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

本發(fā)明提供一種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效多約束部署方法，步驟為：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、匯聚節(jié)點設(shè)置在指定網(wǎng)格單元，剩余網(wǎng)格單元構(gòu)成路由節(jié)點的候選位置集合；S2、在路由節(jié)點的候選位置集合中搜索所有傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點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)點的最終候選位置集合；S3、建立以網(wǎng)絡(luò)可靠度、無線鏈路可靠度、失敗重傳機制為約束的部署模型，以最小化路由節(jié)點的部署數(shù)量、最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期為目標，基于線性規(guī)劃方法建立所述部署模型的目標函數(shù)，基于約束條件求解目標函數(shù)，并根據(jù)最優(yōu)解部署相應(yīng)數(shù)量的路由節(jié)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效多約束部署方法。

背景技術(shù)

由于具有自組織、低功耗和可拓展性強等優(yōu)勢，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的科研與應(yīng)用工作逐漸得到了各個國家的重視。相較于農(nóng)業(yè)、家居和交通等領(lǐng)域中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有獨特的技術(shù)需求和應(yīng)用場景。這其中，有一類工業(yè)應(yīng)用，如設(shè)備巡檢、檢修等，需要使用電池供電的設(shè)備，以解決供電困難、測點分散、布線困難等問題，同時還可以提高上述過程的效率。在此類電池供電的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，如何延長網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)壽命，即提高能耗效率，一直是重要的應(yīng)用研究課題。除了對壽命的要求，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該在常見的復(fù)雜工況中維持網(wǎng)絡(luò)的可靠連通。這些復(fù)雜的工況通常位于三維空間，且布滿了電磁屏蔽和干擾，如金屬結(jié)構(gòu)、設(shè)備和同頻段內(nèi)的其他電磁信號等等。這些場景限制了網(wǎng)絡(luò)的可部署區(qū)域。更為嚴重的是，這些復(fù)雜的障礙物分布和電磁環(huán)境使得網(wǎng)絡(luò)信道的準確評估十分困難，進一步增加了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法的求解難度。

通常，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由匯聚節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點組成的。在前述應(yīng)用場景中，匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點的位置是已知且固定的。所有來自傳感器的數(shù)據(jù)(描述檢測對象的信息)形成了匯聚流，經(jīng)由其他傳感器或者路由節(jié)點傳輸至匯聚節(jié)點，以執(zhí)行定點檢測或監(jiān)測等任務(wù)。對于電池供電的無線節(jié)點，它們的服役周期取決于它們的功耗，而功耗又主要與無線通訊距離和通訊數(shù)據(jù)量有關(guān)。網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的可靠通訊距離通常比匯聚節(jié)點和路由節(jié)點的可靠通訊距離短，以節(jié)省傳感器節(jié)點的能耗。與此同時，傳感器節(jié)點需要借助路由節(jié)點實現(xiàn)向匯聚節(jié)點可靠的數(shù)據(jù)傳輸。匯聚節(jié)點通常是有線供電或者具有最高的能量。因此，現(xiàn)有工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署應(yīng)用研究中，通常認為網(wǎng)絡(luò)的生命周期是網(wǎng)絡(luò)中任意一個路由節(jié)點因能量耗盡而失效所需要的時長。

目前的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要針對滿足生存周期、滿足能量消耗、具有可擴展性、可靠性等問題優(yōu)化求解。工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署問題可以概括為：如何在(受限或不受限的二維或三維)部署空間中找到最優(yōu)的路由部署位置，部署最少的路由節(jié)點(以降低網(wǎng)絡(luò)成本)，在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最基本的連通性、可靠性的基礎(chǔ)上，同時還要滿足網(wǎng)絡(luò)生存周期最大化，傳輸延遲最小化等約束。在現(xiàn)有的研究工作中，此類問題也被稱為路由部署問題，已被證明是一種NP難題。

現(xiàn)有技術(shù)中對于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由部署問題存在以下缺點：

(1)大多數(shù)都是針對無約束的二維空間路由節(jié)點部署提出的，即在二維部署空間內(nèi)，路由節(jié)點可以部署在任何地方，而無需考慮電磁障礙和干擾的限制。但是，在工業(yè)場景中，這顯然是不現(xiàn)實的。許多物理限制，例如金屬結(jié)構(gòu)，設(shè)備或同一頻帶中的其他電磁信號，會削弱，甚至?xí)柚咕W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間無線信號的傳輸。因此，現(xiàn)實世界中普遍存在的約束限制了路由節(jié)點的部署，并使受約束的路由部署問題更具挑戰(zhàn)性。

(2)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一旦部署，其位置就不會改變。因此，對于路由部署問題傾向于離線解決。但是，隨著問題規(guī)模的增加，模型求解的效率將急劇下降，甚至?xí)?dǎo)致無法接受的求解時間或無法解決。

(3)現(xiàn)有技術(shù)大多以網(wǎng)絡(luò)連通性和可靠性為基礎(chǔ)，然而的網(wǎng)絡(luò)的生存周期最大化、網(wǎng)絡(luò)成本最低化、網(wǎng)絡(luò)傳輸延時最小化等也都是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的重要需求。