[發(fā)明專利]一種基于節(jié)點狀態(tài)的多維無線傳感網(wǎng)絡(luò)容量測算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410193560.3
• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN104038949B
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周凱;蔣維;孟利民
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H04W16/22
• 分類號: H04W16/22;H04W84/18
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司33241
• 代理人: 王利強

1.一種基于節(jié)點狀態(tài)的多維無線傳感網(wǎng)絡(luò)容量測算方法，其特征在于：所述測算方法包括以下步驟：

1)建立基于信噪比和網(wǎng)絡(luò)生存時間的多維網(wǎng)絡(luò)容量計算模型，過程如下：

假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)初始時刻，每個節(jié)點的能量都相同為一個定值E₀，那么，時刻t節(jié)點k的剩余能量E_k(t)隨時間變化函數(shù)關(guān)系式表示如下：

E_k(t)＝E₀-k₁E_Tx-k₂E_Rx-k₃(E_Tx+E_Rx)

其中，E_Tx表示發(fā)送者能量消耗，E_Rx表示接收者能量消耗，k₁表示k節(jié)點作為發(fā)送節(jié)點發(fā)送信息的次數(shù)，k₂表示k節(jié)點作為接收節(jié)點接收報文的次數(shù)，k₃表示k節(jié)點作為中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)報文的次數(shù)；

以網(wǎng)絡(luò)中第一個節(jié)點因能量消耗退出網(wǎng)絡(luò)的時間定義網(wǎng)絡(luò)生存時間，生存時間T數(shù)學(xué)模型表達式如下所示：

minE_i(T)＝0表示網(wǎng)絡(luò)中第一節(jié)點能量消耗完，同時，網(wǎng)絡(luò)第一個節(jié)點消耗完的最初始時間minT為網(wǎng)絡(luò)生存時間；

考慮網(wǎng)絡(luò)生存時間和信道信噪比兩個維度的信息，狀態(tài)矢量函數(shù)信道信噪比指標(biāo)α_ik，網(wǎng)絡(luò)生存時間指標(biāo)β_ik通過如下過程計算得到：

P_k(t)表示時刻t節(jié)點k的發(fā)送功率，γ_ki(t)表示時刻t兩個節(jié)點間即節(jié)點i和節(jié)點k之間的信道增益，η表示網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)境噪聲功率，E_i(t)表示時刻t節(jié)點i的剩余能量，E_k(t)表示時刻t節(jié)點k的剩余能量；

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由移動節(jié)點組成的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，時刻t網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點i和節(jié)點j之間的距離 通過下式表示：

＝||X_i(t)-X_j(t)||

X_i(t)和X_j(t)分別表示時刻t節(jié)點i和節(jié)點j的位置坐標(biāo)；

如果兩節(jié)點間直接通信距離為R，發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離大于閾值R，必須通過中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息才能通信，定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 連通性矩陣G(t)＝(g_ij(t))_N×N：

當(dāng)源節(jié)點s向目的節(jié)點d發(fā)送c_s個單位數(shù)據(jù)時，它們的信息傳送路徑通過0-1變量表示，0-1變量的含義如公式：

源節(jié)點s向目的節(jié)點d成功發(fā)送數(shù)據(jù)時必須滿足圖論中的通路約束，即從源節(jié)點s出發(fā)到目的節(jié)點d終止，數(shù)學(xué)表達式如下所示：

說明從源節(jié)點s有信息發(fā)出來， 說明有信息送達到目的節(jié)點d， 說明除了源節(jié)點s和目的節(jié)點d外，其他節(jié)點僅作信息轉(zhuǎn)發(fā)，不作為源節(jié)點和目的節(jié)點；

除此之外，鏈路作為傳送路徑的組成部分時，還必須滿足信噪比的要求和節(jié)點剩余能量的要求，數(shù)學(xué)表達式如下所示：

α_ijx_ij≥χ說明鏈路滿足基本的信噪比要求，其中α_ij表示鏈路信道信噪比指標(biāo)，χ表示間正常通信時所需的信噪比閾值，β_ijx_ij＞0說明鏈路兩端的節(jié)點能量都大于零，β_ij表示鏈路網(wǎng)絡(luò)生存時間指標(biāo)；

基于信噪比和網(wǎng)絡(luò)生存時間的多維網(wǎng)絡(luò)容量計算模型表示如下：

maxΣc_s

maxΣc_s表示網(wǎng)絡(luò)生存時間內(nèi)所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘浚?/p>

2)測算網(wǎng)絡(luò)容量：使用Grover算法進行優(yōu)化控制使得多維網(wǎng)絡(luò)容量計算模型逼近網(wǎng)絡(luò)容量上限，得到多維無線傳感網(wǎng)絡(luò)容量。

2.如權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點狀態(tài)的多維無線傳感網(wǎng)絡(luò)容量測算方法，其特征在于：所述步驟2)中，根據(jù)連通矩陣構(gòu)建N×N的操作矩陣U，操作矩陣需要包含網(wǎng)絡(luò)生存時間和中斷概率兩種信息，對于網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點i都維護著這樣一個操作矩陣U＝(u_imn)_N×N，構(gòu)造方式如下：

其中，在信息傳輸過程中，傳輸節(jié)點需要滿足：u_imn為負(fù)數(shù)這一條件，同時傳輸鏈路滿足信噪比閾值條件；

在Grover搜索過程中，操作矩陣恒定不變，構(gòu)造方式如下：

在Grover搜索計算網(wǎng)絡(luò)容量的過程中，每個節(jié)點初始化振幅都相等，表達如下：

當(dāng)節(jié)點i需要確定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時，通過兩個矩陣計算后續(xù)節(jié)點的概率，在上一跳時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的振幅為γ_k，運算后每個節(jié)點的振幅γ_k+1；

因為操作矩陣不是單位矩陣，需要進行歸一化處理，本地節(jié)點的選擇概率計算公式如下：