分段网络中具有生存时间保证的中继节点放置策略方法技术

本发明专利技术提供了一种分段网络中具有生存时间保证的中继节点放置策略方法，包括步骤：确定最佳的发射功率；确定最佳的一跳传输距离；根据最佳的一跳传输距离确定中继节点放置方案；对传输路径进行调整；对节点的初始能量进行调整。本发明专利技术首先计算出最佳的一跳传输距离及与之相对应的最佳的传输功率，使得在整个多跳传输的过程中所消耗的总能量的期望值最小化，可以在满足网络的生存时间要求的前提下，降低所需要的中继节点的数目，从而可以降低网络能耗。

【技术实现步骤摘要】
分段网络中具有生存时间保证的中继节点放置策略方法
本专利技术涉及的是一种无线传感器网络
的方法，具体是分段网络中具有生存时间保证的中继节点放置策略方法。
技术介绍
由于无线传感器网络大部分工作于比较恶劣的环境中，所以我们预先放置的传感器节点可能遇到很多不可预测的损坏；另一方面，因为传感器节点一般是随机放置的，所以可能会出现一些范围内没有传感器节点的状况。上述的两种状况，都会使得网络是分段的，相同网段中的传感器节点是互相连通的，但是不同网段之间的传感器节点之间不能直接通信。这样的话，也就只有sink节点所处的网段中的传感器节点感知到的数据能够传输到sink节点，而其他网段中的传感器节点感知到的数据就不能够传输到sink节点。为了解决上述的问题，我们就需要放置一些节点把这些不同网段都连接起来。现有技术中公开了ErrolL.Lloyd和GuoliangXue的文献“RelayNodePlacementinWirelessSensorNetworks”（Computers,IEEETransactionson,vol.56,no.1,pp.134–138,2007.），它使用了MST（minimumspanningtree）的方法来连接不同的网段，但是这种方法得到的结果是：部分网段中的传感器节点感知到的数据会先依次转发到其他的若干个网段，然后再转发给sink节点，并且这篇文章中也没有考虑网络的生存时间要求，这样的话在使得网络的生存时间得到保证的前提下，就需要在相同的位置多次放置中继节点，并且在每个固定位置每次放置的中继节点的数目都是一个。现有技术中公开了FatihSenel,MohamedF.Younis和KemalAkkaya的文献“Bio-InspiredRelayNodePlacementHeuristicsforRepairingDamagedWirelessSensorNetworks”（IEEETRANSACTIONSONVEHICULARTECHNOLOGY,VOL.60,NO.4,MAY2011），它参考把网络连接为近似蜘蛛网的结构（1-顶点连接和2-顶点连接），并且还提出了分布式和集中式的算法。现有技术中公开了SookyoungLee和MohamedYounis的文献“OptimizedRelayPlacementtoFederateSegmentsinWirelessSensorNetworks”（IEEEJOURNALONSELECTEDAREASINCOMMUNICATIONS,VOL.28,NO.5,JUNE2010）,它把整个区域划分为网格的结构，并且网格的边长为节点最大传输距离的0.707倍，这样的话每个网格中央的节点可以与自己周围的8个网格中的节点进行通信。这样的话就把网络的连接问题转化为了：通过选择最小的网格，使得网络是连接的。最后因为若节点与自己左、右、上、下的四个节点进行通信的话，则这时节点之间的距离就是节点最大传输距离的0.707倍，为了进一步减小所需要的中继节点的数目，文章中又对以前的方法进行了改进。通过延长相邻节点之间距离的方式，来进一步减小中继节点的数目。现有技术中公开了SookyoungLee和MohamedF.Younis的文献“EQAR:EffectiveQoS-AwareRelayNodePlacementAlgorithmforConnectingDisjointWirelessSensorSub-networks”（IEEETRANSACTIONSONCOMPUTERS,VOL.60,NO.12,DECEMBER2011），这篇文章在上一篇文章的基础上又考虑了网络的Qos要求（放置的中继节点的最大转发量是受限的）。但是在已有的连接网段的技术中，还没有考虑过网络的生存时间要求，这样的话如果我们需要连续地检测一个固定的区域，并使得持续的时间大于或者等于一个门限值的话，我们就可能要多次执行已有的算法。这样不但会增加所需要的中继节点的数目，而且还会增加工作量，进而大幅度地增加网络部署的成本。综上所述，目前大部分的已有网络连接算法并不能很好地直接地应用到有生存时间要求的WSN中去，原因是它们所需要的节点的数目都是非常多的，并且需要重复多次部署节点。并且由于所有放置的节点都使用最大的传输功率传输数据和无线传输环境的超线性衰落特性，可能使得网络的能量的能量效率是非常低的。
技术实现思路
本专利技术针对现有网络连接算法应用到具有生存时间要求的WSN中存在的上述不足，充分考虑了网络所处的无线环境的通信特征，存在瑞利衰落和加性复高斯白噪声的前提下，使得在生存时间要求内不同的网段与sink节点一直是连接的，并尽量降低所需要的中继节点的数目。本专利技术能够使无线传感器中的不同网段在规定的时间内与sink节点一直是连通的，在优化节点的传输功率和节点的放置位置后，可以实现更高的能量效率，放置更少的节点数目。根据本专利技术提供的分段网络中具有生存时间保证的中继节点放置策略方法，包括如下步骤：步骤1：确定最佳的发射功率；步骤2：确定最佳的一跳传输距离；步骤3：根据最佳的一跳传输距离确定中继节点放置方案；步骤4：对传输路径进行调整；步骤5：对节点的初始能量进行调整。优选地，所述步骤1具体包括如下子步骤：步骤1.1：假设传输距离固定，无线环境是瑞丽衰落的，环境中存在加性高斯白噪声，根据不同的传输功率求出对应的重传概率；步骤1.2：根据传输功率和重传概率，求出当单位比特信息成功传输时所需要的总能量的期望；步骤1.3：求出最佳的传输功率，使得所需要的总能量的期望值最小化。优选地，所述步骤2具体包括如下步骤：步骤2.1：根据不同的传输距离，求出最佳的传输功率；步骤2.2：当所需要的总传输距离固定时，证明为使得所需要的总能量最小化，我们需要使得每一跳的传输距离都相等；步骤2.3：根据不同的一跳传输距离，计算出在多跳传输时所需要的总能量的期望值；步骤2.4：计算出使得所需要的总能量的期望值最小化的一跳传输距离。优选地，所述步骤3具体包括如下子步骤：步骤3.1：需要分别把每个分块网络与sink节点连接起来，在连接的时候采用逐步接近sink节点的策略；步骤3.2：首先计算出当传输距离为最佳的一跳传输距离的时候，所需要的中继节点个数，若所需要的最佳的中继节点个数不是整数，则根据网络中这一跳的能量消耗对中继节点个数进行调整；步骤3.3：然后计算出下一跳所消耗的总能量的期望值以及所需要的中继节点个数。优选地，所述步骤4具体包括如下子步骤：步骤4.1：当网络中某一个分块中所含有的传感器节点数目少于设定的阈值时，可能使得构建的传输链路上每一跳只需要一个中继节点并且每一跳的传输距离都比较的大，此时我们可以尝试调整，构建一条从此网络分段到其他链路之间的通信链路；步骤4.2：分别计算出步骤4.1调整前和调整后所需要的中继节点数目，采用中继节点数目比较少的方案。优选地，所述步骤5具体包括如下子步骤：步骤5.1：由于在以前的分析中所计算出的每一跳所需要的能量值均为这一跳所需要能量的期望值，并且每一跳所需要的总能量近似服从高斯分布，这就使得网络中每一跳的生存时间小于所要求的生存时间的概率为1/2；这样一来就使得网络的实际生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分段网络中具有生存时间保证的中继节点放置策略方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：确定最佳的发射功率；步骤2：确定最佳的一跳传输距离；步骤3：根据最佳的一跳传输距离确定中继节点放置方案；步骤4：对传输路径进行调整；步骤5：对节点的初始能量进行调整。

【技术特征摘要】
1.一种分段网络中具有生存时间保证的中继节点放置策略方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：确定最佳的发射功率；步骤2：确定最佳的一跳传输距离；步骤3：根据最佳的一跳传输距离确定中继节点放置方案；步骤4：对传输路径进行调整；步骤5：对节点的初始能量进行调整；所述步骤1具体包括如下子步骤：步骤1.1：假设传输距离固定，无线环境是瑞丽衰落的，环境中存在加性高斯白噪声，根据不同的传输功率求出对应的重传概率；步骤1.2：根据传输功率和重传概率，求出当单位比特信息成功传输时所需要的总能量的期望；步骤1.3：求出最佳的传输功率，使得所需要的总能量的期望值最小化；所述步骤3具体包括如下子步骤：步骤3.1：需要分别把每个分块网络与sink节点连接起来，在连接的时候采用逐步接近sink节点的策略；步骤3.2：首先计算出当传输距离为最佳的一跳传输距离的时候，所需要的中继节点个数，若所需要的最佳的中继节点个数不是整数，则根据网络中这一跳的能量消耗对中继节点个数进行调整；步骤3.3：然后计算出下一跳所消耗的总能量的期望值以及所需要的中继节点个数；所述步骤4具体包括如下子步骤：步骤4...

【专利技术属性】
技术研发人员：许诗林，蒋铃鸽，袭奇，何晨，田军，
申请(专利权)人：上海交通大学，富士通株式会社，
类型：发明
国别省市：上海;31