[發(fā)明專利]一種基于幾何學(xué)概率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗估計(jì)模型的建模仿真方法

有效

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• 申請日: 2016-03-16
• 公開（公告）號: CN105704735B
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王昌征;毛劍琳;付麗霞;郭寧;曲蔚賢
• 申請（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號: H04W24/00
• 分類號: H04W24/00;H04L12/24;H04W84/18
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1.一種基于幾何學(xué)概率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗估計(jì)模型的建模仿真方法，其特征在于：首先在規(guī)定區(qū)域內(nèi)和規(guī)定通信方式下隨機(jī)播撒無線傳感器節(jié)點(diǎn)，得到節(jié)點(diǎn)間通信距離的理論概率分布函數(shù)及其擬合函數(shù)；引入半Markov鏈的節(jié)點(diǎn)能耗模型，得到與時(shí)間有關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗功率計(jì)算公式；然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間距離的數(shù)學(xué)期望，加入節(jié)點(diǎn)能量計(jì)算模型，根據(jù)節(jié)點(diǎn)在四種狀態(tài)下的能耗比例和能耗功率計(jì)算公式，得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗估計(jì)函數(shù)；最后通過仿真獲得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗估計(jì)函數(shù)圖像，蒙特卡羅模擬方法得到能耗估計(jì)函數(shù)的擬合圖像；

所述方法的具體步驟如下：

Step1、節(jié)點(diǎn)間通信距離的理論概率分布函數(shù)的獲得：

在規(guī)定區(qū)域內(nèi)和規(guī)定通信方式下隨機(jī)播撒無線傳感器節(jié)點(diǎn)，通過幾何積分的方法獲得理論概率分布函數(shù)為u₁(d)或者u₂(d)，對理論概率分布函數(shù)通過蒙特卡羅模擬方法分別得到其擬合函數(shù)；

所述規(guī)定區(qū)域?yàn)閱蝹€正六邊形時(shí)的擬合函數(shù)u₃(d)的公式為：

所述規(guī)定區(qū)域?yàn)閮蓚€相鄰正六邊形時(shí)的擬合函數(shù)u₄(d)的公式為：

u₄(d)＝-3.60×10^-3d¹⁰M₂^-10+6.63×10^-2d⁹M₂^-9-5.20×10^-1d⁸M₂^-8+2.26×d⁷M₂^-7-5.94d⁶M₂⁶+9.65d⁵M₂^-5-9.59d⁴M₂^-4+5.68d³M₂^-3-1.72d²M₂^-2+2.59×10^-1dM₂^-1

其中，u₁(d)、u₂(d)分別表示規(guī)定區(qū)域?yàn)閱蝹€正六邊形、兩個相鄰正六邊形時(shí)的理論概率分布函數(shù)，d表示節(jié)點(diǎn)之間的通信距離；M₁表示規(guī)定區(qū)域?yàn)閱蝹€正六邊形時(shí)的邊長，M₂表示規(guī)定區(qū)域?yàn)閮蓚€相鄰正六邊形時(shí)的邊長；

Step2、引入半Markov鏈的節(jié)點(diǎn)能耗模型，得到與時(shí)間有關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗功率計(jì)算公式u₅(d)；

所述u₅(d)的公式為：

u₅(d)＝t×(P_1,1×P_S+P_2,2×P_T+P_3,3×P_R+P_4,4×P_F)

其中，P_1,1、P_2,2、P_3,3和P_4,4分別為節(jié)點(diǎn)在S態(tài)、T態(tài)、R態(tài)和F態(tài)四種狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)概率，節(jié)點(diǎn)在這四種狀態(tài)下消耗的能耗功率分別為P_S、P_T、P_R和P_F；t為狀態(tài)轉(zhuǎn)換的總時(shí)間，S態(tài)表示睡眠，T態(tài)表示發(fā)送，R態(tài)表示接受，F(xiàn)態(tài)表示空閑；

Step3、根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間距離的數(shù)學(xué)期望，加入節(jié)點(diǎn)能量計(jì)算模型u₈(d)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)在四種狀態(tài)下的能耗比例和能耗功率計(jì)算公式u₅(d)，得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗估計(jì)函數(shù)u₉(d)或者u₁₀(d)；

Step3.1、通過擬合函數(shù)u₃(d)或者u₄(d)分別得到節(jié)點(diǎn)之間距離的數(shù)學(xué)期望為u₆(d)或者u₇(d)：

所述u₆(d)的公式為：u₆(d)≈0.8262542775M₁；

所述u₇(d)的公式為：u₇(d)≈1.858336696M₂；

其中，u₆(d)、u₇(d)分別表示規(guī)定區(qū)域?yàn)閱蝹€正六邊形、兩個相鄰正六邊形時(shí)的節(jié)點(diǎn)之間距離的數(shù)學(xué)期望；

Step3.2、加入節(jié)點(diǎn)能量計(jì)算模型u₈(d)；其中，u₈(d)表示節(jié)點(diǎn)工作所需的能量，u₈(d)＝(α+βd^m)·L；α表示傳輸一比特信息所需的能量且包括啟動時(shí)消耗的能量、β表示傳輸過程中單位能量的損耗、L表示所發(fā)數(shù)據(jù)的長度、m表示信號的消減因子；

Step3.3、在節(jié)點(diǎn)能量計(jì)算模型u₈(d)的基礎(chǔ)上，等式兩邊同時(shí)除以時(shí)間t，則有P＝(α+βd^m)·ν；其中，P表示能耗功率、ν表示數(shù)據(jù)傳輸速率；

Step3.4、根據(jù)節(jié)點(diǎn)在四種狀態(tài)下的能耗比例和能耗功率計(jì)算公式u₅(d)，得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗估計(jì)函數(shù)為u₉(d)或者u₁₀(d)：

所述u₉(d)的公式為：

所述u₁₀(d)的公式為：

其中，u₉(d)、u₁₀(d)分別表示規(guī)定區(qū)域?yàn)閱蝹€正六邊形、兩個相鄰正六邊形時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗估計(jì)函數(shù)；

Step4、在規(guī)定區(qū)域內(nèi)和規(guī)定通信方式下隨機(jī)播撒無線傳感器節(jié)點(diǎn)，通過仿真獲得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗估計(jì)函數(shù)u₉(d)或者u₁₀(d)圖像，蒙特卡羅模擬方法得到能耗估計(jì)函數(shù)的擬合圖像。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于幾何學(xué)概率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗估計(jì)模型的建模仿真方法，其特征在于：所述規(guī)定區(qū)域?yàn)閱蝹€正六邊形或者兩個相鄰的正六邊形；所述規(guī)定通信方式為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間都可以通信。