分段網(wǎng)絡(luò)中具有生存時間保證的中繼節(jié)點放置策略方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是分段網(wǎng)絡(luò)中具有生 存時間保證的中繼節(jié)點放置策略方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大部分工作于比較惡劣的環(huán)境中，所以我們預(yù)先放置的傳感 器節(jié)點可能遇到很多不可預(yù)測的損壞；另一方面，因為傳感器節(jié)點一般是隨機放置的，所以 可能會出現(xiàn)一些范圍內(nèi)沒有傳感器節(jié)點的狀況。上述的兩種狀況，都會使得網(wǎng)絡(luò)是分段的， 相同網(wǎng)段中的傳感器節(jié)點是互相連通的，但是不同網(wǎng)段之間的傳感器節(jié)點之間不能直接通 信。這樣的話，也就只有sink節(jié)點所處的網(wǎng)段中的傳感器節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)?s ink節(jié)點，而其他網(wǎng)段中的傳感器節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)就不能夠傳輸?shù)絪 ink節(jié)點。
[0003] 為了解決上述的問題，我們就需要放置一些節(jié)點把這些不同網(wǎng)段都連接起來。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中公開了 Errol L. Lloyd 和 Guoliang Xue 的文獻(xiàn) "Relay Node Placement in Wireless Sensor Networks，'（Computers, IEEE Transactions on,vol. 56, no. I, pp. 134 - 138, 2007.)，它使用了 MST (minimum spanning tree)的方法來連接不同的 網(wǎng)段，但是這種方法得到的結(jié)果是：部分網(wǎng)段中的傳感器節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)會先依次轉(zhuǎn)發(fā) 到其他的若干個網(wǎng)段，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給sink節(jié)點，并且這篇文章中也沒有考慮網(wǎng)絡(luò)的生存時 間要求，這樣的話在使得網(wǎng)絡(luò)的生存時間得到保證的前提下，就需要在相同的位置多次放 置中繼節(jié)點，并且在每個固定位置每次放置的中繼節(jié)點的數(shù)目都是一個。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中公開了 Fatih Senel, Mohamed F. Younis 和 Kemal Akkaya 的 文獻(xiàn)"Bio-Inspired Relay Node Placement Heuristics for Repairing Damaged Wireless Sensor Networks^ (IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 60, NO. 4, MAY2011)，它參考把網(wǎng)絡(luò)連接為近似蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)（I-頂點連 接和2-頂點連接)，并且還提出了分布式和集中式的算法。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)中公開了 Sookyoung Lee 和 Mohamed Younis 的文獻(xiàn)"Optimized Relay Placement to Federate Segments in Wireless Sensor Networks，' （IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 28, NO. 5, JUNE2010),它把整個區(qū)域劃分為網(wǎng)格 的結(jié)構(gòu)，并且網(wǎng)格的邊長為節(jié)點最大傳輸距離的0. 707倍，這樣的話每個網(wǎng)格中央的節(jié)點 可以與自己周圍的8個網(wǎng)格中的節(jié)點進(jìn)行通信。這樣的話就把網(wǎng)絡(luò)的連接問題轉(zhuǎn)化為了： 通過選擇最小的網(wǎng)格，使得網(wǎng)絡(luò)是連接的。最后因為若節(jié)點與自己左、右、上、下的四個節(jié)點 進(jìn)行通信的話，則這時節(jié)點之間的距離就是節(jié)點最大傳輸距離的〇. 707倍，為了進(jìn)一步減 小所需要的中繼節(jié)點的數(shù)目，文章中又對以前的方法進(jìn)行了改進(jìn)。通過延長相鄰節(jié)點之間 距離的方式，來進(jìn)一步減小中繼節(jié)點的數(shù)目。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)中公開了 Sookyoung Lee和Mohamed F. Younis 的文獻(xiàn)"EQAR:Effective QoS-Aware Relay Node Placement Algorithm for Connecting Disjoint Wireless Sensor Sub-networks"（IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS, VOL. 60,NO. 12,DECEMBER2011 )，這篇文章在上一篇文章的基礎(chǔ)上又考慮了網(wǎng)絡(luò)的Qos要求(放置的中繼節(jié)點的最大轉(zhuǎn)發(fā) 量是受限的）。
[0008] 但是在已有的連接網(wǎng)段的技術(shù)中，還沒有考慮過網(wǎng)絡(luò)的生存時間要求，這樣的話 如果我們需要連續(xù)地檢測一個固定的區(qū)域，并使得持續(xù)的時間大于或者等于一個門限值的 話，我們就可能要多次執(zhí)行已有的算法。這樣不但會增加所需要的中繼節(jié)點的數(shù)目，而且還 會增加工作量，進(jìn)而大幅度地增加網(wǎng)絡(luò)部署的成本。
[0009] 綜上所述，目前大部分的已有網(wǎng)絡(luò)連接算法并不能很好地直接地應(yīng)用到有生存時 間要求的WSN中去，原因是它們所需要的節(jié)點的數(shù)目都是非常多的，并且需要重復(fù)多次部 署節(jié)點。并且由于所有放置的節(jié)點都使用最大的傳輸功率傳輸數(shù)據(jù)和無線傳輸環(huán)境的超線 性衰落特性，可能使得網(wǎng)絡(luò)的能量的能量效率是非常低的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明針對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接算法應(yīng)用到具有生存時間要求的WSN中存在的上述不 足，充分考慮了網(wǎng)絡(luò)所處的無線環(huán)境的通信特征，存在瑞利衰落和加性復(fù)高斯白噪聲的前 提下，使得在生存時間要求內(nèi)不同的網(wǎng)段與sink節(jié)點一直是連接的，并盡量降低所需要的 中繼節(jié)點的數(shù)目。本發(fā)明能夠使無線傳感器中的不同網(wǎng)段在規(guī)定的時間內(nèi)與sink節(jié)點一 直是連通的，在優(yōu)化節(jié)點的傳輸功率和節(jié)點的放置位置后，可以實現(xiàn)更高的能量效率，放置 更少的節(jié)點數(shù)目。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明提供的分段網(wǎng)絡(luò)中具有生存時間保證的中繼節(jié)點放置策略方法，包括 如下步驟：
[0012] 步驟1 :確定最佳的發(fā)射功率；
[0013] 步驟2 :確定最佳的一跳傳輸距離；
[0014] 步驟3 :根據(jù)最佳的一跳傳輸距離確定中繼節(jié)點放置方案；
[0015] 步驟4 :對傳輸路徑進(jìn)行調(diào)整；
[0016] 步驟5 :對節(jié)點的初始能量進(jìn)行調(diào)整。
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟1具體包括如下子步驟：
[0018] 步驟1. 1 :假設(shè)傳輸距離固定，無線環(huán)境是瑞麗衰落的，環(huán)境中存在加性高斯白噪 聲，根據(jù)不同的傳輸功率求出對應(yīng)的重傳概率；
[0019] 步驟1. 2 :根據(jù)傳輸功率和重傳概率，求出當(dāng)單位比特信息成功傳輸時所需要的 總能量的期望；
[0020] 步驟1. 3 :求出最佳的傳輸功率，使得所需要的總能量的期望值最小化。
[0021] 優(yōu)選地，所述步驟2具體包括如下步驟：
[0022] 步驟2. 1 :根據(jù)不同的傳輸距離，求出最佳的傳輸功率；
[0023] 步驟2. 2 :當(dāng)所需要的總傳輸距離固定時，證明為使得所需要的總能量最小化，我 們需要使得每一跳的傳輸距離都相等；
[0024] 步驟2.3 :根據(jù)不同的一跳傳輸距離，計算出在多跳傳輸時所需要的總能量的期 望值；
[0025] 步驟2. 4 :計算出使得所需要的總能量的期望值最小化的一跳傳輸距離。
[0026] 優(yōu)選地，所述步驟3具體包括如下子步驟：
[0027] 步驟3. I :需要分別把每個分塊網(wǎng)絡(luò)與sink節(jié)點連接起來，在連接的時候采用逐 步接近sink節(jié)點的策略；
[0028] 步驟3.2 :首先計算出當(dāng)傳輸距離為最佳的一跳傳輸距離的時候，所需要的中繼 節(jié)點個數(shù)，若所需要的最佳的中繼節(jié)點個數(shù)不是整數(shù)，則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中這一跳的能量消耗對 中繼節(jié)點個數(shù)進(jìn)行調(diào)整；
[0029] 步驟3. 3 :然后計算出下一跳所消耗的總能量的期望值以及所需要的中繼節(jié)點個 數(shù)。
[0030] 優(yōu)選地，所述步驟4具體包括如下子步驟：
[0031] 步驟4. 1 :當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一個分塊中所含有的傳感器節(jié)點數(shù)目少于設(shè)定的閾值時， 可能使得構(gòu)建的傳輸鏈路上每一跳只需要一個中繼節(jié)點并且每一跳的傳輸距離都比較的 大，此時我們可以嘗試調(diào)整，構(gòu)建一條從此網(wǎng)絡(luò)分段到其他鏈路之間的通信鏈路；
[0032] 步驟4.2 :分別計算出步驟4. 1調(diào)整前和調(diào)整后所需要的中繼節(jié)點數(shù)目，采用中繼 節(jié)點數(shù)目比較少的方案。
[0033] 優(yōu)選地，所述步驟5具體包括如下子步驟：
[0034] 步驟5. 1 :由于在以前的分析中所計算出的每一跳所需要的能量值均為這一跳所 需要能量的期望值，并且每一跳所需要的總能量近似服從高斯分布，這就使得網(wǎng)絡(luò)中每一 跳的生存時間小于所要求的生存時間的概率為1/2 ;這樣一來就使得網(wǎng)絡(luò)的實際生存時間 大于或者等于所要求的生存時間的概率趨近于〇 ;
[0035] 步驟5. 2 :為了改變這種狀況，調(diào)整步驟1至4中所涉及的中繼節(jié)點的初始能量。
[0036] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0037] 本發(fā)明涉