yǔ)音數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包都帶有發(fā)送時(shí)間戳。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，記錄接收時(shí)間，并計(jì)算與發(fā)送時(shí)間的差值。通過(guò)統(tǒng)計(jì)大量數(shù)據(jù)包的傳輸延遲，計(jì)算其平均值，得到平均傳輸延遲。假設(shè)在采用本算法時(shí)，對(duì)1000個(gè)語(yǔ)音數(shù)據(jù)包的傳輸延遲進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平均傳輸延遲為t_1毫秒；采用傳統(tǒng)算法時(shí)，相同數(shù)量數(shù)據(jù)包的平均傳輸延遲為t_2毫秒。對(duì)比t_1和t_2，可以判斷本算法在降低傳輸延遲方面的效果。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)，如在線游戲、實(shí)時(shí)視頻會(huì)議等，低傳輸延遲能夠保證用戶之間的交互更加流暢，減少卡頓和延遲感，提升用戶體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是指從網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行到由于節(jié)點(diǎn)能量耗盡等原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常工作的時(shí)間間隔。在仿真中，通過(guò)模擬節(jié)點(diǎn)的能量消耗過(guò)程，設(shè)置節(jié)點(diǎn)的初始能量以及在數(shù)據(jù)傳輸、接收和處理過(guò)程中的能量消耗模型。在一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真場(chǎng)景中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量為E_0，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，每次發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包都消耗一定的能量。隨著仿真的進(jìn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中一定比例（如50%）的節(jié)點(diǎn)能量耗盡，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，記錄此時(shí)的仿真時(shí)間，即為網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。在采用本算法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為T_1；采用傳統(tǒng)算法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間為T_2。對(duì)比T_1和T_2，可以評(píng)估算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可持續(xù)運(yùn)行能力的影響。較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)于一些需要長(zhǎng)期運(yùn)行的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能交通等，具有重要意義，能夠減少網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和節(jié)點(diǎn)更換的成本。5.2仿真環(huán)境搭建為了全面、準(zhǔn)確地評(píng)估所設(shè)計(jì)的高能效多中繼選擇算法在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的性能，選用Matlab作為仿真工具。Matlab憑借其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)以及便捷的可視化功能，在通信領(lǐng)域的仿真研究中得到了廣泛應(yīng)用。在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的仿真中，能夠利用Matlab高效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法邏輯，對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行精確的數(shù)值計(jì)算，并通過(guò)直觀的圖形展示仿真結(jié)果，從而為算法性能分析提供有力支持。在仿真參數(shù)設(shè)置方面，充分考慮異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和多樣性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、信道參數(shù)、業(yè)務(wù)模型等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)定。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用隨機(jī)分布的方式進(jìn)行構(gòu)建，模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署情況。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)1000m×1000m的正方形區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布