一种考虑重传的分簇式无线传感器网络寿命优化方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑重传的分簇式无线传感器网络寿命优化方法，包括如下步骤：根据模型初步部署分簇式无线传感器网络；建立无线传感器节点的能耗模型；建立分簇式无线传感器网络的重传模型；建立考虑重传的分簇式无线传感器网络的能耗模型；建立考虑重传的分簇式无线传感器网络的传输成功率计算模型；建立均匀部署条件下分簇式无线传感器网络的寿命优化模型及求解。本发明专利技术以考虑能耗的网络寿命最大化为目标，网络连通性、覆盖性和数据传输成功概率为约束条件，建立考虑重传的分簇式无线传感器网络的寿命优化模型，采用遗传算法，实现对无线传感器间距离、无线传感器部署层数的优化，减少了能耗过多、覆盖率不足、数据传输成功率不高等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑重传的分簇式无线传感器网络寿命优化方法
本专利技术涉及一种考虑重传的分簇式无线传感器网络寿命优化方法，属于网络通信
里的无线传感器

技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetworks)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一种多跳的自组织网络系统。无线传感器网络是传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术共同发展的成果，广泛应用于军事侦察、工业控制、物流、智能建筑等领域。随着无线传感器网络的深入研究和广泛使用，无线传感器网络将会深入到人类生活的各个领域。无线传感器网络的节点能量有限，节点随着能量耗尽而死亡。随着死亡节点数目增加，网络的功能逐渐丧失，寿命最终终结，所以提高网络寿命成为了无线传感器网络研究的难点和热点。分簇式无线传感器网络的寿命优化研究对传输频繁的交通公路监测网，生物圈监控网络等网络部署具有重大指导意义。分簇式无线传感器网络，通常包括无线传感器节点(SensorNode,SN)、中继节点(RelayNode,RN)和基站(BaseStation,BS)。RN作为簇头，各自管辖一定区域范围内的SN。每个SN感知到周围信息后，按照一定的路由策略将信息经由簇内其他SN逐跳或直接传至其簇头RN，RN再将其接收到的来自SN的信息及其自身感知的周围信息，也按照一定的路由策略经由其他RN逐跳传给BS。相对于SN，RN可以携带更多的能量，因此分簇式无线传感器网络的寿命要高于平面无线传感器网络(网络中仅包含SN和BS)。一般为了部署方便，传感器节点常被均匀部署。无线传感器网络中传感器节点部署环境恶劣，重传机制对于提高网络的数据传递成功率意义重大，已经广泛运用于无线传感器网络中。显然重传会增加传感器节点能量消耗，从而缩短无线传感器网络寿命。然而，现有的分簇式无线传感器网络的寿命优化模型普遍忽略了网络信息重传的影响，因此本专利技术考虑重传，对均匀部署的分簇式传感器网络寿命优化方法进行研究，具有重要实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决分簇式无线传感器网络寿命优化中没有考虑数据重传造成的能量消耗的问题，通过考虑重传机制，对均匀部署的分簇式无线传感器网络寿命模型的推导和优化求解，提出一种新的分簇式无线传感器网络的寿命优化方法。一种均匀部署条件下考虑重传的分簇式无线传感器网络的寿命优化方法，包括如下步骤：步骤一：根据模型初步部署分簇式无线传感器网络；步骤二：建立无线传感器节点的能耗模型；步骤三：建立分簇式无线传感器网络的重传模型；步骤四：建立考虑重传的分簇式无线传感器网络的能耗模型；步骤五：建立考虑重传的分簇式无线传感器网络的传输成功率计算模型；步骤六：建立均匀部署条件下分簇式无线传感器网络的寿命优化模型，通过求解该模型得到相邻SN间的最佳部署距离，以及SN和RN部署的最佳层数。所述的步骤一具体是：根据蜂窝状六边形结构部署一个分簇式无线传感器网络，该网络对半径为Ra的圆形区域实现信息监测；基站BS部署于圆形区域中心，围绕BS以六边形结构部署了L'层中继节点RN，围绕RN以六边形结构部署L层无线传感器节点SN；SN负责收集周围信息并向距离簇头RN较近的SN汇报，最后由距离RN最近的一层SN将信息汇报给RN，位于簇边缘的SN以等概率向其距离最近的RN汇报；同样，RN将收集到的信息，包括自身收集的信息和SN向其传递的信息，汇报给距离基站BS较近的RN，最后由距离BS最近的一层RN将全部信息汇报给BS；令该网络中的相邻SN间的距离为d，则相邻RN间的距离为无线传感器网络中的信息收集周期为t，每个SN和RN在一个信息收集周期内感知到大小为m的1个数据包，通过GPSR(GreedyPerimeterStatelessRouting，贪婪法周边无状态路由)实现传递信息，信息传输过程中要求逐层传递，节点处也无信息融合；当各节点接收到的信息不正确或信息接收超时，前一节点将信息重传，直到达到设定的最大重传次数。所述的步骤四中，设围绕某个RN部署的第i层的第j个SN记为第(i,j)个SN，考虑重传时，一个信息收集周期内该SN的能耗模型E(i,j)为：其中，β1_SN、β2_SN、β3_SN和β4_SN为节点SN的系统固有参数；α是路径损失指数，2≤α≤4；mACK表示ACK信息(即确认信息)的比特数；Nt,re,DATA(i,j)表示该SN向下一跳SN发送感知数据包数量的期望，Nt,re,ACK(i,j)表示该SN向上一跳SN发送ACK数据包数量的期望，Nr,re,DATA(i,j)表示该SN接收上一跳SN的感知数据包数量的期望，Nr,re,ACK(i,j)表示该SN接收下一跳SN的ACK数据包数量的期望，Pd是传感器对感知数据包的处理率。设围绕BS部署的第i'层上的第j'个RN记为第(i',j')个RN，考虑重传时，该RN的能耗模型E(i',j')为：其中，β1_RN、β2_RN、β3_RN和β4_RN为节点RN的系统固有参数；Nt,re,SN,DATA(i',j')为该RN接收到发自SN的感知数据包数量的期望；Nt,re,SN,ACK(i',j')为该RN向SN发送ACK数据包数量的期望；Nt,re,RN,DATA(i',j')为该RN向下一跳RN或BS发送感知数据包数量的期望；Nt,re,RN,ACK(i',j')为该RN向上一跳RN发送ACK数据包数量的期望；Nr,re,RN,DATA(i',j')为该RN接收上一跳RN的感知数据包数量的期望；Nr,re,RN,ACK(i',j')为该RN接收下一跳RN或BS的ACK数据包数量的期望。所述的步骤五中，一个信息收集周期内，通过位于(i,j)的SN向下一跳SN成功传递所有的数据的概率SSN(i,j)为：其中，ASN是SN之间传递感知数据的重传概率，BSN是SN之间传递ACK信息的重传概率；Nt,SN(i,j)是不考虑重传时一个信息收集周期内第(i,j)个SN向下一跳SN发送的感知数据包个数；整个网络中SN之间成功传输数据的概率SSN为：通过SN向位于(i',j')的RN成功传输所有数据的概率SSR(i’,j’)为：其中，ASR是SN向RN传递感知数据的重传概率，BSR是SN向RN传递ACK信息的重传概率；NSN(i’,j’)是不考虑重传时一个信息收集周期内SN向第(i’,j’)个RN发送的感知数据包个数；通过位于(i',j')的RN向下一跳RN或BS成功传递所有数据的概率为SRN(i’,j’)：其中，ARN是RN之间传递感知数据的重传概率，BRN是RN之间传递ACK信息的重传概率；Nt,RN(i',j')为不考虑重传时一个信息收集周期内第(i',j')个RN向下一跳RN或BS发送的数据包个数；将所有数据传输的成功率连乘，得到整个网络在一个信息收集周期内的成功传输数据的概率S：所述的步骤六中，均匀部署条件下分簇式无线传感器网络的寿命优化模型为：约束条件为：其中，E0,RN为每个RN携带的初始能量，E0,SN为每个SN携带的初始能量；S*是规定的整网数据传递成功率；Rs是SN和RN的感知半径；Rt,SN和Rt,RN分别是SN和RN信息传输半径。本专利技术的优点与积极效果在于：(1)本专利技术方法是对分簇式无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑重传的分簇式无线传感器网络寿命优化方法，包括如下步骤：步骤一：根据模型初步部署分簇式无线传感器网络；步骤二：建立无线传感器节点的能耗模型，得到总消耗能量E；步骤三：建立分簇式无线传感器网络的重传模型，得到单个SN的重传概率模型RRSN(DSN)和RN的重传概率模型RRRN(DRN)，DSN是SN间信息传输距离，DRN是RN间信息传输距离；步骤四：建立考虑重传的分簇式无线传感器网络的能耗模型；步骤五：建立考虑重传的分簇式无线传感器网络的传输成功率计算模型；步骤六：建立均匀部署条件下分簇式无线传感器网络的寿命优化模型，通过求解该模型得到相邻SN间的最佳部署距离，以及SN和RN部署的最佳层数；其特征在于，所述的步骤一中，根据蜂窝状六边形结构部署一个分簇式无线传感器网络，该网络对半径为Ra的圆形区域实现信息监测；基站BS部署于圆形区域中心，围绕BS以六边形结构部署了L'层中继节点RN，围绕RN以六边形结构部署L层无线传感器节点SN；SN负责收集周围信息并向距离簇头RN较近的SN汇报，最后由距离RN最近的一层SN将信息汇报给RN，位于簇边缘的SN以等概率向其距离最近的RN汇报；同样，RN将收集到的信息，包括自身收集的信息和SN向其传递的信息，汇报给距离基站BS较近的RN，最后由距离BS最近的一层RN将全部信息汇报给BS；令该网络中的相邻SN间的距离为d，则相邻RN间的距离为无线传感器网络中的信息收集周期为t，每个SN和RN在一个信息收集周期内感知到大小为m的1个数据包，通过GPSR路由实现传递信息，信息传输过程中要求逐层传递，节点处也无信息融合；当各节点接收到的信息不正确或信息接收超时，前一节点将信息重传，直到达到设定的最大重传次数；所述的步骤四中，设围绕某个RN部署的第i层的第j个SN记为第(i,j)个SN，考虑重传时，一个信息收集周期内该SN的能耗模型E(i,j)为：E(i,j)＝[(β1_SN+β2_SNdα)‑β4_SN](Nt,re,DATA(i,j)m+Nt,re,ACK(i,j)mACK)+(β3_SN‑β4_SN)[Nr,re,DATA(i,j)m+Nr,re,ACK(i,j)mACK]+β4_SNtPdm其中，β1_SN、β2_SN、β3_SN和β4_SN为节点SN的系统固有参数；α是路径损失指数，2≤α≤4；mACK表示ACK信息的比特数；Nt,re,DATA(i,j)表示该SN向下一跳SN发送感知数据包数量的期望，Nt,re,ACK(i,j)表示该SN向上一跳SN发送ACK数据包数量的期望，Nr,re,DATA(i,j)表示该SN接收上一跳SN的感知数据包数量的期望，Nr,re,ACK(i,j)表示该SN接收下一跳SN的ACK数据包数量的期望，Pd是传感器对感知数据包的处理率；设围绕BS部署的第i'层上的第j'个RN记为第(i',j')个RN，考虑重传时，该RN的能耗模型E(i',j')为：E(i′,j′)=[(β1_RN+β2_RNdα)-β4_RN]Nt,re,SN,ACK(i′,j′)mACK+[(β1_RN+β2_RN(3Ld)α)-β4_RN]Nt,re,RN,DATA(i′,j′)m+[(β1_RN+β2_RN(3Ld)α)-β4_RN]Nt,re,RN,ACK(i′,j′)mACK+(β3_RN-β4_RN)[Nr,re,SN,DATA(i′,j′)+Nr,re,RN,DATA(i′,j′)]m+(β3_RN-β4_RN)Nr,re,RN,ACK(i′,j′)mACK+β4_RNtPdm,]]>其中，β1_RN、β2_RN、β3_RN和β4_RN为节点RN的系统固有参数；Nt,re,SN,DATA(i',j')为该RN接收到发自SN的感知数据包数量的期望；Nt,re,SN,ACK(i',j')为该RN向SN发送ACK数据包数量的期望；Nt,re,RN,DATA(i',j')为该RN向下一跳RN或BS发送感知数据包数量的期望；Nt,re,RN,ACK(i',j')为该RN向上一跳RN发送ACK数据包数量的期望；Nr,re,RN,DATA(i',j')为该RN接收上一跳RN的感知数据包数量的期望；Nr,re,RN,ACK(i',j')为该RN接收下一跳RN或BS的ACK数据包数量的期望；所述的步骤五中，一个信息收集周期内，通过位于(i,j)的SN向下一跳SN成...

【技术特征摘要】
1.一种考虑重传的分簇式无线传感器网络寿命优化方法，包括如下步骤：步骤一：根据模型初步部署分簇式无线传感器网络；步骤二：建立无线传感器节点的能耗模型，得到总消耗能量E；步骤三：建立分簇式无线传感器网络的重传模型，得到单个SN的重传概率模型RRSN(DSN)和RN的重传概率模型RRRN(DRN)，DSN是SN间信息传输距离，DRN是RN间信息传输距离；其中SN为无线传感器节点，RN为中继节点；步骤四：建立考虑重传的分簇式无线传感器网络的能耗模型；步骤五：建立考虑重传的分簇式无线传感器网络的传输成功率计算模型；步骤六：建立均匀部署条件下分簇式无线传感器网络的寿命优化模型，通过求解该模型得到相邻SN间的最佳部署距离，以及SN和RN部署的最佳层数；其特征在于，所述的步骤一中，根据蜂窝状六边形结构部署一个分簇式无线传感器网络，该网络对半径为Ra的圆形区域实现信息监测；基站BS部署于圆形区域中心，围绕BS以六边形结构部署了L'层中继节点RN，围绕RN以六边形结构部署L层无线传感器节点SN；SN负责收集周围信息并向距离簇头RN较近的SN汇报，最后由距离RN最近的一层SN将信息汇报给RN，位于簇边缘的SN以等概率向其距离最近的RN汇报；同样，RN将收集到的信息，包括自身收集的信息和SN向其传递的信息，汇报给距离基站BS较近的RN，最后由距离BS最近的一层RN将全部信息汇报给BS；令该网络中的相邻SN间的距离为d，则相邻RN间的距离为无线传感器网络中的信息收集周期为t，每个SN和RN在一个信息收集周期内感知到大小为m的一个数据包，通过GPSR路由实现传递信息，信息传输过程中要求逐层传递，节点处也无信息融合；当各节点接收到的信息不正确或信息接收超时，前一节点将信息重传，直到达到设定的最大重传次数；所述的步骤四中，设围绕某个RN部署的第i层的第j个SN记为第(i,j)个SN，考虑重传时，一个信息收集周期内该SN的能耗模型E(i,j)为：E(i,j)＝[(β1_SN+β2_SNdα)-β4_SN](Nt,re,DATA(i,j)m+Nt,re,ACK(i,j)mACK)+(β3_SN-β4_SN)[Nr,re,DATA(i,j)m+Nr,re,ACK(i,j)mACK]+β4_SNtPdm其中，β1_SN、β2_SN、β3_SN和β4_SN为节点SN的系统固有参数；α是路径损失指数，2≤α≤4；mACK表示ACK信息的比特数；Nt,re,DATA(i,j)表示该SN向下一跳SN发送感知数据包数量的期望，Nt,re,ACK(i,j)表示该SN向上一跳SN发送ACK数据包数量的期望，Nr,re,DATA(i,j)表示该SN接收上一跳SN的感知数据包数量的期望，Nr,re,ACK(i,j)表示该SN接收下一跳SN的ACK数据包数量的期望，Pd是传感器对感知数据包的处理率；设围绕BS部署的第i'层上的第j'个RN记为第(i',j')个RN，考虑重传时，该RN的能耗模型E(i',j')为：其中，β1_RN、β2_RN、β3_RN和β4_RN为节点RN的系统固有参数；Nt,re,SN,DATA(i',j')为该RN接收到发自SN的感知数据包数量的期望；Nt,re,SN,ACK(i',j')为该RN向SN发送ACK数据包数量的期望；Nt,re,RN,DATA(i',j')为该RN向下一跳RN或BS发送感知数据包数量的期望；Nt,re,RN,ACK(i',j')为该RN向上一跳RN发送ACK数据包数量的期望；Nr,re,RN,DATA(i',j')为该RN接收上一跳RN的感知数据包数量的期望；Nr,re,RN,ACK(i',j')为该RN接收下一跳RN或BS的ACK数据包数量的期望；所述的步骤五中，一个信息收集周期内，通过位于(i,j)的SN向下一跳SN成功传递所有的数据的概率SSN(i,j)为：其中，ASN是SN之间传递感知数据的重传概率，BSN是SN之间传递ACK信息的重传概率；Nt,SN(i,j)是不考虑重传时一个信息收集周期内第(i,j)个SN向下一跳SN发送的感知数据包个数；整个网络中SN之间成功传输数据的概率SSN为：通过SN向位于(i',j')的RN成功传输所有数据的概率SSR(i’,j’)为：其中，ASR是SN向RN传递感知数据的重传概率，BSR是SN向RN传递ACK信息的重传概率；NSN(i’,j’)是不考虑重传时一个信息收集周期内SN向第(i’,j’)个RN发送的感知数据包个数；通过位于(i',j')的RN向下一跳RN或BS成功传递所有数据的概率为SRN(i’,j’)：其中，ARN是RN之间传递感知数据的重传概率，BRN是RN之间传递ACK信息的重传概率；Nt,RN(i',j')为不考虑重传时一个信息收集周期内第(i',j')个RN向下一跳RN或BS发送的数据包个数；将所有数据传输的成功率连乘，得到整个网络在一个信息收集周期内的成功传输数据的概率S：所述的步骤六中，均匀部署条件下分簇式无线传感器网络的寿命优化模型为：约束条件为：其中，E0,RN为每个RN携带的初始能量，E0,SN为每个SN携带的初始能量；S*是规定的整网数据传递成功率；Rs是SN和RN的感知半径；Rt,SN和Rt,RN分别是SN和RN信息传输半径。2.根据权利要求1所述的分簇式无线传感器网络寿命优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张楠，李瑞莹，刘小西，黄宁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11