一種基于隨機(jī)幾何理論的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗模型的建模仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于隨機(jī)幾何理論的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗模型的建模仿真方法， 屬于計算機(jī)仿真技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由數(shù)量眾多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，絕大多數(shù)的無線傳 感器節(jié)點(diǎn)一旦布置好就不會輕易的移動，處于一個無人看管的狀態(tài)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)基本 無法通過更替電池的形式來補(bǔ)充新的能源。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的研究就變得越來越 重要。
[0003] 在任意的一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)其基本的節(jié)點(diǎn)間距離建立一種幾何模型，用 來分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)例如k個相鄰節(jié)點(diǎn)之間的能耗、路徑的損耗和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)刃阅苤?標(biāo)。運(yùn)樣可W得到更好的優(yōu)化配置策略，W便提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量傳遞率、減少傳輸 路徑的損耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命長短有著重要的作 用。通過對節(jié)點(diǎn)分布的優(yōu)化，我們可W達(dá)到對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的最優(yōu)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)能耗的 最優(yōu)配置。
[0004] 在W前的研究中，大多是通過正方形和長方形等普遍的區(qū)域?qū)o線傳感器能耗進(jìn) 行研究。有學(xué)者研究表明，在正六邊形的幾何模型下對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能就行分析比在 正方形和長方形的幾何模型下研究更加接近真實(shí)的情況。本專利通過正六邊形幾何模型作 為研究區(qū)域的方法，提出了模擬能耗概率分布函數(shù)和模擬能耗概率密度函數(shù)的模型，通過 模擬能耗概率分布函數(shù)分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布于能耗的關(guān)系，W期望得到最佳的通 信距離，為優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置提供理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明提供了一種基于隨機(jī)幾何理論的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗模型的建模仿真方 法，W用于得到能耗概率密度與節(jié)點(diǎn)間通信距離的關(guān)系及能耗概率分布與節(jié)點(diǎn)間通信距離 的關(guān)系，為預(yù)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的最佳通信范圍提供依據(jù)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于隨機(jī)幾何理論的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗模型的建模 仿真方法，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 信距離的理論概率密度函數(shù)ui(d)和概率分布函數(shù)U2(d);接著加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn) 能耗計算函數(shù)U3(d)，結(jié)合理論概率密度函數(shù)ui(d)和概率分布函數(shù)U2(d)，得到模擬能耗概 率密度函數(shù)U4(d)和模擬能耗概率分布函數(shù)U日(d);最后在規(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)，通過仿真獲得模擬能耗概率密度函數(shù)和模擬能耗概率分布函數(shù)圖 像。
[0007] 所述方法的具體步驟如下：
[000引StepU節(jié)點(diǎn)間通信距離的理論概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)的獲得：
[0009] 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 獲得理論概率密度函數(shù)m(d)和概率分布函數(shù)U2(d);
[0010] Step2、加入節(jié)點(diǎn)能量計算模型U3(d)，結(jié)合理論概率密度函數(shù)m(d)和概率分布函 數(shù)U2(d)，推導(dǎo)獲得模擬能耗概率密度函數(shù)U4(d)和模擬能耗概率分布函數(shù)U5(d):
[0011] Step2.1、加入節(jié)點(diǎn)能量計算模型113(d)，所述113(d)的公式為:113(d) = (a+Pcf) ? L 其中，U3(d)表示節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息所需的能量;L表示所發(fā)數(shù)據(jù)的長度;d表示節(jié)點(diǎn)之間的通信 距離;m表示信號的消減因子;a表示傳輸一比特信息所需的能量且包括啟動時消耗的能量； 0表示傳輸過程中單位能量的損耗；
[0012] Step2.2、在節(jié)點(diǎn)能量計算模型U3(d)的基礎(chǔ)上，等式兩邊同時比上同除W時間t， 則有P=(a+ecT) . V;其中，P表示能耗功率;V表示數(shù)據(jù)傳輸速率；
[0013] Step2.3、結(jié)合理論概率密度函數(shù)m(d)和概率分布函數(shù)U2(d)，獲得模擬能耗概率 密度函數(shù)U4(d)和模擬能耗概率分布函數(shù)U日(d):
[0014] 所述U4(d)的公式為:U4(d) = [a+0(lOO ? ui(d))m] ? V;
[001 引所述U5(d)的公式為:U5(d) = [a+0(lOO ? U2(d))m] ? V;
[0016] Step3、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 模擬能耗概率密度函數(shù)U4(d)和模擬能耗概率分布函數(shù)U日(d)的圖像：
[0017] Step3.1、通過模擬能耗概率密度函數(shù)U4(d)的圖像，得到能耗概率密度與節(jié)點(diǎn)間 通信距離的關(guān)系；
[0018] Step3.2、通過模擬能耗概率分布函數(shù)U5(d)的圖像，得到能耗概率分布與節(jié)點(diǎn)間 通信距離的關(guān)系。
[0019] 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W通信。
[0020] 本發(fā)明的工作原理是：
[0021] 通過幾何的積分關(guān)系，假設(shè)在單個正六邊形和兩個相鄰的正六邊形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)撒 兩個點(diǎn)，通過運(yùn)兩個點(diǎn)之間的距離推導(dǎo)出在單個正六邊形和兩個相鄰的正六邊區(qū)域內(nèi)，節(jié) 點(diǎn)間距離的概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)的計算公式。通過仿真研究可W得出，在正六邊 區(qū)域下節(jié)點(diǎn)的距離分布跟真實(shí)的情況最為接近。然后，加入節(jié)點(diǎn)的能量的計算模型，因?yàn)楣?jié) 點(diǎn)間的能量跟節(jié)點(diǎn)間的距離是密切相關(guān)的。然后通過節(jié)點(diǎn)的能量計算模型與概率密度函數(shù) W及概率分布函數(shù)的結(jié)合，推導(dǎo)出模擬能耗概率密度函數(shù)U4(d)和模擬能耗概率分布函數(shù)U5 (d)。在得到的模擬能耗概率密度函數(shù)U4(d)和模擬能耗概率分布函數(shù)U5(d)的圖像分析預(yù)測 最佳通信距離范圍。
[0022] 其中，理論概率密度函數(shù)111(d)和概率分布函數(shù)112(d)為Yanyan Zhuang and Jianping Pan ,Random Distances Associated with Hexagons 中提出的。文南犬中， 細(xì)I賊、/? (的分別表示單個正六邊形情況下的概率密度函數(shù)ui(d)，腳、抖） 分別表示兩個相鄰的正六邊形情況下的概率分布函數(shù)U2(d)。
[0023] 本發(fā)明的有益效果是：
[0024] 1、將節(jié)點(diǎn)間通信距離的概率密度函數(shù)與能耗的計算相結(jié)合，得到的模擬能耗概率 密度函數(shù)的圖像能夠直觀的得出能耗的密集度與節(jié)點(diǎn)通信距離的關(guān)系。
[0025] 2、將節(jié)點(diǎn)間通信距離的概率分布函數(shù)與能耗的計算相結(jié)合，得到的模擬能耗概率 分布函數(shù)的圖像能夠直觀的得出能耗最小的節(jié)點(diǎn)通信距離范圍。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明的規(guī)定區(qū)域單個正六邊形撒點(diǎn)圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明的規(guī)定區(qū)域兩個相鄰正六邊形撒點(diǎn)圖；
[0029 ]圖4為本發(fā)明的通信方式說明圖；
[0030] 圖5為本發(fā)明的單個正六邊內(nèi)節(jié)點(diǎn)距離概率密度函數(shù)及仿真圖；
[0031] 圖6為本發(fā)明的單個正六邊內(nèi)節(jié)點(diǎn)距離分布函數(shù)及仿真圖；
[0032] 圖7為本發(fā)明的兩個相鄰正六邊內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信距離的概率密度函數(shù)及仿真圖；
[0033] 圖8為本發(fā)明的兩個相鄰正六邊內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信距離的概率分布函數(shù)及仿真圖；
[0034] 圖9為本發(fā)明的單個正六邊內(nèi)模擬能耗概率密度函數(shù)圖；
[0035] 圖10為本發(fā)明的兩個相鄰正六邊內(nèi)模擬能耗概率密度函數(shù)圖；
[0036] 圖11為本發(fā)明的單個正六邊內(nèi)模擬能耗概率分布函數(shù)圖；
[0037] 圖12為本發(fā)明的兩個相鄰正六邊內(nèi)模擬能耗概率分布函數(shù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 實(shí)施例1:如圖1-12所示，一種基于隨機(jī)幾何理論的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗模型的建 模仿真方法，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密度函數(shù)m(d)和概率分布函數(shù)U2(d