基于能量和傳輸的無線傳感器網絡可靠性計算方法與流程

本發明涉及無線傳感器網絡
技術領域：
，特別是涉及基于能量和傳輸的無線傳感器網絡可靠性計算方法。
背景技術：
：無線傳感器網絡(wsn)是由大量的節點相互協作構成的用于監測目標區域的無線通信網絡，主要任務是感知事件，生成數據包，通過單跳或多跳的無線通信將數據包發送到基站，最終由用戶分析所監測區域的情況。目前，wsn應用范圍較為廣泛，是工業、醫學、軍事等領域獲取信息的重要途徑之一。wsn的節點通常被密集地隨機拋灑在環境較為惡劣的目標區域內，其采用的休眠機制和允許部分節點失效的容錯性均使得網絡結構動態變化，因此這些節點通過自組織方式形成網絡對區域進行覆蓋監測。密集的節點可重復覆蓋區域以保證采集信息的準確性，增強網絡系統的容錯性。為提高網絡的工作能力，可先對其進行可靠性評估。由于網絡部署時通常選用體積較小，成本較低的節點，其電池容量較小，使得節點具有有限的能量，而在節點工作的過程中，能量是其正常工作的保障，因此學者們已針對網絡能量利用情況進行了大量的研究。一是對網絡拓撲結構進行優化，例如采用最常用的以分簇結構工作的網絡拓撲模型，使得wsn網絡整體消耗能量減少，從而提高系統的可靠性。分簇是將網絡中所有節點按照一定的規則分組，每組節點相互協作，作為一個小的網絡子系統收集所在區域內的信息并將其發送到簇頭節點。通常網絡的分簇是按照節點所在地理位置，相近的節點構成一簇。最早提出的比較成熟的算法是leach算法，在文獻energy-efficientcommunicationprotoccolforwirelessmicrosensornetworks中，作者對該算法進行了說明。在建簇階段，隨機產生簇頭，相鄰節點動態成簇；在數據通信階段，簇成員節點發送數據到各自簇頭，簇頭節點再進行數據融合，并把融合后數據發送到匯聚節點。由于簇頭節點要接收成員節點的數據進行數據融合并與遠處的匯聚節點通信，能耗很大，所以leach協議規定每輪的簇頭節點都要進行輪換以均衡節點能量。后來，學者又提出了一系列網絡分簇方法，例如pegasis算法、heed算法等，但這些算法中出現了簇首節點與sink節點的單跳傳輸導致能耗過多且不均和通信開銷較大的問題。學者們在這些算法的思想上提出一系列基于虛擬網格的分簇算法用于均衡網絡能耗，進而降低通信開銷。在wsn中基于虛擬網格的分簇路由算法的文獻中，作者提出先將目標監測區域劃分為網格狀，基站根據網格邊長進行計算，確保有足夠的網格數完全覆蓋整個區域。而在文獻基于基站劃分網格的無線傳感器網絡分簇算法中，作者提出利用基站發射的信號將區域直接劃分成網格狀，每個網格中的節點自成一簇，簇間采取多跳的傳輸方式。經仿真驗證這些分簇方法使得網絡能耗均比leach、pegasis等算法有所減少。另一種方法是對節點工作方式進行規劃，例如采用一種節點活躍-休眠交替工作的模式，可有效降低工作過程的能耗。在文獻energycontrolindependablewirelesssensornetworks:amodelingperspective中，作者針對網絡冗余節點工作模式交替進行的狀態分析其能耗問題，并針對網絡內部拓撲結構獲得wsn工作能力。但作為一個通信網絡，網絡中節點間的傳輸能力也是影響其工作能力的一大重要因素。目前，關于提高wsn傳輸可靠性的技術較多，但對其進行精確的評估較少，并且沒有統一的定義。在文獻esrt:event-to-sinkreliabletransportinwirelesssensornetworks中，作者以傳輸到sink節點的數據數目為指標評估wsn可靠性。而在文獻apracticalapproachfornetworkapplicationreliabilityassessment中作者以感知節點將數據成功發送到sink節點的概率作為評估網絡可靠性的指標。這些文獻中結合網絡部件的選擇、關鍵技術、應用模型等方面建立了一種可靠性評估方法。但是，這些可靠性定義均有一定的限制，并不適用常見的網絡應用，文獻中部件與各類應用的實際關系也未給出明確的解釋，且并不適合大規模的網絡可靠性仿真應用。wsn作為一個復雜系統，在實際應用中的工作模式多樣，拓撲結構多變，提高其工作能力的方法也較為多樣，因此精確評估一個網絡系統的可靠性無論在理論還是計算上均存在一定的難度，這也為網絡的可靠性分析和評估帶來了巨大挑戰。技術實現要素：本發明實施例提供了基于能量和傳輸的無線傳感器網絡可靠性計算方法，可以解決現有技術中存在的問題。一種基于能量和傳輸的無線傳感器網絡可靠性計算方法，包括以下步驟：(1)在m×m的平面目標區域內隨機均勻地拋灑n個節點，基站在相互垂直的兩個方向上發射的具有等差性質的信號，將網絡劃分為n個虛擬網格；(2)區域內節點根據接收到的基站信號判斷屬于哪些功率等級的網格中，并將自身的id及能量信息進行廣播，同時接收并比較其余節點發送的信息，判斷自身所在的簇及簇內其余成員；(3)各簇確定完成后，節點對接收的信息進行比較，選擇簇內剩余能量最大的節點為當前簇的簇頭節點，簇頭節點確定后對簇內節點進行一次身份廣播；(4)根據簇內節點工作狀態評估其能力，具體包括：(4a)簇內節點進行數據感知，并將感知數據發送到簇頭節點，感知和發送數據的數目相同，結合能耗模型可計算出簇內節點感知數據和發送數據的能耗；(4b)在節點工作各環節的能耗獲取后，計算某一時刻的剩余能量，分析其大于節點感知和發送一個數據的所需能量的概率，即為節點的瞬時可靠性；(5)簇頭節點的瞬時可靠性分析計算，具體包括：(5a)簇頭節點接收簇內所有節點發送的數據，根據簇內節點發送的數據計算出簇頭節點接收到的數據；(5b)簇頭節點進行數據融合，將p個數據融合處理為一個數據，計算處理后的數據個數即為簇頭所發送的數據個數，利用能耗模型即可計算得到消耗能量；(6)針對簇內星狀拓撲結構，根據應用要求每個簇內需要至少k個節點將數據成功傳輸到簇頭，結合節點工作概率以及傳輸概率計算簇內傳輸可靠性；(7)簇間路由采用高可靠性路由方式，利用分解算法采用遞歸方法推導出整個網絡可靠性。本發明實施例中的基于能量和傳輸的無線傳感器網絡可靠性計算方法具有以下優點：本發明中網絡采用的基于網格分簇方法和簇間采用的高可靠性路由方式，使得網絡可均衡能耗，增強其容錯性，延長工作時間；本發明中針對壽命已延長的網絡模型，精確地評估了在某些實際應用要求下的網絡可靠性；本發明對網絡工作進行了劃分，針對每部分的工作內容結合能耗以及傳輸概率，定義了各部分工作的可靠性；本發明通過概率分布并結合網絡分解算法推導出計算可靠性的方法，對于大型無線傳感器網絡的可靠性計算同樣適用。因此，本發明在分析計算網絡工作能力的過程中，充分考慮了對其影響較大的兩個因素：能耗和傳輸；采用有效的分簇及路由方式延長網絡的壽命；計算過程簡便，結果精確度較高，對于需要準確評估網絡能力的應用具有很大的參考價值。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例中提供的方法的步驟流程圖；圖2為無線傳感器網絡的分簇工作模式圖；圖3為簇頭節點的id展示圖；圖4為簇間數據傳輸方式圖；圖5為簇內節點可靠性隨時間變化圖；圖6是不同的傳輸概率下簇內節點完成應用要求的可靠性圖；圖7為取不同簇內節點數時的簇頭可靠性圖；圖8為簇間傳輸概率不同時網絡整體的可靠性圖。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。參照圖1，本發明針對圖2所示的網絡工作模式結合能耗和傳輸給出計算網絡瞬時可靠性的方法，具體步驟如下：步驟100：在m×m的平面目標區域內隨機均勻地拋灑n個節點，基站在相互垂直的兩個方向上發射的具有等差性質的信號，將網絡劃分為n個虛擬網格；步驟200：區域內節點根據接收到的基站信號判斷屬于哪些功率等級的網格中，并將自身的id及能量信息進行廣播，同時接收并比較其余節點發送的信息，判斷自身所在的簇及簇內其余成員；步驟300：各簇確定完成后，節點對接收的信息進行比較，選擇簇內剩余能量最大的節點為當前簇的簇頭節點，如圖3所示，簇頭節點確定后對簇內節點進行一次身份廣播；步驟400：根據簇內節點工作狀態評估其能力；(4a)簇內節點進行數據感知，并將感知數據發送到簇頭節點。假設節點i在t時刻感知到的數據個數服從參數為λ的泊松分布，由于簇內節點只進行感知傳輸任務，因此其感知和傳輸數據的個數相同，即則簇內節點感知數據和發送數據的能耗分別為：其中，es(l)為感知到一個長度為lbit的數據所需能量，et(d,l)為節點傳輸一個長度為lbit的數據所耗能量；(4b)在節點工作各環節的能耗獲取后，計算其在某一時刻的剩余能量，分析剩余能量大于節點感知和發送一個數據所需能量的概率，即為節點i在t時刻的瞬時可靠性：整理后有其中，e0為節點的初始能量；步驟500：簇頭節點j的瞬時可靠性分析計算；(5a)每個簇中有m個節點，根據應用要求至少需要簇內的k個節點正常工作且將數據成功傳輸到簇頭，該簇才被認為符合要求，即簇內結構可視為k-out-of-m結構。由于簇內節點采用星狀拓撲結構工作，因此簇頭節點j將接收到數據的節點個數為故而簇頭節點j接收數據所耗能量為：其中，er(l)表示接收一個長度為lbit的數據需要的能量；(5b)簇頭節點將接收到的數據進行融合，將p個數據融合處理為一個數據，計算處理后的數據個數即為簇頭所發送的數據個數，其所耗能量為：其中，eda表示融合p個數據需要的能量；(5c)根據剩余能量得出簇頭節點j的可靠性：整理后有其中，f＝(es(l)+leda)+λet(d,l)+fer(l)+feda步驟600：應用要求每個簇內至少需要k個節點將數據成功傳輸到簇頭，在節點i能量充足并且傳輸過程成功的情況下，節點收集的數據才能到達簇頭節點，故簇頭j滿足應用要求而正常工作的能力可表示為：其中pij為節點i成功將數據傳輸到簇頭j的概率；步驟700：簇間路由采用如圖4所示的高可靠性路由方式，利用分解算法采用遞歸方法推導出整個網絡可靠性：r(g)＝r(g*e)pe+r(g-e)(1-pe)其中pe為簇頭間數據成功傳輸的概率，當收縮邊e使得某一簇頭節點與sink節點重合時，r(g*e)＝1，當刪除邊e使得所有簇頭均與sink節點不連通，此時r(g-e)＝1。通過對網絡工作的各部分進行分析，最終可獲得網絡整體精確的可靠性。本發明的分析計算可通過以下仿真計算進一步說明：仿真條件在一個m×m的正方形平面區域內隨機均勻地部署n個初始能量相同的節點，每個節點具有屬于自己唯一的id。監測區域外部署一個能量充足，計算能力強大的基站。所有節點一經部署將不再移動。數據傳輸時采用tdma規則,即時分多址協議。其他仿真參數如表1所示：表1參數設置參數值參數值區域邊長a(m)100m基站位置(50，150)節點初始能量e0(j)0.5數據包長度l(bit)4000eelec(nj/bit)50εfs(pj/bit/m2)10γ(nj/bit)50eda(nj/bit/signal)5簇內工作節點的最小數目k5泊松分布參數λ1分簇個數n4仿真內容結合上述參數及仿真條件，在網絡分為4個簇，每個簇內節點數均為10的條件下，基于節點能耗模型，利用本發明所述的計算方法，計算各簇內節點的可靠性，再結合不同的節點數據傳輸概率，計算各簇在滿足應用要求時的工作能力，分析不同的傳輸概率對其影響，通過簇內數據傳輸的個數，對比計算不同簇內節點數時簇頭節點的可靠性，最后根據簇間路由方式，計算網絡整體的可靠性，結果如圖5-8所示。在圖5中，當節點工作300輪后其可靠性將迅速下降，這是因為在節點工作的初期，其剩余能量充足，完全可滿足節點感知與發送數據所需能量，因此其正常工作的能力較強，但當工作一段時間后，節點消耗的能量增多，剩余能量滿足其繼續工作的能力將逐漸減弱。考慮到節點到簇頭的數據傳輸能力，圖6給出了簇內節點將數據傳輸到簇頭的能力隨時間的變化。在簇內節點數不變的情況下，節點到簇頭的傳輸概率越大，整個簇的工作能力越好。簇頭不同于普通節點的是其需要融合處理數據，因此將會消耗跟多的能量，從圖7可知，簇頭的高可靠性保持時間較短，這正是因為能耗的過度消耗。由于應用要求的限制，當簇內節點數越少時，造成簇頭接收所需數據的可靠性較低，但隨著簇內節點數增多，簇頭節點接收數據所耗能量越多，導致其剩余能量減少從而降低其可靠性，因此，簇內節點數選擇應較為恰當，避免過多或過少。簇頭節點間進行數據傳輸時將受到外界環境的干擾，如圖8所示，在簇內節點數為10時，考慮不同的簇間傳輸概率下的網絡可靠性。相比圖7中m＝10時簇頭節點的可靠性，外界環境對數據的傳輸影響相對于其節點的能量影響較小。而在相同的簇頭可靠性下，簇間傳輸概率越大，網絡整體的可靠性越高。符號說明：a：目標區域的邊長e0：節點的初始能量l：每個數據包的大小pij：網絡中節點i所感知的數據成功傳輸到節點j的概率n：網絡分簇個數k：簇內所需的最少成功傳輸數據節點個數m：每個簇內的節點數r(g)：無線傳感器網絡可靠性wsn:無線傳感器網絡leach:low-energyadaptiveclusteringhierarchy低功耗自適應集簇分層協議pegasis:power-efficientgatheringinsensorinformationsystems傳感信息系統高效節能集簇協議tdma:timedivisionmultipleaccess時分多址本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可提供為方法、系統、或計算機程序產品。因此，本發明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的計算機程序產品的形式。本發明是參照根據本發明實施例的方法、設備(系統)、和計算機程序產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。盡管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明范圍的所有變更和修改。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。當前第1頁12