一種考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡壽命優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡壽命優化方法，包括如下步驟：根據模型初步部署分簇式無線傳感器網絡；建立無線傳感器節點的能耗模型；建立分簇式無線傳感器網絡的重傳模型；建立考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡的能耗模型；建立考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡的傳輸成功率計算模型；建立均勻部署條件下分簇式無線傳感器網絡的壽命優化模型及求解。本發明以考慮能耗的網絡壽命最大化為目標，網絡連通性、覆蓋性和數據傳輸成功概率為約束條件，建立考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡的壽命優化模型，采用遺傳算法，實現對無線傳感器間距離、無線傳感器部署層數的優化，減少了能耗過多、覆蓋率不足、數據傳輸成功率不高等問題。
【專利說明】-種考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡壽命優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡壽命優化方法，屬于網絡通信
【技術領域】里的無線傳感器【技術領域】。
【背景技術】
[000引無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks)是由部署在監測區域內的大量廉 價微型傳感器節點，通過無線通信方式形成的一種多跳的自組織網絡系統。無線傳感器網 絡是傳感器技術、微機電系統、現代網絡和無線通信等技術共同發展的成果，廣泛應用于軍 事偵察、工業控制、物流、智能建筑等領域。隨著無線傳感器網絡的深入研究和廣泛使用，無 線傳感器網絡將會深入到人類生活的各個領域。
[0003] 無線傳感器網絡的節點能量有限，節點隨著能量耗盡而死亡。隨著死亡節點數目 增加，網絡的功能逐漸喪失，壽命最終終結，所W提高網絡壽命成為了無線傳感器網絡研究 的難點和熱點。
[0004] 分簇式無線傳感器網絡的壽命優化研究對傳輸頻繁的交通公路監測網，生物圈監 控網絡等網絡部署具有重大指導意義。分簇式無線傳感器網絡，通常包括無線傳感器節點 (Sensor Node, SN)、中繼節點巧elay Node, RN)和基站炬ase Station, BS)。RN 作為簇頭， 各自管轄一定區域范圍內的SN。每個SN感知到周圍信息后，按照一定的路由策略將信息經 由簇內其他SN逐跳或直接傳至其簇頭RN，RN再將其接收到的來自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由其他RN逐跳傳給BS。相對于SN，RN可W攜帶更 多的能量，因此分簇式無線傳感器網絡的壽命要高于平面無線傳感器網絡（網絡中僅包含 SN和B巧。
[0005] 一般為了部署方便，傳感器節點常被均勻部署。無線傳感器網絡中傳感器節點部 署環境惡劣，重傳機制對于提高網絡的數據傳遞成功率意義重大，已經廣泛運用于無線傳 感器網絡中。顯然重傳會增加傳感器節點能量消耗，從而縮短無線傳感器網絡壽命。然而， 現有的分簇式無線傳感器網絡的壽命優化模型普遍忽略了網絡信息重傳的影響，因此本發 明考慮重傳，對均勻部署的分簇式傳感器網絡壽命優化方法進行研究，具有重要實際意義。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是為了解決分簇式無線傳感器網絡壽命優化中沒有考慮數據重傳 造成的能量消耗的問題，通過考慮重傳機制，對均勻部署的分簇式無線傳感器網絡壽命模 型的推導和優化求解，提出一種新的分簇式無線傳感器網絡的壽命優化方法。
[0007] 一種均勻部署條件下考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡的壽命優化方法，包括如 下步驟：
[000引步驟一：根據模型初步部署分簇式無線傳感器網絡；
[0009] 步驟二；建立無線傳感器節點的能耗模型；
[0010] 步驟S ;建立分簇式無線傳感器網絡的重傳模型；
[0011] 步驟四：建立考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡的能耗模型；
[0012] 步驟五：建立考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡的傳輸成功率計算模型；
[0013] 步驟六：建立均勻部署條件下分簇式無線傳感器網絡的壽命優化模型，通過求解 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。
[0014] 所述的步驟一具體是：根據蜂窩狀六邊形結構部署一個分簇式無線傳感器網絡， 該網絡對半徑為R。的圓形區域實現信息監測；基站BS部署于圓形區域中屯、，圍繞BS W六 邊形結構部署了 L'層中繼節點RN，圍繞RN W六邊形結構部署L層無線傳感器節點SN ;SN 負責收集周圍信息并向距離簇頭RN較近的SN匯報，最后由距離RN最近的一層SN將信息 匯報給RN，位于簇邊緣的SN W等概率向其距離最近的RN匯報；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將全部信息匯報給BS ;令該網絡中的相鄰SN間的距離為d，則相鄰RN間的 距離為^/Iid ;無線傳感器網絡中的信息收集周期為t，每個SN和RN在一個信息收集周期內 感知到大小為m的1個數據包，通過GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing,貪婪法 周邊無狀態路由）實現傳遞信息，信息傳輸過程中要求逐層傳遞，節點處也無信息融合；當 各節點接收到的信息不正確或信息接收超時，前一節點將信息重傳，直到達到設定的最大 重傳次數。
[00巧]所述的步驟四中，設圍繞某個RN部署的第i層的第j個SN記為第（ij)個SN，考 慮重傳時，一個信息收集周期內該SN的能耗模型E(i，j)為：
[0016]
【權利要求】
1. 一種考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡壽命優化方法，包括如下步驟： 步驟一：根據模型初步部署分簇式無線傳感器網絡； 步驟二：建立無線傳感器節點的能耗模型，得到總消耗能量E; 步驟三：建立分簇式無線傳感器網絡的重傳模型，得到單個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線傳感器網絡的能耗模型； 步驟五：建立考慮重傳的分簇式無線傳感器網絡的傳輸成功率計算模型； 步驟六：建立均勻部署條件下分簇式無線傳感器網絡的壽命優化模型，通過求解該模 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； 其特征在于， 所述的步驟一中，根據蜂窩狀六邊形結構部署一個分簇式無線傳感器網絡，該網絡對 半徑為Ra的圓形區域實現信息監測；基站BS部署于圓形區域中心，圍繞BS以六邊形結構 部署了L'層中繼節點RN，圍繞RN以六邊形結構部署L層無線傳感器節點SN;SN負責收集 周圍信息并向距離簇頭RN較近的SN匯報，最后由距離RN最近的一層SN將信息匯報給RN， 位于簇邊緣的SN以等概率向其距離最近的RN匯報；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將全部信息匯報給BS;令該網絡中的相鄰SN間的距離為d，則相鄰RN間的距離為; 無線傳感器網絡中的信息收集周期為t，每個SN和RN在一個信息收集周期內感知到大小為m的1個數據包，通過GPSR路由實現傳遞信息，信息傳輸過程中要求逐層傳遞，節點處也無 信息融合；當各節點接收到的信息不正確或信息接收超時，前一節點將信息重傳，直到達到 設定的最大重傳次數； 所述的步驟四中，設圍繞某個RN部署的第i層的第j個SN記為第（i，j)個SN，考慮重 傳時，一個信息收集周期內該SN的能耗模型E(i，j)為：
其中，01J；N、02_SN、03VfP0 4_SN為節點SN的系統固有參數；a是路徑損失指數， 2彡a彡4;mAC；K表示ACK信息的比特數；\";，1^(;[，」）表示該51^向下一跳51^發送感 知數據包數量的期望，\,e，AC：K(i，j)表示該SN向上一跳SN發送ACK數據包數量的期望， N：r，：re，Dm(i，j)表示該SN接收上一跳SN的感知數據包數量的期望，NmAC；K(i，j)表示該SN 接收下一跳SN的ACK數據包數量的期望，Pd是傳感器對感知數據包的處理率； 設圍繞BS部署的第i'層上的第j'個RN記為第（i'，j'）個RN，考慮重傳時，該RN的 能耗模型E(i'，j'）為：
RN接收到發自SN的感知數據包數量的期望；Nt，M，SN，AC：K(i'，j'）為該RN向SN發送ACK數據 包數量的期望；Nt，,e，KN，DATA(i'，j'）為該RN向下一跳RN或BS發送感知數據包數量的期望； ，j'）為該RN向上一跳RN發送ACK數據包數量的期望；NwKN，DATA(i'，j'）為該 RN接收上一跳RN的感知數據包數量的期望；N"e，KN，M(i'，j'）為該RN接收下一跳RN或BS 的ACK數據包數量的期望； 所述的步驟五中，一個信息收集周期內，通過位于（i，j)的SN向下一跳SN成功傳遞所 有的數據的概率SSN(i，j)為：
其中，ASN是SN之間傳遞感知數據的重傳概率，BSN是SN之間傳遞ACK信息的重傳概率； \SN(i，j)是不考慮重傳時一個信息收集周期內第（i，j)個SN向下一跳SN發送的感知數 據包個數；整個網絡中SN之間成功傳輸數據的概率SSN為：
通過SN向位于（i'，j'）的RN成功傳輸所有數據的概率SSK(i'，j'）為：
其中，ASK是SN向RN傳遞感知數據的重傳概率，BSK是SN向RN傳遞ACK信息的重傳概 率；NSN(i'，j'）是不考慮重傳時一個信息收集周期內SN向第（i'，j'）個RN發送的感知 數據包個數； 通過位于（i'，j'）的RN向下一跳RN或BS成功傳遞所有數據的概率為SKN(i'，j'）：
其中，AKN是RN之間傳遞感知數據的重傳概率，BKN是RN之間傳遞ACK信息的重傳概率； 隊,_(1'，j'）為不考慮重傳時一個信息收集周期內第（i'，j'）個RN向下一跳RN或BS發送 的數據包個數； 將所有數據傳輸的成功率連乘，得到整個網絡在一個信息收集周期內的成功傳輸數據 的概率S:
所述的步驟六中，均勻部署條件下分簇式無線傳感器網絡的壽命優化模型為：
其中，為每個RN攜帶的初始能量，EasN為每個SN攜帶的初始能量；S#是規定的整 網數據傳遞成功率；&是SN和RN的感知半徑；RRt，KN分別是SN和RN信息傳輸半徑。
2. 根據權利要求1所述的分簇式無線傳感器網絡壽命優化方法，其特征在于，所述的 步驟二具體是： 傳感器節點SN和RN的能耗分為三種：發送信息消耗的能量Et，接收信息消耗的能量民 和空閑狀態消耗的能量Eid，如下：
其中，02, 03和0 4都是系統固有參數，D是傳輸距離；Kt是發送數據包的長度， 是接收數據包的長度，tid是空閑時間；其中，空閑時間
其中tt和％ 分別是數據發送和接收所消耗的時間； 將三種能耗相加得到傳感器節點在一個信息收集周期內的總消耗能量
3. 根據權利要求1所述的分簇式無線傳感器網絡壽命優化方法，其特征在于，步驟三 中所述的單個MICA2型SN的重傳概率模型RRSN(DSN)為：
其中，m和1分別是感知數據包和報文頭的長度，DSN是相鄰SN間的距離，P^是SN的 發送功率，&^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。
4.根據權利要求1所述的分簇式無線傳感器網絡壽命優化方法，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之間發送的數據類型有兩種，分別是自身所感知的數據與外層SN向其發 送的數據；不考慮重傳時，一個信息收集周期內位于第（i'，j'）個RN簇內的第（i，j)個SN 發送的感知數據包個數\SN(i，j)分為如下幾種情況：
步驟4. 2,假設每個感知數據的傳遞是獨立的，考慮重傳時，當最大重傳次數為2時，每 個感知數據最多被傳遞3次；在每次感知數據傳遞中都有三種情形：（1)感知數據和ACK信 息都被成功傳遞；(2)感知數據被成功傳遞，而ACK信息沒有被發送端接收到；（3)接收端 不能接收到感知數據，發送端也沒有接收到ACK信息；在情景（2)和（3)中認為感知數據發 送失敗，發送端重傳感知數據直到達到最大重傳次數； 在一跳中對一個感知數據包傳輸時，感知數據包和ACK數據包分別傳送x次的概率表 示為wdata，x⑶和《AGK，X(D)，其傳遞次數的期望分別為wdata(D)和《AGK(D)，X= 1，2, 3;
A和B分別是傳感器感知數據和ACK信息的重傳概率； 考慮重傳時，一個信息收集周期內位于（i，j)的SN，向下一跳SN發送感知數據包數量 的期望為Nt，M，DATA(i，j)，向上一跳SN發送ACK數據包數量的期望為Nt，M，A。K(i，j)，接收來自 上一跳SN的感知數據包數量的期望為N"e，DATA(i，j)，接收來自下一跳SN的ACK數據包數 量的期望為j)，表示如下：
考慮重傳時，一個信息收集周期內位于的RN接收來自SN的感知數據包數量 的期望為Nt，M，SN，DATA(i'，j'），向SN發送ACK數據包數量的期望為Nt，M，SN，ACK(i'，j'），表示如 下：
考慮重傳時，一個信息收集周期內位于（i'，j'）的RN向下一跳RN或BS發送感 知數據包數量的期望為j'），向上一跳RN發送ACK數據包數量的期望為 (i'，j'），接收上一跳RN的感知數據包數量的期望為NwKN，DATA(i'，j'），接收下一 跳RN或BS的ACK數據包數量的期望為NwKN，AC：K(i'，j'），表示如下：
步驟4. 3,將步驟4. 2中的SN與SN之間發送信息數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，一個信息收集周期內第（i，j)個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之間發送信息數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，一個信息收集周期內第個RN的能
【文檔編號】H04W52/02GK104486774SQ201410811182
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月23日 優先權日:2014年12月23日
【發明者】張楠, 李瑞瑩, 劉小西, 黃寧 申請人:北京航空航天大學