[发明专利]一种基于点割集的无线带状传感网寿命预测方法

权利要求书

1.一种基于点割集的无线带状传感网寿命预测方法，其特征在于：所述方法首先基于图论中点割集的思路分布式求解无线带状传感网中的点割集，再通过点割集中节点的剩余生存时间估计无线带状传感网的局部网络的寿命，最后通过信令交互预测出无线带状传感网的全网网络的寿命。

2.根据权利要求1所述的基于点割集的无线带状传感网寿命预测方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一，获取节点的剩余生存时间：统计除Sink节点外的每个节点在一段时间T内的能耗，根据当前T时段内的能耗和节点上一次T时段内平均能耗估计网络当前T时段的平均能耗，从而结合所述节点的剩余能量得出该节点的剩余生存时间；

步骤二，获取局部网络的剩余生存时间：节点通过交互包含剩余生存时间的信令后获知长度为R的带状区域内所有邻节点的剩余生存时间信息，其中R为节点的通信半径；通过区段性的点割集内节点的剩余生存时间获得无线带状传感网的局部网络的寿命；

步骤三，获取全网网络的剩余生存时间：对网络按照设定方法分簇并产生簇头后，在全网范围内按需广播信令，或节点周期性自发计算网络寿命，通过信令比较出全网的最小剩余生存时间，最后到达Sink节点时，信令所携带的寿命值就是所述无线带状传感网的全网网络的寿命。

3.根据权利要求2所述的基于点割集的无线带状传感网寿命预测方法，其特征在于，所述步骤一的实现过程为：

A1、除Sink节点外每个节点统计T时段的能耗来降低预测误差，ERG_nT为节点当前T时段内能耗，Avg_ERG_(n-1)T、Avg_ERG_nT分别是节点上一次估计的T时段内平均能耗和本次估计的T时段内平均能耗，根据式Avg_ERG_nT＝(1-α)ERG_nT+α·Avg_ERG_(n-1)T得出Avg_ERG_nT；其中α是大于0小于1的小数；

A2、节点的剩余生存时间其中Total_ERG_Left_nT为当前T时段节点的剩余能量，所述剩余能量通过读取当前T时刻节点的剩余电量获得。

4.根据权利要求2所述的基于点割集的无线带状传感网寿命预测方法，其特征在于，所述步骤二的实现过程为：

B1、节点执行分布式点割集算法，首先找出使网络不连通的一个顶点割；

B11、带状网络中节点均存在一个最小长度为d(d≤R)，宽度为w的矩形区域，使得删去所述矩形区域内的所有的点和关联边后网络不再连通，则所述矩形区域内点构成网络的一个顶点割；求出一个顶点割即求出该矩形区域的最小边长d；

B12、令初始边长为d＝d1，d1的大小根据网络布设密度进行调节，当前节点从网络中删除以本节点位置为中心，中心位置记为x₀，长为d的矩形区域内所有节点以及与所述矩形区域内所有节点关联的所有边后，判断[x₀-3R/2，x₀-d/2]内子网与[x₀+d/2，x₀+3R/2]内子网是否连通，若连通则执行B13，否则执行B14；

B13、增大d值使矩形区域长度扩大，为了求出满足条件的最小值d，d的增量必需足够小，同时保证递增后矩形区域内比递增前至少增加一个新的节点，再删去长为d的矩形区域内所有节点以及与所述矩形区域内所有节点关联的所有边，判断[x₀-3R/2，x₀-d/2]内子网与[x₀+d/2，x₀+3R/2]内子网是否连通，若连通则继续执行B13，否则执行B14；

B14、求出长度为d，宽为w矩形区域内，即[x₀-d/2，x₀+d/2]内所有节点构成的本节点的一个顶点割；

B2、根据顶点割求解一个点割集；

B21、将矩形[x₀-d/2，x₀+d/2]范围内节点按照与矩形外节点连通的跳数分为三类路径，分别记做Path-I、Path-II和Path-III；Path-I、Path-II和Path-III分别表示与矩形外节点连通至少必须经过1、2、3个矩形内中间节点；如果删掉Path-I上的点集合C1的所有点，Path-II上的点集合C2的部分点，Path-III上点集合C3的部分点，及与所述点关联的边后，网络变为不连通，则C1∪C2∪C3可构成图的一个点割集，记作C；C1，C2，C3均为点割集C的子集；

除了Path-I上所有点(C1)不需进行执行步骤B22外，Path-II和Path-III上所有点均要执行B22；将Path-II和Path-III上节点状态分为三种，分别表示为LEFT、RIGHT和MIDDLE，节点状态与其所处路径位置有关；依次对Path-II和Path-III上包含的节点进行状态初始化；

B211、若为矩形内Path-II上节点，定义Path-II上节点状态从左至右为LEFT、RIGHT；

B212、若为矩形内Path-III上节点，定义Path-III上节点状态从左至右为LEFT、MIDDLE、RIGHT；

B22、根据节点的状态初始化节点的连接度；不考虑同类状态节点之间的连接关系，节点的连接度定义如下：

B221、Path-II上状态为LEFT/RIGHT的节点的连接度等于与之相邻的状态为RIGHT/LEFT的节点数，连接度大于0表示该节点在Path-II上；

B222、Path-III上状态为LEFT/RIGHT的节点的连接度等于与之相邻的状态为MIDDLE的节点数；

B223、Path-III上状态为MIDDLE的节点的连接度等于与之相邻的状态为LEFT或RIGHT节点数的最小值，连接度大于0表示该节点在Path-III上；

B23、根据路径状态和连接度定义从这些路径上的节点集合中选出使网络断开的节点子集C2和C3；

定义路径上节点的权值函数f＝t/λ，t为节点剩余生存时间，λ为节点连接度；依次进行下面的判断：

B231、从Path-II上节点中选择使权值函数f取最小值的节点，将其加入到集合C2，同时在Path-II中删除该节点，更新Path-II中其他节点的连接度；判断若此时网络仍然连通，则继续计算Path-II中下一个使权值函数f取最小值的节点，并重复该操作，直到满足拿走C2中节点后，矩形区域内不存在Path-II使网络连通，C2寻找结束；

B232、若满足d≤0.5R，则C3为空集，执行B234；否则执行B233；

B233、从Path-III中选出使权值函数f取最小值的节点，将其加入到集合C3，同时在Path-III中删除该节点，更新Path-III中其他节点的连接度，判断若此时网络仍然连通，则继续计算Path-III中下一个使权值函数f取最小值的节点，并重复该操作，直到满足拿走C3中节点后，矩形区域内不存在Path-III使网络连通，Path-III和C3寻找结束，执行B234；

B234、求得当前节点的点割集C＝C1∪C2∪C3；

B3、预测局部网络的剩余生存时间；

节点通过交互包含剩余生存时间的信令后，获知长度为R的带状区域内所有邻节点的剩余生存时间的信息，将点割集C内节点的最大剩余生存时间作为执行算法节点计算出的局部网络剩余生存时间的预测值。

5.根据权利要求2所述的基于点割集的无线带状传感网寿命预测方法，其特征在于，所述步骤三的实现过程为：

D1、对网络按照设定方法分簇并产生簇头后，在全网范围内按需广播信令，距离Sink节点最远的簇头节点收集本簇成员计算出的最小的局部网络剩余生存时间，然后将所述最小的局部网络剩余生存时间值通过信令分组发送给距离Sink节点较近的下一簇头节点；

D2、所述下一簇头节点收到该信令后，指定节点首先计算本簇内最小剩余生存时间，如果本地计算的最小剩余生存时间值小于信令分组携带的最小剩余生存时间值，则以本地计算的最小剩余生存时间值替代信令携带的最小剩余生存时间值，之后继续向下一跳簇头节点发送信令；

D3、所述下一跳簇头节点重复所述D2过程，直到Sink节点收到信令分组后，上传给管理者；Sink节点收到的信令所携带的最小剩余生存时间值就是这段带状网络的剩余寿命。