一種均勻部署條件下無線傳感器網絡的壽命優化方法
2023-06-09 03:48:11 1
一種均勻部署條件下無線傳感器網絡的壽命優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種均勻部署條件下無線傳感器網絡的壽命優化方法，包括如下步驟：步驟一：部署一維無線傳感器網絡；步驟二：獲取無線傳感器節點的能耗模型；步驟三：獲取一維無線傳感器網絡的重傳模型；步驟四：獲取考慮重傳的一維無線傳感器網絡的能耗模型；步驟五：獲取考慮重傳的一維無線傳感器網絡的可靠性模型；步驟六：獲取均勻部署條件下一維無線傳感器網絡的壽命優化模型及求解。本發明考慮重傳機制，建立了以數據傳遞可靠性為約束條件、以考慮能耗的網絡壽命最大化為目標的均勻部署條件下無線傳感器網絡的優化模型，採用牛頓法，實現對節點部署數量的優化，是對無線傳感器網絡的便捷、高效能的壽命優化部署方法的創新。
【專利說明】—種均勻部署條件下無線傳感器網絡的壽命優化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種均勻部署條件下無線傳感器網絡的壽命優化方法，屬於網絡通信【技術領域】裡的無線傳感器【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展與應用，無線傳感器網絡已成為一個極其重要的挑戰性課題；無線傳感器網絡以其低功耗、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，在環境監測、軍事國防、搶險救災、城市管理、生物醫療、工農業生產等眾多領域都發揮了巨大的實用價值，引起國家學術界和工業界的高度重視。
[0003]經典的無線傳感器網絡包括一個基站，每個基站與若干個傳感器節點連接。傳感器節點攜帶的能量有限，且通常情況下節點的部署環境決定了傳感器節點能量不可補充。因此，對無線傳感器網絡的不合理部署會增大網絡能耗，極大地影響整網壽命。
[0004]一維無線傳感器網絡是呈直線布署的無線傳感器網絡，在高速公路流量監測、邊境線監控、輸油輸氣管道監測等方面作用巨大；而且為了部署方便，傳感器節點常被均勻部署。現有的一維無線傳感器網絡的優化模型普遍忽略了網絡信息重傳的影響，因此存在網絡壽命、能耗與整網數據傳遞的可靠性不協調等問題。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絡壽命優化方法進行研究，具有重要實際意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決一維無線傳感器網絡均勻部署條件下壽命優化中沒有考慮數據重傳造成的能量消耗問題，通過對考慮重傳的網絡壽命模型的推導和優化求解，提出一種新的均勻部署條件下無線傳感器網絡的壽命優化方法。
[0006]一種均勻部署條件下一維無線傳感器網絡的壽命優化方法，包括如下步驟:
[0007]步驟一:部署一維無線傳感器網絡；
[0008]步驟二:獲取無線傳感器節點的能耗模型；
[0009]步驟三:獲取一維無線傳感器網絡的重傳模型；
[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絡的壽命優化模型及求解。
[0013]本發明的優點與積極效果在於:
[0014](I)本發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絡壽命優化模型的基礎，這是對無線傳感器網絡能耗模型和可靠性模型的完善和創新，可有效解決當前無線傳感器網絡可靠性低、冗餘備件過多和無效能耗大等問題，進而在保證整網數據傳遞可靠性的前提下，降低整網能耗，延長整網壽命。
[0015](2)本發明方法提出了一種均勻部署條件下無線傳感器網絡的壽命優化方法，建立了以數據傳遞可靠性為約束條件、以考慮能耗的網絡壽命最大化為目標的均勻部署條件下無線傳感器網絡的優化模型，採用牛頓法，實現對節點部署數量的優化，是對無線傳感器網絡的便捷、高效能部署方法的創新。
[0016](3)以實施例為例，對建立的優化模型利用lingo軟體進行整數規劃求解。在固定長度的線路上，當部署的節點數過少時，每兩個鄰接節點間的距離過大，會耗能過多；當部署的節點數過多時，在線路中需傳遞的數據也會過多，同樣會能耗過多。通過對優化模型求解，得到在固定長度線路上部署的最佳節點數和相鄰節點間的最佳距離，且發現考慮重傳時，網絡的可靠性明顯提升。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的方法流程圖；
[0018]圖2是本發明的一維無線傳感器網絡拓撲圖；
[0019]圖3是本發明的傳感器節點能耗模型；
[0020]圖4是本發明的信息傳遞過程圖；
[0021]圖5是本發明的不同傳感器數目下的網絡壽命圖；
[0022]圖6是本發明的網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明作進一步的詳細說明。
[0024]本發明提出一種均勻·部署條件下一維無線傳感器網絡的壽命優化方法，包括如下步驟:
[0025]步驟一:部署一維無線傳感器網絡；
[0026]具體步驟如下:
[0027]部署一個探測範圍為D的一維傳感器網絡，網絡包括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；所有傳感器節點及基站部署在一條定長的直線
上，該一維網絡總長為D，網絡中的傳感器節點數為η，則相鄰傳感器間的距離為^ = P ； 一
n
維無線傳感器網絡結構見圖2。每個傳感器在一個信息收集周期內只感知到一個數據包，各傳感器節點依次向後一個鄰居傳感器節點傳遞信息，不會跨傳感器節點傳遞信息，也不考慮傳感器處的信息融合。當各傳感器節點接收到的信息不正確或信息接收超時時，前一傳感器節點會將信息重傳，直到達到設定的最大重傳次數。
[0028]步驟二:獲取無線傳感器節點的能耗模型；
[0029]具體包括如下步驟:
[0030]傳感器節點的能耗方式通常有三種:發送信息，接收信息和空閒。經典的傳感器能耗模型如圖3，第i個傳感器節點探測到m比特數據包，然後發送給相鄰的距離為d的第i+Ι個傳感器節點。在這個過程中，第i個傳感器節點的發送能耗由傳感器自身電路和傳輸放大器兩部分產生;第i+Ι個傳感器節點的接收能耗只由傳感器自身電路產生。
[0031]發送m比特信息的能耗為Et，
[0032]Et= ( β !+ β 2da )m,[0033]其中，β i和β 2是系統固有參數，β !指的是電路中發送每比特信息所耗的能量，β2與傳輸放大器的效率、天線增益等系統參數有關，d是傳輸距離，α是路徑耗損指數(2 < α < 4)。環境越惡劣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是系統固有參數，指的是電路中接收每比特信息的能耗。
[0037]當傳感器節點處於空閒狀態，即傳感器已被激活(非休眠狀態)，但傳感器既不接收也不發送信息的空閒狀態時，在一個信息收集周期內的能耗為Eid，
[0038]Eid = β 4tidPm,
[0039]其中，04是系統固有參數，指每比特的空閒狀態能耗；tid是空閒時間，P是傳感器對感知數據包的處理率。
[0040]步驟三:獲取一維無線傳感器網絡的重傳模型；
[0041]具體包括如下步驟:
[0042]在無RTS/CTS的簡化CSMA/CA協議中，考慮重傳時無線傳感器網絡中傳遞的信息包括感知數據和確認(ACK)信息兩種，在兩個傳感器節點間信息的傳遞過程見圖4。第i個傳感器節點向第i+Ι個傳感器節點傳遞數據，如果第i+Ι個傳感器節點成功接收數據，則發送ACK信息給第i個傳感器節點；如果第i個傳感器節點沒有接收到ACK信息，則會重新傳遞數據，直到達到最大的重傳次數。每個傳感器節點都有存儲器，會存儲數據直到其被後一個傳感器節點接收。
[0043]根據IEEE802.15.4標準，推導得單個MICA2型傳感器節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絡的壽命優化方法，包括如下步驟: 步驟一:部署一維無線傳感器網絡； 具體步驟如下: 部署探測範圍為D的一維傳感器網絡，網絡包括η個傳感器和一個基站，所有傳感器節點及基站部署在一條定長的直線上，該一維網絡總長為D，網絡中的傳感器節點數為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只感知到一個數據包，各傳感器節點依次向後一個鄰居傳感器節點傳遞信息，當各傳感器節點接收到的信息不正確或信息接收超時，前一傳感器節點會將信息重傳，直到達到設定的最大重傳次數； 步驟二:獲取無線傳感器節點的能耗模型； 具體包括如下步驟: 第i個傳感器節點探測到m比特數據包，然後發送給相鄰的距離為d的第i+Ι個傳感器節點，其中: 發送m比特信息的能耗為Et，
Et = (β j+β 2da)m, 其中，P1和β2是系統固有參數，d是傳輸距離，a是路徑損耗指數； 接受m比特信息的能耗為Ep Er = β 3m, 其中，β3是系統固有參數； 當傳感器節點處於空閒狀態，在一個信息收集周期內的能耗為Eid，
Eid = β 4tidPm， 其中，β 4是系統固有參數，tid是空閒時間，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絡的重傳模型； 具體包括如下步驟: 重傳時無線傳感器網絡中傳遞的信息包括感知數據和確認信息兩種，確認信息用ACK表示，第i個傳感器節點向第i+Ι個傳感器節點傳遞數據，如果第i+Ι個傳感器節點成功接收數據，則發送ACK信息給第i個傳感器節點；如果第i個傳感器節點沒有接收到ACK信息，則會重新傳遞數據，直到達到最大的重傳次數；每個傳感器節點都有存儲器，會存儲數據直到其被後一個傳感器節點接收； 單個傳感器節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 優先權日:2013年11月19日
【發明者】劉小西, 李瑞瑩, 黃寧 申請人:北京航空航天大學