[發明專利]一種均勻部署條件下無線傳感器網絡的壽命優化方法

有效

• 申請號: 201310582958.1
• 申請日: 2013-11-19
• 公開（公告）號: CN103634867B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 劉小西;李瑞瑩;黃寧
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W52/20;H04W84/18
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 趙文穎

1.一種均勻部署條件下無線傳感器網絡的壽命優化方法，包括如下步驟：

步驟一：部署一維無線傳感器網絡；

具體步驟如下：

部署探測范圍為D的一維傳感器網絡，網絡包括n個傳感器和一個基站，所有傳感器節點及基站部署在一條定長的直線上，該一維網絡總長為D，網絡中的傳感器節點數為n，則相鄰傳感器間的距離為

每個傳感器在一個周期內只感知到一個數據包，各傳感器節點依次向后一個鄰居傳感器節點傳遞信息，當各傳感器節點接收到的信息不正確或信息接收超時，前一傳感器節點會將信息重傳，直到達到設定的最大重傳次數；

步驟二：獲取無線傳感器節點的能耗模型；

具體包括如下步驟：

第i個傳感器節點探測到m比特數據包，然后發送給相鄰的距離為d的第i+1個傳感器節點，其中：

發送m比特信息的能耗為E_t，

E_t＝(β₁+β₂d^α)m，

其中，β₁和β₂是系統固有參數，d是傳輸距離，α是路徑損耗指數；

接受m比特信息的能耗為E_r，

E_r＝β₃m，

其中，β₃是系統固有參數；

當傳感器節點處于空閑狀態，在一個信息收集周期內的能耗為E_id，

E_id＝β₄t_idPm，

其中，β₄是系統固有參數，t_id是空閑時間，P是傳感器對感知到的信息包的處理率；

步驟三：獲取一維無線傳感器網絡的重傳模型；

具體包括如下步驟：

重傳時無線傳感器網絡中傳遞的信息包括感知數據和確認信息兩種，確認信息用ACK表示，第i個傳感器節點向第i+1個傳感器節點傳遞數據，如果第i+1個傳感器節點成功接收數據，則發送ACK信息給第i個傳感器節點；如果第i個傳感器節點沒有接收到ACK信息，則會重新傳遞數據，直到達到最大的重傳次數；每個傳感器節點都有存儲器，會存儲數據直到其被后一個傳感器節點接收；

單個傳感器節點的重傳概率模型如下：

RR(d)=1-[1-12e-(Pt-PL(1)-20lg(d)-Sr2)10.64]2m-ld≤8m1-[1-12e-(Pt-PL(1)-20lg(8)-33lg(d8)-Sr2)10.64]2m-ld>8m]]>

其中，m和l分別是數據包和報文頭的長度，d是信息傳輸距離，P_t是傳輸功率，S_r是接收器靈敏度，PL(d)是路徑損耗參數，f是帶寬，C為光速299792458m/s；

步驟四：獲取考慮重傳的一維無線傳感器網絡的能耗模型；

具體包括如下步驟：

步驟4.1假設每個感知數據的傳遞是獨立的，當最大重傳次數為2時，則每個感知數據最多被傳遞3次；在每次感知數據傳遞中都有三種情形：（1）感知數據和ACK信息都被成功傳遞；（2）感知數據被成功傳遞，而ACK信息沒有被發送端接收到；（3）接收端不能接收到感知數據，發送端也沒有接收到ACK信息；在情形（2）和（3）中認為感知數據發送失敗，發送端會重傳感知數據直到達到最大重傳次數；

表1列出了最多重傳兩次時，考慮重傳的一維無線傳感器網絡的所有數據傳遞狀態；

表1?考慮重傳的相鄰節點間數據傳遞狀態

在表1中，SD表示感知數據，每次信息傳遞的結果為：1，0和N/A分別表示每次信息傳遞可能有三種狀況：成功、失敗和無傳遞；感知數據包和ACK信息共有15種可能的數據傳遞狀態，S和F分別表示每種傳遞狀態下是否最終成功傳遞了感知數據，S表示成功，F表示失敗；A和B分別是傳感器感知到的數據和ACK信息的重傳概率；

步驟4.2由表1計算，得到15種數據傳遞狀態的發生概率，用A和B的表達式表示；TT_SD,j(d)和TT_ACK,j(d)分別是感知數據和ACK信息被傳遞j次的概率，j=1,2,3，其表達式如下：

TT_SD,1(d)＝(1-A)(1-B)

TT_SD,2(d)＝(1-A)(1-B)[A+B(1-A)]

TT_SD,3(d)＝A²(1-A)(1-B)+A³+3A²B(1-A)+2AB(1-A)²(1-B)+

3AB²(1-A)²+B²(1-A)³

TT_ACK,1(d)＝(1-A)(1-B)+A(1-A)(1-B)+A²(1-A)(1-B)+

3A²B(1-A)

TT_ACK,2(d)＝B(1-A)²(1-B)+2AB(1-A)²(1-B)+3AB²(1-A)²

TT_ACK,3(d)＝B²(1-A)³

步驟4.3將步驟4.2中的傳遞次數概率公式與步驟二中的發送、接收和空閑狀態下的能耗模型綜合，得到考慮重傳時，第i個傳感器節點處的能耗模型如下：

Ei=imSD[(β1+β2diα)-β4][TTSD,1(di)+2TTSD,2(di)+3TTSD,3(di)]+]]>

imACK[β3-β4][TTACK,1(di)+2TTACK,2(di)+3TTACK,3(di)]+]]>

(i-1)mSD[β3-β4][TTSD,1(di-1)+2TTSD,2(di-1)+3TTSD,3(di-1)]+]]>

(i-1)mACK[(β1+β2di-1α)-β4][TTACK,1(di-1)+2TTACK,2(di-1)+3TTACK,3(di-1)]+β4tidPmSD]]>

其中，i=1,2,3,…,n，m_SD是感知數據的比特數，m_ACK是ACK信息的比特數；

步驟五：獲取考慮重傳的一維無線傳感器網絡的可靠性模型

由于表1中15種組合傳遞形式為獨立事件，將這15種組合中成功傳遞的概率相加，得到傳感器網絡在每個感知信息收集周期內每個傳感器節點向后一傳感器節點成功傳遞數據的概率，即相鄰傳感器間傳遞可靠度S(d_i)；

S(d)＝1-A³-2A²B(1-A)-AB²(1-A)²，

將感知數據傳遞路徑上所有相鄰傳感器節點間的傳遞可靠度相乘，得到每個信息收集周期內第i個傳感器向基站成功傳遞數據的概率，即感知數據傳遞可靠度S(i)：

S(i)＝[S(d)]^n-i+1，

傳感器節點1處的成功傳遞可靠度S(1)最小，為整網數據傳遞可靠度；

步驟六：獲取均勻部署條件下一維無線傳感器網絡的壽命優化模型及求解；

步驟6.1建立壽命優化模型

均勻部署條件下無線傳感器網絡壽命優化模型為：

MaxL=E0Ent,]]>

約束條件：

S(1)＞S^*

d≤2R_s

式中，E₀為每個傳感器節點攜帶的初始能量；E_n為第n個傳感器節點在一個周期中的能耗，在均勻部署中第n個傳感器節點的能耗即為最大單傳感器能耗；t為一個信息收集周期；S^*是規定的整網數據傳遞可靠度要求；R_s是傳感器節點的監測范圍；

步驟6.2優化算法及優化模型求解

建立起優化模型后，對優化模型進行求解，得到相鄰節點間的最佳部署距離和定長的一維網絡中可部署的最佳傳感器數。