[发明专利]一种非均匀部署条件下无线传感器网络的寿命优化方法

摘要

本发明公开了一种非均匀部署条件下无线传感器网络的寿命优化方法，包括如下步骤：步骤一：部署一维无线传感器网络；步骤二：获取无线传感器节点的能耗模型；步骤三：获取一维无线传感器网络的重传模型；步骤四：获取考虑重传的一维无线传感器网络的能耗模型；步骤五：获取考虑重传的一维无线传感器网络的可靠性模型；步骤六：获取非均匀部署条件下一维无线传感器网络的寿命优化模型及求解。本发明考虑重传机制，建立了以数据传递可靠性为约束条件、以考虑能耗的网络寿命最大化为目标的非均匀部署条件下无线传感器网络的优化模型，采用牛顿法，实现对节点部署数量的优化，是对无线传感器网络的便捷、高效能的寿命优化部署方法的创新。

主权项

一种非均匀部署条件下无线传感器网络的寿命优化方法，包括以下几个步骤：步骤一：部署一维无线传感器网络；具体步骤如下：部署探测范围为D的一维传感器网络，网络包括n个传感器和一个基站，所有传感器节点及基站部署在一条定长的直线上，而且其中i＝1,2,3,…,n；其中D为一维网络总长，di为第i个传感器与下一个相邻传感器间的距离，n为网络中的传感器节点数；每个传感器在一个信息收集周期内只感知到一个数据包，各传感器节点依次向后一个邻居传感器节点传递信息，设定最大重传次数，当各传感器节点接收到的信息不正确或信息接收超时，前一传感器节点会将信息重传，直到达到设定的最大重传次数；步骤二：获取无线传感器节点的能耗模型；具体包括如下步骤：第i个传感器节点探测到m比特数据包，然后发送给相邻的距离为di的第i+1个传感器节点，其中：发送m比特信息的能耗为Et，Et＝(β1+β2diα)m，其中，β1和β2是系统固有参数，di是传递距离，α是路径损耗指数；接受m比特信息的能耗为Er，Er＝β3m，其中，β3是系统固有参数；当传感器节点处于空闲状态，在一个信息收集周期内的能耗为Eid，Eid＝β4tidPm，其中，β4是系统固有参数，tid是空闲时间，P是传感器对感知到的信息的处理率；步骤三：获取一维无线传感器网络的重传模型；具体包括如下步骤：在无RTS/CTS的简化CSMA/CA协议中，重传时无线传感器网络中传递的信息包括感知数据和确认信息两种，确认信息用ACK表示，第i个传感器节点向第i+1个传感器节点传递数据，如果第i+1个传感器节点成功接收数据，则发送ACK信息给第i个传感器节点；如果第i个传感器节点没有接收到ACK信息，则会重新传递数据，直到达到最大的重传次数；每个传感器节点都有存储器，会存储数据直到其被后一个传感器节点接收；根据IEEE 802.15.4标准，推导得单个MICA2型传感器节点的重传概率模型如下：RR(d)=1-[1-12e-(Pt-PL(1)-20lg(d)-Sr2)10.64]2m-1d≤8m1-[1-12e-(Pt-PL(1)-20lg(8)-33lg(d8)-Sr2)10.64]2m-1d>8m]]>其中，m和l分别是数据包和报文头的长度，d是信息传递距离，Pt是传递功率，Sr是接收器灵敏度，PL(1)是路径损耗参数，f是带宽，C为光速299792458m/s；步骤四：获取考虑重传的一维无线传感器网络的能耗模型；具体包括如下步骤：步骤4.1假设每个感知数据的传递是独立的，当最大重传次数为2时，每个感知数据最多被传递3次；在每次感知数据传递中都有三种情形：(1)感知数据和ACK信息都被成功传递；(2)感知数据被成功传递，而ACK信息没有被发送端接收到；(3)接收端不能接收到感知数据，发送端也没有接收到ACK信息；在情形(2)和(3)中认为感知数据发送失败，发送端会重传数据直到达到最大重传次数；表1列出了最多重传两次时，考虑重传的一维无线传感器网络的所有数据传递类型；表1 重传在表1中，SD表示感知数据，ACK表示ACK信息；1，0和N/A分别表示每次信息传递可能有三种状况：成功、失败和无传递；感知数据包和ACK信息共有15种可能的数据传递状态，S和F分别表示每种传递状态下是否最终成功传递了感知数据，S表示成功，F表示失败；A和B分别是传感器感知数据和ACK信息的重传概率；步骤4.2由表1计算，得到15种组合数据传递状态的发生概率，用A和B的表达式表示；TTSD,j(d)和TTACK,j(d)分别是感知数据和ACK信息被传递j次的概率，j＝1,2,3，其表达式如下：TTSD,1(d)＝(1‑A)(1‑B)TTSD,2(d)＝(1‑A)(1‑B)[A+B(1‑A)]TTSD,3(d)＝A2(1‑A)(1‑B)+A3+3A2B(1‑A)+2AB(1‑A)2(1‑B)+3AB2(1‑A)2+B2(1‑A)3TTACK,1(d)＝(1‑A)(1‑B)+A(1‑A)(1‑B)+A2(1‑A)(1‑B)+3A2B(1‑A)TTACK,2(d)＝B(1‑A)2(1‑B)+2AB(1‑A)2(1‑B)+3AB2(1‑A)2TTACK,3(d)＝B2(1‑A)3步骤4.3将步骤4.2中的重传次数概率公式与步骤二中的发送、接收和空闲状态下的能耗模型综合，得到考虑重传时，第i个传感器节点处的能耗模型如下：Ei=imSD[(β1+β2diα)-β4][TTSD,1(di)+2TTSD,2(di)+3TTSD,3(di)]+imACK[β3-β4][TTACK,1(di)+2TTACK,2(di)+3TTACK,3(di)]+(i-1)mSD[β3-β4][TTSD,1(di-1)+2TTSD,2(di-1)+3TTSD,3(di-1)]+(i-1)mACK[(β1+β2di-1α)-β4][TTACK,1(di-1)+2TTACK,2(di-1)+3TTACK,3(di-1)]+β4tidPmSD]]>其中，i＝1,2,3,…,n，mSD是感知数据的比特数，mACK是ACK信息的比特数；步骤五：获取考虑重传的一维无线传感器网络的可靠性模型由于表1中15种组合传递形式为独立事件，将这15种组合中成功传递的概率相加，可得传感器网络在每个感知信息收集周期内每个传感器节点向后一传感器节点成功传递数据的概率，即相邻传感器间的传递可靠度S(di)；S(di)＝1‑A3‑2A2B(1‑A)‑AB2(1‑A)2，将感知数据传递路径上所有相邻传感器节点间的传递可靠度相乘，得到每个信息收集周期内第i个传感器向基站成功传递数据的概率，即感知数据传递可靠度S(i)：S(i)=Πj=inS(dj),]]>其中j＝i,i+1,…,n；显然传感器节点1处的感知数据传递可靠度S(1)最小，对S(1)进行约束能够确保整网传感器与基站间感知数据的传递可靠度不低于规定值；步骤六：获取非均匀部署条件下一维无线传感器网络的寿命优化模型及求解；步骤6.1建立寿命优化模型非均匀部署条件下无线传感器网络寿命优化模型为：MaxL=E0maxi=1n(Ei)t,]]>约束为：S(1)＞S*di≤2Rs；0＜di＜D式中，E0为每个传感器节点携带的初始能量；在一个信息传递周期内所有传感器中能耗最大者的能耗值；t为一个信息收集周期；S*是规定的整网数据传递可靠度要求；Rs是传感器节点的感知范围；D为需监测的直线长度；步骤6.2优化算法及优化模型求解按以下步骤优化求解：(1)给定网络中的传感器节点数n，对步骤6.1模型进行优化求解，得到最优网络寿命和网络寿命最优时的传感器节点间距离分布；(2)对比在不同传感器节点数n下求解得到的网络最优寿命，得到最优寿命最长时的网络传感器节点数，此时对应的网络部署方案即为最优非均匀部署方法，即各相邻传感器节点间的最优距离值。