一種均勻部署條件下無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種均勻部署條件下無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化方法，包括如下步驟：步驟一：部署一維無線傳感器網(wǎng)絡；步驟二：獲取無線傳感器節(jié)點的能耗模型；步驟三：獲取一維無線傳感器網(wǎng)絡的重傳模型；步驟四：獲取考慮重傳的一維無線傳感器網(wǎng)絡的能耗模型；步驟五：獲取考慮重傳的一維無線傳感器網(wǎng)絡的可靠性模型；步驟六：獲取均勻部署條件下一維無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化模型及求解。本發(fā)明考慮重傳機制，建立了以數(shù)據(jù)傳遞可靠性為約束條件、以考慮能耗的網(wǎng)絡壽命最大化為目標的均勻部署條件下無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)化模型，采用牛頓法，實現(xiàn)對節(jié)點部署數(shù)量的優(yōu)化，是對無線傳感器網(wǎng)絡的便捷、高效能的壽命優(yōu)化部署方法的創(chuàng)新。
【專利說明】—種均勻部署條件下無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種均勻部署條件下無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化方法，屬于網(wǎng)絡通信【技術領域】里的無線傳感器【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著無線通信技術、傳感器技術和嵌入式技術的不斷發(fā)展與應用，無線傳感器網(wǎng)絡已成為一個極其重要的挑戰(zhàn)性課題；無線傳感器網(wǎng)絡以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革，在環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、搶險救災、城市管理、生物醫(yī)療、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等眾多領域都發(fā)揮了巨大的實用價值，引起國家學術界和工業(yè)界的高度重視。
[0003]經(jīng)典的無線傳感器網(wǎng)絡包括一個基站，每個基站與若干個傳感器節(jié)點連接。傳感器節(jié)點攜帶的能量有限，且通常情況下節(jié)點的部署環(huán)境決定了傳感器節(jié)點能量不可補充。因此，對無線傳感器網(wǎng)絡的不合理部署會增大網(wǎng)絡能耗，極大地影響整網(wǎng)壽命。
[0004]一維無線傳感器網(wǎng)絡是呈直線布署的無線傳感器網(wǎng)絡，在高速公路流量監(jiān)測、邊境線監(jiān)控、輸油輸氣管道監(jiān)測等方面作用巨大；而且為了部署方便，傳感器節(jié)點常被均勻部署?，F(xiàn)有的一維無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)化模型普遍忽略了網(wǎng)絡信息重傳的影響，因此存在網(wǎng)絡壽命、能耗與整網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞的可靠性不協(xié)調(diào)等問題。對考慮重傳和可靠性約束的均勻部署條件下無線傳感器網(wǎng)絡壽命優(yōu)化方法進行研究，具有重要實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決一維無線傳感器網(wǎng)絡均勻部署條件下壽命優(yōu)化中沒有考慮數(shù)據(jù)重傳造成的能量消耗問題，通過對考慮重傳的網(wǎng)絡壽命模型的推導和優(yōu)化求解，提出一種新的均勻部署條件下無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化方法。
[0006]一種均勻部署條件下一維無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化方法，包括如下步驟:
[0007]步驟一:部署一維無線傳感器網(wǎng)絡；
[0008]步驟二:獲取無線傳感器節(jié)點的能耗模型；
[0009]步驟三:獲取一維無線傳感器網(wǎng)絡的重傳模型；
[0010]步驟四:獲取考慮重傳的一維無線傳感器網(wǎng)絡的能耗模型；
[0011]步驟五:獲取考慮重傳的一維無線傳感器網(wǎng)絡的可靠性模型；
[0012]步驟六:獲取均勻部署條件下一維無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化模型及求解。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果在于:
[0014](I)本發(fā)明方法建立了考慮重傳的能耗模型和考慮重傳的可靠性模型，是均勻部署條件下網(wǎng)絡壽命優(yōu)化模型的基礎，這是對無線傳感器網(wǎng)絡能耗模型和可靠性模型的完善和創(chuàng)新，可有效解決當前無線傳感器網(wǎng)絡可靠性低、冗余備件過多和無效能耗大等問題，進而在保證整網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞可靠性的前提下，降低整網(wǎng)能耗，延長整網(wǎng)壽命。
[0015](2)本發(fā)明方法提出了一種均勻部署條件下無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化方法，建立了以數(shù)據(jù)傳遞可靠性為約束條件、以考慮能耗的網(wǎng)絡壽命最大化為目標的均勻部署條件下無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)化模型，采用牛頓法，實現(xiàn)對節(jié)點部署數(shù)量的優(yōu)化，是對無線傳感器網(wǎng)絡的便捷、高效能部署方法的創(chuàng)新。
[0016](3)以實施例為例，對建立的優(yōu)化模型利用lingo軟件進行整數(shù)規(guī)劃求解。在固定長度的線路上，當部署的節(jié)點數(shù)過少時，每兩個鄰接節(jié)點間的距離過大，會耗能過多；當部署的節(jié)點數(shù)過多時，在線路中需傳遞的數(shù)據(jù)也會過多，同樣會能耗過多。通過對優(yōu)化模型求解，得到在固定長度線路上部署的最佳節(jié)點數(shù)和相鄰節(jié)點間的最佳距離，且發(fā)現(xiàn)考慮重傳時，網(wǎng)絡的可靠性明顯提升。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0018]圖2是本發(fā)明的一維無線傳感器網(wǎng)絡拓撲圖；
[0019]圖3是本發(fā)明的傳感器節(jié)點能耗模型；
[0020]圖4是本發(fā)明的信息傳遞過程圖；
[0021]圖5是本發(fā)明的不同傳感器數(shù)目下的網(wǎng)絡壽命圖；
[0022]圖6是本發(fā)明的網(wǎng)絡信息傳遞成功率對比圖。
【具體實施方式】
[0023]下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0024]本發(fā)明提出一種均勻·部署條件下一維無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化方法，包括如下步驟:
[0025]步驟一:部署一維無線傳感器網(wǎng)絡；
[0026]具體步驟如下:
[0027]部署一個探測范圍為D的一維傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)絡包括η個傳感器和一個基站，傳感器攜帶的能量有限，基站具有的能量無限；所有傳感器節(jié)點及基站部署在一條定長的直線
上，該一維網(wǎng)絡總長為D，網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點數(shù)為η，則相鄰傳感器間的距離為^ = P ； 一





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維無線傳感器網(wǎng)絡結構見圖2。每個傳感器在一個信息收集周期內(nèi)只感知到一個數(shù)據(jù)包，各傳感器節(jié)點依次向后一個鄰居傳感器節(jié)點傳遞信息，不會跨傳感器節(jié)點傳遞信息，也不考慮傳感器處的信息融合。當各傳感器節(jié)點接收到的信息不正確或信息接收超時時，前一傳感器節(jié)點會將信息重傳，直到達到設定的最大重傳次數(shù)。
[0028]步驟二:獲取無線傳感器節(jié)點的能耗模型；
[0029]具體包括如下步驟:
[0030]傳感器節(jié)點的能耗方式通常有三種:發(fā)送信息，接收信息和空閑。經(jīng)典的傳感器能耗模型如圖3，第i個傳感器節(jié)點探測到m比特數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送給相鄰的距離為d的第i+Ι個傳感器節(jié)點。在這個過程中，第i個傳感器節(jié)點的發(fā)送能耗由傳感器自身電路和傳輸放大器兩部分產(chǎn)生;第i+Ι個傳感器節(jié)點的接收能耗只由傳感器自身電路產(chǎn)生。
[0031]發(fā)送m比特信息的能耗為Et，
[0032]Et= ( β !+ β 2da )m,[0033]其中，β i和β 2是系統(tǒng)固有參數(shù)，β !指的是電路中發(fā)送每比特信息所耗的能量，β2與傳輸放大器的效率、天線增益等系統(tǒng)參數(shù)有關，d是傳輸距離，α是路徑耗損指數(shù)(2 < α < 4)。環(huán)境越惡劣α值越大。
[0034]接受m比特信息的能耗為Ey
[0035]Er = β 3m,
[0036]其中，β 3是系統(tǒng)固有參數(shù)，指的是電路中接收每比特信息的能耗。
[0037]當傳感器節(jié)點處于空閑狀態(tài)，即傳感器已被激活(非休眠狀態(tài))，但傳感器既不接收也不發(fā)送信息的空閑狀態(tài)時，在一個信息收集周期內(nèi)的能耗為Eid，
[0038]Eid = β 4tidPm,
[0039]其中，04是系統(tǒng)固有參數(shù)，指每比特的空閑狀態(tài)能耗；tid是空閑時間，P是傳感器對感知數(shù)據(jù)包的處理率。
[0040]步驟三:獲取一維無線傳感器網(wǎng)絡的重傳模型；
[0041]具體包括如下步驟:
[0042]在無RTS/CTS的簡化CSMA/CA協(xié)議中，考慮重傳時無線傳感器網(wǎng)絡中傳遞的信息包括感知數(shù)據(jù)和確認(ACK)信息兩種，在兩個傳感器節(jié)點間信息的傳遞過程見圖4。第i個傳感器節(jié)點向第i+Ι個傳感器節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)，如果第i+Ι個傳感器節(jié)點成功接收數(shù)據(jù)，則發(fā)送ACK信息給第i個傳感器節(jié)點；如果第i個傳感器節(jié)點沒有接收到ACK信息，則會重新傳遞數(shù)據(jù)，直到達到最大的重傳次數(shù)。每個傳感器節(jié)點都有存儲器，會存儲數(shù)據(jù)直到其被后一個傳感器節(jié)點接收。
[0043]根據(jù)IEEE802.15.4標準，推導得單個MICA2型傳感器節(jié)點的重傳概率模型如下:
【權利要求】
1.一種均勻部署條件下無線傳感器網(wǎng)絡的壽命優(yōu)化方法，包括如下步驟: 步驟一:部署一維無線傳感器網(wǎng)絡； 具體步驟如下: 部署探測范圍為D的一維傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)絡包括η個傳感器和一個基站，所有傳感器節(jié)點及基站部署在一條定長的直線上，該一維網(wǎng)絡總長為D，網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點數(shù)為η，則相鄰傳感器間的距離為“一I 每個傳感器在一個周期內(nèi)只感知到一個數(shù)據(jù)包，各傳感器節(jié)點依次向后一個鄰居傳感器節(jié)點傳遞信息，當各傳感器節(jié)點接收到的信息不正確或信息接收超時，前一傳感器節(jié)點會將信息重傳，直到達到設定的最大重傳次數(shù)； 步驟二:獲取無線傳感器節(jié)點的能耗模型； 具體包括如下步驟: 第i個傳感器節(jié)點探測到m比特數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送給相鄰的距離為d的第i+Ι個傳感器節(jié)點，其中: 發(fā)送m比特信息的能耗為Et，
Et = (β j+β 2da)m, 其中，P1和β2是系統(tǒng)固有參數(shù)，d是傳輸距離，a是路徑損耗指數(shù)； 接受m比特信息的能耗為Ep Er = β 3m, 其中，β3是系統(tǒng)固有參數(shù)； 當傳感器節(jié)點處于空閑狀態(tài)，在一個信息收集周期內(nèi)的能耗為Eid，
Eid = β 4tidPm， 其中，β 4是系統(tǒng)固有參數(shù)，tid是空閑時間，P是傳感器對感知到的信息包的處理率； 步驟三:獲取一維無線傳感器網(wǎng)絡的重傳模型； 具體包括如下步驟: 重傳時無線傳感器網(wǎng)絡中傳遞的信息包括感知數(shù)據(jù)和確認信息兩種，確認信息用ACK表示，第i個傳感器節(jié)點向第i+Ι個傳感器節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)，如果第i+Ι個傳感器節(jié)點成功接收數(shù)據(jù)，則發(fā)送ACK信息給第i個傳感器節(jié)點；如果第i個傳感器節(jié)點沒有接收到ACK信息，則會重新傳遞數(shù)據(jù)，直到達到最大的重傳次數(shù)；每個傳感器節(jié)點都有存儲器，會存儲數(shù)據(jù)直到其被后一個傳感器節(jié)點接收； 單個傳感器節(jié)點的重傳概率模型如下:
【文檔編號】H04W84/18GK103634867SQ201310582958
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權日:2013年11月19日
【發(fā)明者】劉小西, 李瑞瑩, 黃寧 申請人:北京航空航天大學