形 區(qū)域，傳感器節(jié)點采用周期性工作/睡眠的運行模式進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測和發(fā)送，如圖1所示。
[0033] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的假設(shè)條件：
[0034] (1)基站BS位于正方形工作區(qū)域中心，且能量不受限制。
[0035] (2)每個傳感器節(jié)點都是同構(gòu)的，初始能量為E。，具有數(shù)據(jù)融合功能，且具有唯一 的位置ID識別標(biāo)志。
[0036] (3)每個傳感器節(jié)點都具有太陽能采集功能，且具有相同的能量轉(zhuǎn)換效率和存儲 效率，每個節(jié)點每輪的太陽能采集量根據(jù)時間變化在一定范圍內(nèi)隨機變化，傳感器節(jié)點電 池容量為E。且剩余能量不能超過E。。
[0037] (4)每個傳感器節(jié)點都可以根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸距離自動調(diào)整發(fā)射功率。
[0038] (5)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)按區(qū)域進行分簇，根據(jù)工作區(qū)域面積大小和傳感器節(jié)點個數(shù) 人為劃分為k個區(qū)域，每個區(qū)域即為一個簇。如圖1的網(wǎng)絡(luò)模型，假設(shè)a = 80，N = 64，b = 20,因此k = a2/b2= 16, η = a/2b = 2。此假設(shè)對于實際無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不失一般性。
[0039] 設(shè)計思路
[0040] 在前述太陽能采集模型基礎(chǔ)下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體剩余能量可大體分為三個 階段：
[0041] (1)耗能期：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均能耗速率大于平均太陽能采集速率，網(wǎng)絡(luò)的 平均剩余能量處于持續(xù)下降階段，此時為了讓無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量不被過分消耗而導(dǎo)致 某些節(jié)點過早死亡，整個網(wǎng)絡(luò)工作于節(jié)能模式，在此模式下的路由協(xié)議需要盡可能地減少 傳感器節(jié)點的工作時間，并且使整個網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡，防止網(wǎng)絡(luò)割裂。
[0042] (2)儲能期：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均太陽能采集速率大于平均能耗速率，但網(wǎng)絡(luò) 的平均剩余能量水平較低，設(shè)置一個剩余能量水平閾值E e，Erast< Ee，此時傳感器節(jié)點需要 存儲足夠的能量以供下一個耗能期消耗，因此WSN仍采用節(jié)能模式工作，使整個WSN的平 均剩余能量水平回升，理想狀態(tài)下如果儲能期足夠長，WSN的平均剩余能量水平可回到初始 值，即 Erf3st= E。。
[0043] (3)能量充裕期：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均太陽能采集速率大于平均能耗速率，并 且網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量水平達到設(shè)定閾值E e，理論上網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量會持續(xù)單調(diào)遞 增。此時，如果WSN仍工作于節(jié)能模式的話，某些傳感器節(jié)點的剩余能量有可能達到電池 的最大容量并且保持滿電狀態(tài)直到下一個耗能期，這樣會造成太陽能采集飽和以及溢出浪 費。為了避免能量溢出浪費，本發(fā)明提出的網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化分簇路由算法可以充分利用這一部 分多余的能量來改善WSN的網(wǎng)絡(luò)性能。
[0044] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于耗能期和儲能器都采用節(jié)能模式工作，此部分的網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化 重點是保證WSN傳感器節(jié)點的生命周期，實現(xiàn)能耗均衡。在這一方面，目前有較多關(guān)于WSN 能耗均衡的分簇路由算法，包括基于LEACH算法，在簇首選舉機制模型中加入能量因素，根 據(jù)傳感器節(jié)點剩余能量的多少調(diào)整選舉閾值，同樣可適用于本發(fā)明具有能量采集功能的 WSN分簇路由協(xié)議。鑒于WSN網(wǎng)絡(luò)能耗均衡已有較實用方法，本發(fā)明所提分簇路由協(xié)議只對 這部分進行相應(yīng)的引用，不將作為研究重點。
[0045] 當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于能量充裕期，則極有可能會有一部分環(huán)境能量溢出而不能 被利用，為了避免這種情況，關(guān)鍵在于使傳感器節(jié)點的能量損耗速率和能量采集速率保持 相對穩(wěn)定，因此必須增加傳感器節(jié)點的能耗，根據(jù)節(jié)點的能耗模型，傳感器節(jié)點的絕大部分 能量損耗在其無線通信方面，一般而言，無線通信模塊處于周期性工作/睡眠的運行模式， 假設(shè)α為周期T內(nèi)傳感器節(jié)點的工作時間，則傳感器節(jié)點工作時間的占空比P = α/Τ， 傳統(tǒng)的WSN為了節(jié)省能量都會讓傳感器節(jié)點工作時間的占空比盡可能減少，因此，增加傳 感器節(jié)點工作時間的占空比是增加 WSN能耗的可行方法之一，傳感器節(jié)點工作時間的占空 比增加，另一層面上則意味著WSN的相應(yīng)性能可以得到提高，WSN對于環(huán)境的監(jiān)測會更加全 面、準(zhǔn)確。為了可更形象地描述傳感器節(jié)點的工作時間，本發(fā)明假設(shè)工作單位時間內(nèi)傳感器 節(jié)點可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為Ubit/單位時間），則一周期內(nèi)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸量為1 = α*1。，易知1與α成正比，則傳感器節(jié)點的工作時間問題就可以轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流問題，放到 整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中就是網(wǎng)絡(luò)流問題。為了使WSN中的網(wǎng)絡(luò)流可行，必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流的 相關(guān)知識和理論進行考慮。
[0046] 本發(fā)明結(jié)合"容差修正網(wǎng)絡(luò)最大流FF算法"，在對網(wǎng)絡(luò)流進行增廣的同時，必須保 證增廣鏈路有足夠的容量，即信道帶寬必須可供數(shù)據(jù)流傳輸。因此，在進行網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化的 時候，簇首的選舉機制模型引入了容差因素，具體算法將在下文詳述，理論上可保證WSN的 信道有足夠帶寬供網(wǎng)絡(luò)增廣。
[0047] 本發(fā)明將用Matlab編程仿真，實現(xiàn)本發(fā)明算法與LEACH算法、ACSP算法的相關(guān)對 比，并進行性能分析。
[0048] 根據(jù)WSN所工作于三個不同時期的傳感器節(jié)點能量特點，本發(fā)明綜合考慮傳感器 節(jié)點的剩余能量、能量采集速率、能耗速率以及路由等信息，節(jié)能模式的主要目的是使網(wǎng)絡(luò) 的能耗均衡，引入傳感器節(jié)點的剩余能量作為簇首選舉的主要因素；WSN在能量充裕期工 作時，由于有足夠的能量可供其消耗，多余的能量會被用于進行增廣網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流，并根據(jù) 信道帶寬計算最佳數(shù)據(jù)流量，增加 WSN的能耗，使能耗速率與能量采集速率保持相對穩(wěn)定， 充分利用環(huán)境補給的能量，提高網(wǎng)絡(luò)性能。
[0049] 詳述
[0050] 以下是其中一些專業(yè)名詞的基本概念：
[0051] (1)圖（Graph):由頂點（或節(jié)點）集合和邊（或弧，頂點間的二元關(guān)系）集合組 成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常可用G(V，E)來表示。其中V(G)和E(G)分別表示頂點集合（Vertext Set)和邊的集合（Edge Set)。
[0052] (2)容量（Capacity):容量網(wǎng)絡(luò)G (V，E)是一個有向網(wǎng)絡(luò)，在V中指定一個源點Vs 和一個匯點Vt，對于每一條弧<u，v> e E對應(yīng)有一個權(quán)值Cap (u，V) > 0,稱為弧的容量（簡 稱容量）。
[0053] (3)弧的流量（Flow Rate):通過容量網(wǎng)絡(luò)G (V，E)中每條弧<u，v>上的實際流量 (簡稱流量），記為f (u，V)。
[0054] (4)網(wǎng)絡(luò)流（Network Flow):所有弧上流量的集合f = {f(u，v)}，稱為該容量網(wǎng) 絡(luò)G (V，E)中的一個網(wǎng)絡(luò)流。
[0055] (5)可行流（Feasible Flow):在容量網(wǎng)絡(luò)G(V，E)中，滿足以下條件的網(wǎng)絡(luò)流f， 稱為可行流。
[0056] 弧流量限制條件：0 < f (u，V) < c (u，V)，< u，V > e E (2)
[0057] 平衡條件：Xvf(u，v)-Xvf(v，u)= {|f| |u = Vs ;〇|u 乒 Vs，Vt ;-|f| |u = Vt} (3) 其中|f|稱為可行流的流量，其值等于源點的凈出量或匯點的凈入量。
[0058] (5)最大流（Maximum Flow):在容量網(wǎng)絡(luò)G (V，E)中，滿足弧流量限制條件和平衡 條件、且具有最大流量的可行流，稱為網(wǎng)絡(luò)最大流（簡稱最大流）。
[0059] (6)增廣鏈路（Augmenting Path):設(shè)f是一個容量網(wǎng)絡(luò)G (V，E)中的一個可行流， P是從Vs到Vt的一條鏈，若P滿足：1)
[0060] f(u，V) < c (u，V)，<u，v> e P~+(在 P 的前向弧集合）；2)
[0061] f(u，v) >0，〈u，v> e P~-，（在P的后向弧集合），則稱P為關(guān)于可行流f的一條 增廣鏈路。
[0062] 沿著增廣鏈路改進可行流的操作稱為增廣。
[0063] 增廣鏈路P上的所有弧<u，v>上的流量按以下規(guī)則變化：
[0064] I) If1 (u，V) = f (u，V) + a，<u，v> e P+;2) f ! (u，V) = f (u，V) - a，<u，v> e P?？?