[發明專利]一種基于節點狀態的多維無線傳感網絡容量測算方法

有效

• 申請號: 201410193560.3
• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN104038949B
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 周凱;蔣維;孟利民
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 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所有限公司33241
• 代理人: 王利強

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡領域，尤其是一種無線傳感網絡容量的測算方法。

背景技術

由大量傳感器節點以多跳自組織方式構成的無線傳感網絡俱有組網靈活、不受有線設備約束等優勢，被廣泛應用于緊急搜救、軍事演習和醫療救治等實際應用中，已經引起產業界的高度重視，并逐漸發展成為21世紀最有前景的技術。其中，如何計算無線傳感網絡整體信道特性和傳輸協議下所能夠支持的最大信息流便是無線網絡的網絡容量問題，也是無線網絡研究和設計的熱點。但是，由于無線網絡的特殊性(拓撲結構多變、多路徑衰落效應等)，使得無線網絡吞吐量遠小于有線網絡，并不能直接應用香農公式計算無線網絡容量。因此，針對無線網絡的特點，設計算法計算無線網絡容量并采取措施提高網絡容量成為一個非常關鍵的問題。

通過對國內外文獻的研究，發現在不同的文獻中網絡容量有多種定義各不相同，在不同的應用環境下具有不同的物理含義。Gupta和Kumar提出的傳輸容量，即網絡中最大節點密度與成功傳輸比特速率的乘積被廣泛的認可，并被認定為無線網絡容量研究的里程碑。2000年，Gupta發表的論文中，針對網絡節點位置、傳輸功率、業務類型等不同設置提出任意網絡模型和隨機網絡模型。

i表示發送節點標號，j表示接收節點標號，P_i(t)表示時刻t發送節點的發送功率，γ_ij(t)表示時刻t兩個節點間(即節點i和節點j)的信道增益，則接收節點j的接收功率可以表示為P_i(t)γ_ij(t)。任意時刻t，如果接收節點的信噪比滿足如下公式，則說明發送節點和接收節點間能夠進行通信。

其中，χ表示發送節點和接收節點間正常通信時所需的信噪比閾值，η表示網絡中的環境噪聲功率。如果僅考慮大尺度路徑損耗，信道增益可以表示為：

γ_ij(t)＝|X_i(t)-X_j(t)|^-α

其中，α為大于2的參數，X_i(t)和X_j(t)分別表示時刻t發送節點i和接收節點j的位置坐標。

只有當信道信噪比大于閾值χ時，信息可以從發送節點正常傳輸到接收節點。因此，通信中斷概率ε可以通過公式得到。

由此可以推導出Gupta等人提出的經典網絡容量：無線網絡最大節點密度下成功傳輸的信息速率，網絡容量C計算公式如下：

C＝λ^ε(1-ε)

其中，λ^ε表示能夠支持中斷概率為ε下無線網絡所能達到的最大節點密度。

發明內容

為了克服現有Gupta和Kumar提出以信噪比衡量網絡容量、過程中并未考慮其他網絡信息的不足。例如，原有的計算過程中并考慮到能量等服務質量因素，有些通信過程雖然能夠滿足信噪比的要求，但是并不符合能量等服務質量要求，造成實際過程中的網絡容量要低于僅考慮信噪比所得到的網絡容量。另外，隨著時間的推移，網絡中節點能量的變化，網絡傳輸中斷概率將會增加，造成網絡容量也會下降，這一點在原始計算過程中并未體現。

本發明提供一種綜合考慮信噪比和網絡生存時間兩維信息的基于節點狀態的多維無線傳感網絡容量測算方法。本發明定義無線傳感網絡生存時間內所能傳輸的最大信息量為網絡容量。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于節點狀態的多維無線傳感網絡容量測算方法，所述測算方法包括以下步驟：

1)建立基于信噪比和網絡生存時間的多維網絡容量計算模型，過程如下：

假設在網絡初始時刻，每個節點的能量都相同為一個定值E₀，那么，時刻t節點k的剩余能量E_k(t)隨時間變化函數關系式表示如下：

E_k(t)＝E₀-k₁E_Tx-k₂E_Rx-k₃(E_Tx+E_Rx)

其中，E_Tx表示發送者能量消耗，E_Rx表示接收者能量消耗，k₁表示k節點作為發送節點發送信息的次數，k₂表示k節點作為接收節點接收報文的次數，k₃表示k節點作為中間節點轉發報文的次數；