[發明專利]基于跨層設計的水下無線傳感器網絡的生命周期延長方法

有效

• 申請號: 201711002359.2
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN107911859B
• 公開（公告）日: 2020-03-06
• 發明（設計）人: 周圓;楊鴻宇;吳瓊;楊建興;李鴻儒
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H04W52/02
• 分類號: H04W52/02;H04W52/34;H04W84/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

1.一種基于跨層設計的水下無線傳感器網絡的生命周期延長方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟(1)、建立水下無線傳感器網絡最大化生命周期模型：

選取網絡中首個死亡節點的生存時間作為整個網絡的生命周期，網絡生命周期定義T_net為：

T_net＝min T_i,i＝1,...,M

其中，T_i表示第i個節點的生存時間，M表示網絡中除去匯聚節點的傳感器節點的數量；

考慮網絡中節點的多種約束條件，采用TDMA時分多址(time division multipleaccess,)技術建立最大化生命周期模型：

P_iⁿ≤P_max,i＝1,...,M,n∈{1,...,N} (4)

公式(1)表示節點數據流量約束條件，對網絡中任意節點，在任意一個TDMA周期內，節點發送數據量應為接收數據量與節點自身采集數據量之和；式中，等式左端為節點在一個TDMA周期內所發送的數據量與所接收的數據量的差值，右端為節點每個TDMA周期所采集的數據量；

公式(2)表示節點能量約束條件，節點在其生命周期內，其數據傳輸所消耗的能量應小于其初始能量E_init；節點數據傳輸能耗可用節點平均功率與節點生命周期T_i的乘積表示；式中，以節點在每個TDMA周期的能耗與TDMA周期時長之商作為節點的平均功率；

公式(3)表示節點數據碼率約束條件；節點在任意時隙的傳輸碼率應不大于信道容量C(l)；

公式(4)表示節點傳輸功率約束條件；節點在任意時隙的傳輸功率P_iⁿ應不大于由節點硬件條件所限制的最大傳輸功率P_max；

式中，T_slot、T_tran分別表示TDMA時隙時長和每個時隙中用于節點數據發送的時長；s_i為節點數據采集速率；C(l)為信道帶寬；P_max表示節點硬件所允許的最大傳輸功率；E_init表示節點的初始能量；P_iⁿ分別表示節點的數據碼率和傳輸功率；N表示TDMA一幀(frame)中所包含的時隙數量；ψ_i、分別表示節點用于數據發送與接收的時隙集合；

步驟(2)、執行迭代算法，所包含如下的具體處理：

步驟(2-1)、算法初始化，以標準TDMA傳輸方案作為網絡初始傳輸方案，即為每個節點分配同等數量的時隙，節點在所分配的時隙進行數據傳輸，在其它時隙接受數據或休眠；

步驟(2-2)、對網絡中傳感器節點的傳輸功率、數據碼率實現網絡鏈路調度的跨層的聯合優化；

若當前迭代下求解出的網絡生命周期值大于上次迭代的值，執行步驟(2-3)，否則執行步驟(2-4)；

步驟(2-3)、更新鏈路調度，在當前鏈路調度下，求解網絡生命周期最大化模型獲得最優的節點數據碼率、傳輸功率方案；該步驟具體處理如下：

首先求解出節點在固定數據負載量條件下的最優時隙分配數量其表達式如下：

其中，J_i表示節點i的用于數據發送的傳輸鏈路數量；x_ij、l_ij分別為鏈路(i,j)的數據負載量和地理長度；B_3dB為鏈路的系統帶寬；

其次，選擇當前迭代下生存時間理論值最小的節點i_min，對其所分配的時隙數量n_imin進行更新，公式如下：

最后，選擇另一個節點jsel，對其所分配的時隙數量n_jsel進行更新，公式如下：

所選擇的節點jsel需滿足在更新后，其理論生存時間應高于當前迭代下的網絡生命周期值，即上述鏈路調度更新后，當前迭代下的網絡生命周期值大于或等于上次迭代的理論值；

是否要重復鏈路調度？

若更新后的鏈路調度方案未在此前迭代中出現，則重復鏈路調度，執行下次迭代，轉至步驟(2-2)；

步驟(2-4)、將上一次迭代的網絡傳輸方案作為最優方案，退出算法。