[發(fā)明專利]一種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效多約束部署方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010305959.1
• 申請(qǐng)日: 2020-04-17
• 公開（公告）號(hào): CN111542070B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊勇生;姚海慶;符修文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海海事大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W16/18
• 分類號(hào): H04W16/18;H04W84/18
• 代理公司: 上海元好知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31323
• 代理人: 張靜潔;徐雯瓊

1.一種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效多約束部署方法，所述工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含設(shè)置在三維部署空間內(nèi)的1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以及通過無線信號(hào)連接所述傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的若干個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，所述n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分別為第一至第n傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，所述高效多約束部署方法包含步驟：

S1、使用網(wǎng)格單元離散化三維部署空間中的所有可部署表面，根據(jù)預(yù)設(shè)位置將傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)置在指定網(wǎng)格單元，剩余網(wǎng)格單元構(gòu)成路由節(jié)點(diǎn)的候選位置集合；

S2、在所述路由節(jié)點(diǎn)的候選位置集合中搜索所有傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的最短可行路徑，并以所有最短可行路徑上的候選位置構(gòu)成路由節(jié)點(diǎn)的最終候選位置集合；

S3、建立基于網(wǎng)絡(luò)可靠度、無線鏈路可靠度、失敗重傳機(jī)制約束的部署模型；基于線性規(guī)劃方法建立所述部署模型的目標(biāo)函數(shù)；以所述最終候選位置集合為目標(biāo)函數(shù)的求解范圍，通過優(yōu)化求解所述目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)最小化路由節(jié)點(diǎn)的部署數(shù)量，并最大化所述網(wǎng)絡(luò)的生存周期；根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的求解結(jié)果部署路由節(jié)點(diǎn)；

所述目標(biāo)函數(shù)為：

路由節(jié)點(diǎn)的最終候選位置集合中包含m個(gè)候選位置，分別為第一至第m候選位置；若第j候選位置部署了一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，則Y_j＝1，將該路由節(jié)點(diǎn)記為第j路由節(jié)點(diǎn)；否則Y_j＝0；

E_max為每個(gè)采樣周期內(nèi)，所有部署的路由節(jié)點(diǎn)中能量消耗的最大值；E_limit為每個(gè)采樣周期內(nèi)，部署的路由節(jié)點(diǎn)消耗能量上限；

所述部署模型包含根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性與網(wǎng)絡(luò)可靠度建立的約束條件，該約束條件具體包含：

(a)、若第i傳感器節(jié)點(diǎn)與第j路由節(jié)點(diǎn)之間的無線通訊可靠度p_i,j大于p_min，則第j路由節(jié)點(diǎn)能夠作為第i傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳節(jié)點(diǎn)或備份數(shù)據(jù)上傳節(jié)點(diǎn)；若第i傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的無線通訊可靠度p_i,m+1大于p_min，則匯聚節(jié)點(diǎn)能夠作為第i傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳節(jié)點(diǎn)；p_min為傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)建立有效無線鏈路的最低可靠度；

(b)、若路由節(jié)點(diǎn)被至少一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)用作數(shù)據(jù)上傳節(jié)點(diǎn)或者備份數(shù)據(jù)上傳節(jié)點(diǎn)，則該路由節(jié)點(diǎn)被包含到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層；

(c)、任一傳感器節(jié)點(diǎn)僅向一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)；

(d)、傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳節(jié)點(diǎn)與備份數(shù)據(jù)上傳節(jié)點(diǎn)不為同一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)；

(e)、任一傳感器在單跳通訊范圍內(nèi)至少被k_s-1個(gè)備份數(shù)據(jù)上傳節(jié)點(diǎn)覆蓋；

(f)、若第j路由節(jié)點(diǎn)與能夠作為其下一跳的第k路由節(jié)點(diǎn)之間的通訊可靠度q_j,k大于q_min，則第k路由節(jié)點(diǎn)能夠作為第j路由節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)路由節(jié)點(diǎn)，幫助第j路由節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)；q_min為任意兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)之間、路由節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間建立有效無線鏈路的最低可靠度；j≠k,1≤j≤m；

(g)、若第j路由節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通訊可靠度小于q_min，則第j路由節(jié)點(diǎn)具有k_r個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)路由節(jié)點(diǎn)幫助其向匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，k_r≥1；

所述部署模型包含根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流建立的約束條件，該約束條件包含：

(h)、若任意兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)之間的通訊可靠度小于q_min，則該兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)不能直接通訊；

(i)、在失敗重傳機(jī)制下，每個(gè)采樣周期中，第j路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)總量為F_j,k為第j路由節(jié)點(diǎn)向第k路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù), td_j,k為失敗重傳機(jī)制對(duì)第j路由節(jié)點(diǎn)與第k路由節(jié)點(diǎn)無線通訊能耗的放大系數(shù)，j≠k;

(j)、若匯聚節(jié)點(diǎn)或能夠作為第j路由節(jié)點(diǎn)下一跳的第k路由節(jié)點(diǎn)被包含到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層，則第j路由節(jié)點(diǎn)與第k路由節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流大于等于0；

(k)、第j路由節(jié)點(diǎn)與其轉(zhuǎn)發(fā)路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流為單向數(shù)據(jù)流；

所述部署模型包含根據(jù)網(wǎng)絡(luò)生存周期建立的約束條件，該約束條件包含：

(l)、設(shè)置路由節(jié)點(diǎn)能耗上限E_limit，在每個(gè)采樣周期，任一路由節(jié)點(diǎn)的能耗不大于E_limit；E_max＝max{E₁,…,E_m}，_max≤E_limit；

所述無線通訊可靠度p_i,j、q_j,k的計(jì)算方法為：

其中，d₀為自由空間路徑損耗成立的最大距離；L_i為位于第i傳感器節(jié)點(diǎn)視距范圍內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)的集合；NL_i為位于第i傳感器節(jié)點(diǎn)非視距范圍內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)的集合；L_j為位于第j路由節(jié)點(diǎn)視距范圍內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)的集合；NL_j為位于第j路由節(jié)點(diǎn)非視距范圍內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)的集合；ξ為[0,1]內(nèi)的實(shí)數(shù)，ξ表示電磁障礙造成的無線信號(hào)衰減系數(shù)；d_i,j′為第i傳感器節(jié)點(diǎn)與第j′路由節(jié)點(diǎn)之間的歐氏距離，j′∈[1,m]；d_i,m+1為第i傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的歐氏距離；d_j,k′為第j路由節(jié)點(diǎn)與第k′路由節(jié)點(diǎn)之間的歐氏距離，k′∈[1,m]；d_j,m+1為第j傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的歐氏距離；d_max為視距下，路由節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的最大通訊距離；s_max為視距下，傳感器節(jié)點(diǎn)的最大通訊距離。