[发明专利]基于能量和传输的无线传感器网络可靠性计算方法

说明书

本发明公开了一种精确评估无线传感器网络可靠性的方法，涉及无线传感器网络技术领域，针对利用基站划分网格进而分簇的无线传感器网络，结合节点工作内容以及感知、传输等能耗特征计算其瞬时可靠性。首先根据应用要求，计算节点正常工作且发送的数据成功传输到簇头的概率，其次利用簇内节点传输到簇头的数据数目和簇头节点的能耗模型计算出簇头节点在某一时刻的工作能力，最后根据簇间的路由方式，采用分解算法计算最终网络中数据到达sink节点的概率，即网络整体的可靠性。充分考虑了对其影响较大的因素：能耗和传输；采用有效的分簇及路由方式延长网络的寿命；计算过程简便，结果精确度较高，对于需要准确评估网络能力的应用具有很大的参考价值。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及基于能量和传输的无线传感器网络可靠性计算方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是由大量的节点相互协作构成的用于监测目标区域的无线通信网络，主要任务是感知事件，生成数据包，通过单跳或多跳的无线通信将数据包发送到基站，最终由用户分析所监测区域的情况。目前，WSN应用范围较为广泛，是工业、医学、军事等领域获取信息的重要途径之一。

WSN的节点通常被密集地随机抛洒在环境较为恶劣的目标区域内，其采用的休眠机制和允许部分节点失效的容错性均使得网络结构动态变化，因此这些节点通过自组织方式形成网络对区域进行覆盖监测。密集的节点可重复覆盖区域以保证采集信息的准确性，增强网络系统的容错性。为提高网络的工作能力，可先对其进行可靠性评估。由于网络部署时通常选用体积较小，成本较低的节点，其电池容量较小，使得节点具有有限的能量，而在节点工作的过程中，能量是其正常工作的保障，因此学者们已针对网络能量利用情况进行了大量的研究。

一是对网络拓扑结构进行优化，例如采用最常用的以分簇结构工作的网络拓扑模型，使得WSN网络整体消耗能量减少，从而提高系统的可靠性。分簇是将网络中所有节点按照一定的规则分组，每组节点相互协作，作为一个小的网络子系统收集所在区域内的信息并将其发送到簇头节点。通常网络的分簇是按照节点所在地理位置，相近的节点构成一簇。

最早提出的比较成熟的算法是LEACH算法，在文献Energy-Efficientcommunication protoccol for wireless microsensor networks中，作者对该算法进行了说明。在建簇阶段，随机产生簇头，相邻节点动态成簇；在数据通信阶段，簇成员节点发送数据到各自簇头，簇头节点再进行数据融合，并把融合后数据发送到汇聚节点。由于簇头节点要接收成员节点的数据进行数据融合并与远处的汇聚节点通信，能耗很大，所以LEACH协议规定每轮的簇头节点都要进行轮换以均衡节点能量。后来，学者又提出了一系列网络分簇方法，例如PEGASIS算法、HEED算法等，但这些算法中出现了簇首节点与sink节点的单跳传输导致能耗过多且不均和通信开销较大的问题。

学者们在这些算法的思想上提出一系列基于虚拟网格的分簇算法用于均衡网络能耗，进而降低通信开销。在WSN中基于虚拟网格的分簇路由算法的文献中，作者提出先将目标监测区域划分为网格状，基站根据网格边长进行计算，确保有足够的网格数完全覆盖整个区域。而在文献基于基站划分网格的无线传感器网络分簇算法中，作者提出利用基站发射的信号将区域直接划分成网格状，每个网格中的节点自成一簇，簇间采取多跳的传输方式。经仿真验证这些分簇方法使得网络能耗均比LEACH、PEGASIS等算法有所减少。

另一种方法是对节点工作方式进行规划，例如采用一种节点活跃-休眠交替工作的模式，可有效降低工作过程的能耗。在文献Energy control in dependable WirelessSensor Networks:a modeling perspective中，作者针对网络冗余节点工作模式交替进行的状态分析其能耗问题，并针对网络内部拓扑结构获得WSN工作能力。但作为一个通信网络，网络中节点间的传输能力也是影响其工作能力的一大重要因素。