把f改進(jìn)成一個值更大的f\。
[0065] 其中 α 可改進(jìn)量，a = min {minP+{c (u，v)-f (u，v)}，minP-f (u，v))。
[0066] 圖2為一個容量網(wǎng)絡(luò)G模型，弧上的數(shù)字前者為該弧的容量，后者為該弧的流量。
[0067] 網(wǎng)絡(luò)流問題屬于運籌學(xué)的一部分，其主要研究網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化問題，本發(fā)明的CRONF 算法的網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化在于引入網(wǎng)絡(luò)流問題，對WSN的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量進(jìn)行優(yōu)化，自然可以把 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)看作是一個有向容量網(wǎng)絡(luò)G，傳感器節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)G的頂點，節(jié)點之間的通 信信道作為網(wǎng)絡(luò)G的弧，而節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸量即為網(wǎng)絡(luò)G的流量，關(guān)于弧的容量Cap，本發(fā)明 作以下定義：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點只有一條前向弧，分簇路由協(xié)議以輪r為時間單 位，假設(shè)節(jié)點u的前向弧為<u，V〉，節(jié)點u -輪的能耗為E_，能量采集量為Eup，剩余能量為 Erast，則定義弧<u，v>的容量為：
[0068]
(4)
[0069] 節(jié)點的能耗E_需要根據(jù)該輪中節(jié)點是否擔(dān)任簇首而定，若節(jié)點在該輪作為簇成 員，則其能耗為
[0070]
(5)
[0071] 若節(jié)點在該輪擔(dān)任最外層簇首，則其能耗為
[0072] (6)
[0073]
[0074] 若節(jié)點在該輪擔(dān)任中間層層簇首，則其能耗為
[0075]
(7)
[0076] 式中，1為節(jié)點在一輪中發(fā)送的數(shù)據(jù)量（單位為bit)，d為數(shù)據(jù)傳輸距離，Nclustra^ 節(jié)點所在簇的節(jié)點總數(shù)，N raciut為與該節(jié)點通信的外層簇首總數(shù)，E DA為數(shù)據(jù)累積能耗。
[0077] 根據(jù)以上定義，可把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量問題轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化問題， 對于網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化問題，本發(fā)明主要優(yōu)化重點在于增廣鏈路上數(shù)據(jù)流的可改進(jìn)量以及根據(jù)信 道帶寬選擇路由保證數(shù)據(jù)流可行。
[0078] 在網(wǎng)絡(luò)流問題中，一個最經(jīng)典的求解網(wǎng)絡(luò)最大流算法就是Ford-Fulkerson算法 (簡稱FF算法），后面提出的網(wǎng)絡(luò)最大流的求解方法基本都是以Ford-Fulkerson算法為基 礎(chǔ)的。Ford-Fulkerson算法的基本思想是根據(jù)增廣鏈路定理，以BFS (廣度最優(yōu)搜索）的方 法去遍歷整個網(wǎng)絡(luò)，并依次對每一條增廣鏈路進(jìn)行增廣，直至網(wǎng)絡(luò)圖中搜索不出增廣鏈路。 但是，F(xiàn)F算法存在的問題是其增廣鏈路的選擇是隨機的，對于某些特定的網(wǎng)絡(luò)FF算法可能 很難做到快速收斂到網(wǎng)絡(luò)最大流，或者甚至不會收斂到網(wǎng)絡(luò)最大流。因此，本發(fā)明將以FF 算法的一個改進(jìn)型算法--"容差修正網(wǎng)絡(luò)最大流FF算法"作為CRONF算法的網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化 基礎(chǔ)。
[0079] 容差修正網(wǎng)絡(luò)最大流FF算法融合了 FF算法和"篩選"算法，以頂點容差作為增光 鏈路選擇的參考因素，而非FF算法的隨機選取增光鏈路進(jìn)行增廣，根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)流問題的多 種算法的研究，容差修正網(wǎng)絡(luò)最大流FF算法并非能夠確保能解出網(wǎng)絡(luò)的最大流，因為對于 多徑傳播的網(wǎng)絡(luò)該算法并不綜合考慮所有路的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)流分配，而是優(yōu)先考慮以頂點容差 較大的鏈路作為增廣鏈路。但容差修正網(wǎng)絡(luò)最大流FF算法這一缺陷并不會影響本發(fā)明所 假設(shè)的單一路徑傳播的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用該算法來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化的優(yōu)點在于可使路 由選擇算法快速收斂、保證信道有足夠帶寬，這對于分簇路由協(xié)議而言是至關(guān)重要的。
[0080] 容差的定義為：對于容量網(wǎng)絡(luò)G(V，E)，頂點V的容差Φν是指所有以V為起點的 有向弧的容量總和與所有以V為終點的有向弧的容量總和之差，即
[0081] CN 105120474 A VL 丫/y 貝
(S)
[0082] 式中，Vi (a)為弧a的起點；Vj (a)為弧a的終點。
[0083] 在本發(fā)明所假設(shè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點i的容差為
[0084]
[0085] 式中，A/i為節(jié)點i所在簇的所有鄰節(jié)點集合。
[0086] 在分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇成員作為源點，簇首作為中間頂點，基站作為匯 點。應(yīng)用容差修正網(wǎng)絡(luò)最大流FF算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化時，需要選取中間頂點容差大的鏈路 進(jìn)行增廣，容差大則說明入弧數(shù)據(jù)流可完全流入出弧的可能性較大?；谶@一思想，選擇容 差大的節(jié)點作為簇首，則可保證數(shù)據(jù)流增廣后鏈路有足夠的帶寬來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0087] 對于前文所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)的最佳數(shù)據(jù)流量Ibest的計算如下：
[0088] 簇首的能耗模型簡化近似為
[0089]
(10)
[0090] 一個簇的能耗為
[0091]
(11)
[0092] 網(wǎng)絡(luò)總能耗為
[0093]
[0094]
[0095] 網(wǎng)絡(luò)的平均能耗為
[0096]
(13)
[0097] 網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量為
〇4)
[0098]
[0099] 網(wǎng)絡(luò)的平均能量采集值為
(15).
[0100]
[0101] 若需在網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化階段，令能耗速率與能量采集速率保持相對穩(wěn)定，則令
(16；)
[0103] 即可求出網(wǎng)絡(luò)的最佳數(shù)據(jù)流量
[0105] 通過I = α *1。可計算出傳感器節(jié)點優(yōu)化后的工作時間α及其工作時間的占空 比 P = α /τ。 （17)
[0106] 簇首選舉機制模型
[0107] 簇首選舉機制是分簇路由協(xié)議中的關(guān)鍵技術(shù)之一，擔(dān)任簇首的傳感器節(jié)點不僅需 要負(fù)責(zé)監(jiān)測環(huán)境信息，還需要負(fù)責(zé)接收簇內(nèi)成員的數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并轉(zhuǎn)發(fā)等，因此簇首 所需要損耗的能量會較其余作為簇成員的傳感器節(jié)點要大得多。由此可見，簇首選擇的好 壞直接決定了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗是否可以達(dá)到均衡、生命周期的長短及其性能的 優(yōu)劣。簇首選舉機制必須適應(yīng)整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量信息的變化，在不同的運行模式下 制定出相適應(yīng)的策略。
[0108] 在耗能期和儲能期，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作于節(jié)能模式，此模式的分簇路由協(xié)議以 維持網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡為主，因此簇首選擇機制應(yīng)引入傳感器節(jié)點的能量信息來作為主要考 慮因素，同一個簇的傳感器節(jié)點以均勻概率在簇內(nèi)循環(huán)輪流擔(dān)任簇首，節(jié)點剩余能量和能 量采集值較大的節(jié)點擔(dān)任簇首的概率比較大，并且設(shè)定剩余能量低于閾值民__的節(jié)點不 能擔(dān)任簇首。根據(jù)以上思路，傳感器節(jié)點簇首選舉的閾值模型為
[0109]
τι ε G 甘仙 （談） 其他
[0110] 同時，在簇首選舉節(jié)點，每個傳感器節(jié)點會產(chǎn)生一個隨機數(shù)a e [0, 1]，若α < T (i)，則該節(jié)點在本輪成功被選舉為簇首。
[0111] 在能量充裕期，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化階段，需要對數(shù)據(jù)流進(jìn)行增廣，根 據(jù)前文對于網(wǎng)絡(luò)流問題的論述，引用"容差修正網(wǎng)絡(luò)最大流FF算法"，為保證信道有足夠帶 寬，需要作為中間頂點的簇首有較大的容差，因此在此階段選擇容差較大的傳感器節(jié)點作 為簇首。分簇階段，若基站發(fā)布按網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化分簇命令，傳感器節(jié)點計算自己的容差（參考 前文公式）并在簇內(nèi)廣播自己的容差信息，簇內(nèi)的所有傳感器節(jié)點都知道鄰節(jié)點的容差信 息并各自建立成表，在此表中容差最大的節(jié)點自動擔(dān)任本輪的簇首，并按基站提供的最優(yōu) 數(shù)據(jù)流量I test信息制定本簇的TDM調(diào)度表。
[0112]
[0113]
[0114] 如圖3所示，本發(fā)明所述的基于能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理方法，包括 以下步驟：
[0115] (1)每輪開始，基站根據(jù)上一輪WSN傳感器節(jié)點的能量信息計算網(wǎng)絡(luò)的平均剩余 能量值U、平均能耗值1=、平均能量采集值
[0116] (2)基站判斷WSN處于耗能期、儲能器還是能量充裕期并廣播信息。若
，則WSN進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化階段，轉(zhuǎn)（4);否則，WSN進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)能耗均 衡優(yōu)化階段，轉(zhuǎn)（3);
[0117] (3)節(jié)點接收基站網(wǎng)絡(luò)能耗均衡優(yōu)化分簇命令，計算閾值T(i)，產(chǎn)生0~1的隨機 數(shù)α，若a < T(i)，則擔(dān)任簇首；否則，則為簇成員；
[0118] (4)節(jié)點接收基站網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化分