一種考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化方法，包括如下步驟：根據(jù)模型初步部署分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；建立無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗模型；建立分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重傳模型；建立考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗模型；建立考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸成功率計(jì)算模型；建立均勻部署條件下分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命優(yōu)化模型及求解。本發(fā)明以考慮能耗的網(wǎng)絡(luò)壽命最大化為目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)連通性、覆蓋性和數(shù)據(jù)傳輸成功概率為約束條件，建立考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命優(yōu)化模型，采用遺傳算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器間距離、無(wú)線傳感器部署層數(shù)的優(yōu)化，減少了能耗過(guò)多、覆蓋率不足、數(shù)據(jù)傳輸成功率不高等問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】-種考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化方法，屬于網(wǎng)絡(luò)通信

【技術(shù)領(lǐng)域】里的無(wú)線傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[000引無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉 價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一種多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)是傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信等技術(shù)共同發(fā)展的成果，廣泛應(yīng)用于軍 事偵察、工業(yè)控制、物流、智能建筑等領(lǐng)域。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛使用，無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。
[0003] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量有限，節(jié)點(diǎn)隨著能量耗盡而死亡。隨著死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)目 增加，網(wǎng)絡(luò)的功能逐漸喪失，壽命最終終結(jié)，所W提高網(wǎng)絡(luò)壽命成為了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究 的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。
[0004] 分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命優(yōu)化研究對(duì)傳輸頻繁的交通公路監(jiān)測(cè)網(wǎng)，生物圈監(jiān) 控網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)部署具有重大指導(dǎo)意義。分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通常包括無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) (Sensor Node, SN)、中繼節(jié)點(diǎn)巧elay Node, RN)和基站炬ase Station, BS)。RN 作為簇頭， 各自管轄一定區(qū)域范圍內(nèi)的SN。每個(gè)SN感知到周圍信息后，按照一定的路由策略將信息經(jīng) 由簇內(nèi)其他SN逐跳或直接傳至其簇頭RN，RN再將其接收到的來(lái)自SN的信息及其自身感知 的周圍信息，也按照一定的路由策略經(jīng)由其他RN逐跳傳給BS。相對(duì)于SN，RN可W攜帶更 多的能量，因此分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命要高于平面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)中僅包含 SN和B巧。
[0005] 一般為了部署方便，傳感器節(jié)點(diǎn)常被均勻部署。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)部 署環(huán)境惡劣，重傳機(jī)制對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞成功率意義重大，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中。顯然重傳會(huì)增加傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗，從而縮短無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命。然而， 現(xiàn)有的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命優(yōu)化模型普遍忽略了網(wǎng)絡(luò)信息重傳的影響，因此本發(fā) 明考慮重傳，對(duì)均勻部署的分簇式傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化方法進(jìn)行研究，具有重要實(shí)際意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化中沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)重傳 造成的能量消耗的問(wèn)題，通過(guò)考慮重傳機(jī)制，對(duì)均勻部署的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命模 型的推導(dǎo)和優(yōu)化求解，提出一種新的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命優(yōu)化方法。
[0007] 一種均勻部署條件下考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命優(yōu)化方法，包括如 下步驟：
[000引步驟一：根據(jù)模型初步部署分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；
[0009] 步驟二；建立無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗模型；
[0010] 步驟S ;建立分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重傳模型；
[0011] 步驟四：建立考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗模型；
[0012] 步驟五：建立考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸成功率計(jì)算模型；
[0013] 步驟六：建立均勻部署條件下分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命優(yōu)化模型，通過(guò)求解 該模型得到相鄰SN間的最佳部署距離，W及SN和RN部署的最佳層數(shù)。
[0014] 所述的步驟一具體是：根據(jù)蜂窩狀六邊形結(jié)構(gòu)部署一個(gè)分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 該網(wǎng)絡(luò)對(duì)半徑為R。的圓形區(qū)域?qū)崿F(xiàn)信息監(jiān)測(cè)；基站BS部署于圓形區(qū)域中屯、，圍繞BS W六 邊形結(jié)構(gòu)部署了 L'層中繼節(jié)點(diǎn)RN，圍繞RN W六邊形結(jié)構(gòu)部署L層無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)SN ;SN 負(fù)責(zé)收集周圍信息并向距離簇頭RN較近的SN匯報(bào)，最后由距離RN最近的一層SN將信息 匯報(bào)給RN，位于簇邊緣的SN W等概率向其距離最近的RN匯報(bào)；同樣，RN將收集到的信息， 包括自身收集的信息和SN向其傳遞的信息，匯報(bào)給距離基站BS較近的RN，最后由距離BS 最近的一層RN將全部信息匯報(bào)給BS ;令該網(wǎng)絡(luò)中的相鄰SN間的距離為d，則相鄰RN間的 距離為^/Iid ;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息收集周期為t，每個(gè)SN和RN在一個(gè)信息收集周期內(nèi) 感知到大小為m的1個(gè)數(shù)據(jù)包，通過(guò)GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing,貪婪法 周邊無(wú)狀態(tài)路由）實(shí)現(xiàn)傳遞信息，信息傳輸過(guò)程中要求逐層傳遞，節(jié)點(diǎn)處也無(wú)信息融合；當(dāng) 各節(jié)點(diǎn)接收到的信息不正確或信息接收超時(shí)，前一節(jié)點(diǎn)將信息重傳，直到達(dá)到設(shè)定的最大 重傳次數(shù)。
[00巧]所述的步驟四中，設(shè)圍繞某個(gè)RN部署的第i層的第j個(gè)SN記為第（ij)個(gè)SN，考 慮重傳時(shí)，一個(gè)信息收集周期內(nèi)該SN的能耗模型E(i，j)為：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化方法，包括如下步驟： 步驟一：根據(jù)模型初步部署分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 步驟二：建立無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗模型，得到總消耗能量E; 步驟三：建立分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重傳模型，得到單個(gè)SN的重傳概率模型RRSN(DSN)和RN的重傳概率模型RRKN(DKN)，DSN是SN間信息傳輸距離，DKN是RN間信息傳輸距 離； 步驟四：建立考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗模型； 步驟五：建立考慮重傳的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸成功率計(jì)算模型； 步驟六：建立均勻部署條件下分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命優(yōu)化模型，通過(guò)求解該模 型得到相鄰SN間的最佳部署距離，以及SN和RN部署的最佳層數(shù)； 其特征在于， 所述的步驟一中，根據(jù)蜂窩狀六邊形結(jié)構(gòu)部署一個(gè)分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)對(duì) 半徑為Ra的圓形區(qū)域?qū)崿F(xiàn)信息監(jiān)測(cè)；基站BS部署于圓形區(qū)域中心，圍繞BS以六邊形結(jié)構(gòu) 部署了L'層中繼節(jié)點(diǎn)RN，圍繞RN以六邊形結(jié)構(gòu)部署L層無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)SN;SN負(fù)責(zé)收集 周圍信息并向距離簇頭RN較近的SN匯報(bào)，最后由距離RN最近的一層SN將信息匯報(bào)給RN， 位于簇邊緣的SN以等概率向其距離最近的RN匯報(bào)；同樣，RN將收集到的信息，包括自身收 集的信息和SN向其傳遞的信息，匯報(bào)給距離基站BS較近的RN，最后由距離BS最近的一層 RN將全部信息匯報(bào)給BS;令該網(wǎng)絡(luò)中的相鄰SN間的距離為d，則相鄰RN間的距離為; 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息收集周期為t，每個(gè)SN和RN在一個(gè)信息收集周期內(nèi)感知到大小為m的1個(gè)數(shù)據(jù)包，通過(guò)GPSR路由實(shí)現(xiàn)傳遞信息，信息傳輸過(guò)程中要求逐層傳遞，節(jié)點(diǎn)處也無(wú) 信息融合；當(dāng)各節(jié)點(diǎn)接收到的信息不正確或信息接收超時(shí)，前一節(jié)點(diǎn)將信息重傳，直到達(dá)到 設(shè)定的最大重傳次數(shù)； 所述的步驟四中，設(shè)圍繞某個(gè)RN部署的第i層的第j個(gè)SN記為第（i，j)個(gè)SN，考慮重 傳時(shí)，一個(gè)信息收集周期內(nèi)該SN的能耗模型E(i，j)為：
其中，01J；N、02_SN、03VfP0 4_SN為節(jié)點(diǎn)SN的系統(tǒng)固有參數(shù)；a是路徑損失指數(shù)， 2彡a彡4;mAC；K表示ACK信息的比特?cái)?shù)；\";，1^(;[，」）表示該51^向下一跳51^發(fā)送感 知數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望，\,e，AC：K(i，j)表示該SN向上一跳SN發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望， N：r，：re，Dm(i，j)表示該SN接收上一跳SN的感知數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望，NmAC；K(i，j)表示該SN 接收下一跳SN的ACK數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望，Pd是傳感器對(duì)感知數(shù)據(jù)包的處理率； 設(shè)圍繞BS部署的第i'層上的第j'個(gè)RN記為第（i'，j'）個(gè)RN，考慮重傳時(shí)，該RN的 能耗模型E(i'，j'）為：
RN接收到發(fā)自SN的感知數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望；Nt，M，SN，AC：K(i'，j'）為該RN向SN發(fā)送ACK數(shù)據(jù) 包數(shù)量的期望；Nt，,e，KN，DATA(i'，j'）為該RN向下一跳RN或BS發(fā)送感知數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望； ，j'）為該RN向上一跳RN發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望；NwKN，DATA(i'，j'）為該 RN接收上一跳RN的感知數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望；N"e，KN，M(i'，j'）為該RN接收下一跳RN或BS 的ACK數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望； 所述的步驟五中，一個(gè)信息收集周期內(nèi)，通過(guò)位于（i，j)的SN向下一跳SN成功傳遞所 有的數(shù)據(jù)的概率SSN(i，j)為：
其中，ASN是SN之間傳遞感知數(shù)據(jù)的重傳概率，BSN是SN之間傳遞ACK信息的重傳概率； \SN(i，j)是不考慮重傳時(shí)一個(gè)信息收集周期內(nèi)第（i，j)個(gè)SN向下一跳SN發(fā)送的感知數(shù) 據(jù)包個(gè)數(shù)；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中SN之間成功傳輸數(shù)據(jù)的概率SSN為：
通過(guò)SN向位于（i'，j'）的RN成功傳輸所有數(shù)據(jù)的概率SSK(i'，j'）為：
其中，ASK是SN向RN傳遞感知數(shù)據(jù)的重傳概率，BSK是SN向RN傳遞ACK信息的重傳概 率；NSN(i'，j'）是不考慮重傳時(shí)一個(gè)信息收集周期內(nèi)SN向第（i'，j'）個(gè)RN發(fā)送的感知 數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)； 通過(guò)位于（i'，j'）的RN向下一跳RN或BS成功傳遞所有數(shù)據(jù)的概率為SKN(i'，j'）：
其中，AKN是RN之間傳遞感知數(shù)據(jù)的重傳概率，BKN是RN之間傳遞ACK信息的重傳概率； 隊(duì),_(1'，j'）為不考慮重傳時(shí)一個(gè)信息收集周期內(nèi)第（i'，j'）個(gè)RN向下一跳RN或BS發(fā)送 的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)； 將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β蔬B乘，得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)信息收集周期內(nèi)的成功傳輸數(shù)據(jù) 的概率S:
所述的步驟六中，均勻部署條件下分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命優(yōu)化模型為：

其中，為每個(gè)RN攜帶的初始能量，EasN為每個(gè)SN攜帶的初始能量；S#是規(guī)定的整 網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞成功率；&是SN和RN的感知半徑；RRt，KN分別是SN和RN信息傳輸半徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化方法，其特征在于，所述的 步驟二具體是： 傳感器節(jié)點(diǎn)SN和RN的能耗分為三種：發(fā)送信息消耗的能量Et，接收信息消耗的能量民 和空閑狀態(tài)消耗的能量Eid，如下：
其中，02, 03和0 4都是系統(tǒng)固有參數(shù)，D是傳輸距離；Kt是發(fā)送數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度， 是接收數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，tid是空閑時(shí)間；其中，空閑時(shí)間
其中tt和％ 分別是數(shù)據(jù)發(fā)送和接收所消耗的時(shí)間； 將三種能耗相加得到傳感器節(jié)點(diǎn)在一個(gè)信息收集周期內(nèi)的總消耗能量
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化方法，其特征在于，步驟三 中所述的單個(gè)MICA2型SN的重傳概率模型RRSN(DSN)為：
其中，m和1分別是感知數(shù)據(jù)包和報(bào)文頭的長(zhǎng)度，DSN是相鄰SN間的距離，P^是SN的 發(fā)送功率，&^是SN接收器靈敏度，f^是SN的載波頻率，C為光速； MICAZ型RN的重傳概率模型RR^DJ為：
其中，DKN是RN間信息傳輸距離，P^是RN的發(fā)送功率，Su是RN接收器靈敏度，fKN 是RN的載波頻率，Q(.)表示Q函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化方法，其特征在于，所述的 步驟四包括如下步驟4. 1?步驟4. 4 : 步驟4. 1，SN之間發(fā)送的數(shù)據(jù)類型有兩種，分別是自身所感知的數(shù)據(jù)與外層SN向其發(fā) 送的數(shù)據(jù)；不考慮重傳時(shí)，一個(gè)信息收集周期內(nèi)位于第（i'，j'）個(gè)RN簇內(nèi)的第（i，j)個(gè)SN 發(fā)送的感知數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)\SN(i，j)分為如下幾種情況：

步驟4. 2,假設(shè)每個(gè)感知數(shù)據(jù)的傳遞是獨(dú)立的，考慮重傳時(shí)，當(dāng)最大重傳次數(shù)為2時(shí)，每 個(gè)感知數(shù)據(jù)最多被傳遞3次；在每次感知數(shù)據(jù)傳遞中都有三種情形：（1)感知數(shù)據(jù)和ACK信 息都被成功傳遞；(2)感知數(shù)據(jù)被成功傳遞，而ACK信息沒(méi)有被發(fā)送端接收到；（3)接收端 不能接收到感知數(shù)據(jù)，發(fā)送端也沒(méi)有接收到ACK信息；在情景（2)和（3)中認(rèn)為感知數(shù)據(jù)發(fā) 送失敗，發(fā)送端重傳感知數(shù)據(jù)直到達(dá)到最大重傳次數(shù)； 在一跳中對(duì)一個(gè)感知數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)，感知數(shù)據(jù)包和ACK數(shù)據(jù)包分別傳送x次的概率表 示為wdata，x⑶和《AGK，X(D)，其傳遞次數(shù)的期望分別為wdata(D)和《AGK(D)，X= 1，2, 3;
A和B分別是傳感器感知數(shù)據(jù)和ACK信息的重傳概率； 考慮重傳時(shí)，一個(gè)信息收集周期內(nèi)位于（i，j)的SN，向下一跳SN發(fā)送感知數(shù)據(jù)包數(shù)量 的期望為Nt，M，DATA(i，j)，向上一跳SN發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望為Nt，M，A。K(i，j)，接收來(lái)自 上一跳SN的感知數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望為N"e，DATA(i，j)，接收來(lái)自下一跳SN的ACK數(shù)據(jù)包數(shù) 量的期望為j)，表示如下：
考慮重傳時(shí)，一個(gè)信息收集周期內(nèi)位于的RN接收來(lái)自SN的感知數(shù)據(jù)包數(shù)量 的期望為Nt，M，SN，DATA(i'，j'），向SN發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望為Nt，M，SN，ACK(i'，j'），表示如 下：
考慮重傳時(shí)，一個(gè)信息收集周期內(nèi)位于（i'，j'）的RN向下一跳RN或BS發(fā)送感 知數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望為j'），向上一跳RN發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望為 (i'，j'），接收上一跳RN的感知數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望為NwKN，DATA(i'，j'），接收下一 跳RN或BS的ACK數(shù)據(jù)包數(shù)量的期望為NwKN，AC：K(i'，j'），表示如下：
步驟4. 3,將步驟4. 2中的SN與SN之間發(fā)送信息數(shù)量的期望公式與步驟二中的總消耗 能量E綜合，得到考慮重傳時(shí)，一個(gè)信息收集周期內(nèi)第（i，j)個(gè)SN的能耗模型E(i，j); 步驟4. 4,將步驟4. 2中的SN與RN和RN與RN之間發(fā)送信息數(shù)量的期望公式與步驟二 中的中的總消耗能量E綜合，得到考慮重傳時(shí)，一個(gè)信息收集周期內(nèi)第個(gè)RN的能
【文檔編號(hào)】H04W52/02GK104486774SQ201410811182
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月23日
【發(fā)明者】張楠, 李瑞瑩, 劉小西, 黃寧 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)