本发明专利技术涉及一种基于几何学概率的无线传感器网络能耗估计模型的建模仿真方法，属于计算机仿真技术领域。本发明专利技术在规定区域内和规定通信方式下随机播撒无线传感器节点，得到节点间通信距离的理论概率分布函数及其拟合函数；引入半Markov链的节点能耗模型，得到与时间有关的无线传感器网络的能耗功率计算公式；根据节点之间距离的数学期望，加入节点能量计算模型，根据节点在四种状态下的能耗比例和能耗功率计算公式，得到无线传感器网络的能耗估计函数；通过仿真获得无线传感器网络的能耗估计函数图像，且过蒙特卡罗模拟方法得到能耗估计函数的拟合图像。本发明专利技术将节点间通信距离的概率分布函数与能耗的计算相结合，得到无线传感器网络的总能耗。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及一种基于几何学概率的无线传感器网络能耗估计模型的建模仿真方 法，属于计算机仿真
技术介绍
无线传感器网络是由数量众多的无线传感器网络节点构成的，绝大多数的无线传 感器节点一旦布置好就不会轻易的移动，处于一个无人看管的状态，因此传感器节点基本 无法通过更替电池的形式来补充新的能源。对于无线传感器网络能耗的研究就变得越来越 重要。 在任意的一个无线传感器网络，根据其基本的节点间距离建立一种几何模型，用 来分析无线传感器网络例如k个相邻节点之间的能耗、路径的损耗和数据的传输等性能指 标。运样可W得到更好的优化配置策略，W便提高无线传感器网络的能量传递率、减少传输 路径的损耗。无线传感器网络的节点分布对于无线传感器网络的寿命长短有着重要的作 用。通过对节点分布的优化，我们可W达到对无线传感器网络能耗的最优规划，实现能耗的 最优配置。 在W前的研究中，大多是通过正方形和长方形等普遍的区域对无线传感器能耗进 行研究。有学者研究表明，在正六边形的几何模型下对无线传感器网络性能就行分析比在 正方形和长方形的几何模型下研究更加接近真实的情况。本专利技术通过正六边形几何模型作 为研究区域的方法，考虑节点的状态，提出了一种能耗估计模型。通过能耗估计模型对无线 传感器网络的总能耗进行估计，为大规模无线传感器网络能耗的预测与估计提供理论依 据。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于几何学概率的无线传感器网络能耗估计模型的建模仿真 方法，W用于解决大规模无线传感器网络的能耗估计问题。 本专利技术的技术方案是:一种基于几何学概率的无线传感器网络能耗估计模型的建 模仿真方法，首先在规定区域内和规定通信方式下随机播撒无线传感器节点，得到节点间 通信距离的理论概率分布函数及其拟合函数；引入半Markov链的节点能耗模型，得到与时 间有关的无线传感器网络的能耗功率计算公式;然后根据节点之间距离的数学期望，加入 节点能量计算模型，根据节点在四种状态下的能耗比例和能耗功率计算公式，得到无线传 感器网络的能耗估计函数;最后通过仿真获得无线传感器网络的能耗估计函数图像，且过 蒙特卡罗模拟方法得到能耗估计函数的拟合图像。 所述方法的具体步骤如下：[000引StepU节点间通信距离的理论概率分布函数的获得：在规定区域内和规定通信方式下随机播撒无线传感器节点，通过几何积分的方法 获得理论概率分布函数为m(d)或者U2(d)，对理论概率分布函数通过蒙特卡罗模拟方法分 别得到其拟合函数； 所述规定区域为单个正六边形时的拟合函数U3(d)的公式为： U3(d) = -3.27 X .49 X . 555d?Mf ?+3. Sld^f ^-5.56d?Mf ?+ 5.03d5Mi-5-2.78d4Mi-4+3.67 X l〇-id3Mi-3+l. 〇2d2Mi-2+3.71 X l〇-2dMi-i-l. 75 X 10-4 所述规定区域为两个相邻正六边形时的拟合函数U4(d)的公式为： u4(d) = -3.60Xl〇-3di°M2-w+6.63Xl〇-2d9M2-9-5.20Xl〇-id8M2-8+2.26Xd7M2-7-5.94d%?+9.65d%"^-9.59d%"^+5.68d%"^-l. 72d%"^+2.59 X 其中，Ul(d)、U2(d)分别表示规定区域为单个正六边形、两个相邻正六边形时的理 论概率分布函数，d表示节点之间的通信距离;Mi表示规定区域为单个正六边形时的边长，M2 表示规定区域为两个相邻正六边形时的边长；[001引Step2、引入半MarkoV链的节点能耗模型，得至Ij与时间有关的无线传感器网络的能 耗功率计算公式U5(d); 所述U日(d)的公式为： U5(d) = tX (Pi,iXPs+P2,2XPtXP3,3XPr+P4,4XPf)[001引其中，Pl, 1、P2,2、P3,3和P4,4分别为节点在S态、T态、R态和F态四种状态下的稳态概 率，节点在运四种状态下消耗的能耗功率分别为Ps、Pt、扣和Pf ; t为状态转换的总时间，S态 表示睡眠，T态表示发送，R态表示接受，F态表示空闲； Step3、根据节点之间距离的数学期望，加入节点能量计算模型U8(d)，根据节点在 四种状态下的能耗比例和能耗功率计算公式U5(d)，得到无线传感器网络的能耗估计函数U9 (d)或者m〇(d); Step3.1、通过拟合函数U3(d)或者U4(d)分别得到节点之间距离的数学期望为U6 (d)或者 117(d): 所述 116(d)的公式为:U6(d) - 0.8262542775M1; 所述U7(d)的公式为:U7(d) - 1.858336696M2; 其中，U6(d)、U7(d)分别表示规定区域为单个正六边形、两个相邻正六边形时的节 点之间距离的数学期望； Step3.2、加入节点能量计算模型118(d);其中，118(d)表示节点工作所需的能量，U8 (d) = (a+ecT) . L;a表示传输一比特信息所需的能量且包括启动时消耗的能量、0表示传输 过程中单位能量的损耗、L表示所发数据的长度、m表示信号的消减因子； Step3.3、在节点能量计算模型118(d)的基础上，等式两边同时除W时间t，则有P = (a+朗m) . V;其中，P表示能耗功率、V表示数据传输速率； Step3.4、根据节点在四种状态下的能耗比例和能耗功率计算公式U5(d)，得到无 线传感器网络的能耗估计函数为U9(d)或者m〇(d): 所述U9(d)的公式为：[002引 U9 (d) = t X 巧 X 1 0-4pi, iPt+P2,2PT+0.2P3,3PT+0.2P4, 4Pt) =tX(5Xl〇-4pi,i+P2,2+0.2P3,3+0.2P4,4)X(a+e(U6(d))m) ? V; 所述山0(d)的公式为： 山0 (d) = t X 巧 X 1 〇-4pi, iPt+P2,2Pt+0.2P3,3Pt+0.2P4,4Pt) =tX(5Xl〇-4pi,i+P2,2+0.2P3,3+0.2P4,4)X(a+e(U7(d))m) ? V; 其中，U9(d)、uio(d)分别表示规定区域为单个正六边形、两个相邻正六边形时无线 传感器网络的能耗估计函数； Step4、在规定区域内和规定通信方式下随机播撒无线传感器节点，通过仿真获得 无线传感器网络的能耗估计函数U9(d)或者m〇(d)图像，且过蒙特卡罗模拟方法得到能耗估 计函数的拟合图像。 所述规定区域为单个正六边形或者两个相邻的正六边形;所述规定通信方式为无 线传感器网络的节点间都可W通信。 本专利技术的工作原理是： 通过几何的积分关系，假设在单个正六边形和两个相邻的正六边形区域内随机撒 两个点，通过运两个点之间的距离推导出在单个正六边形和两个相邻的正六边区域内，节 点间距离的概率密度函数和概率分布函数的计算公式。通过仿真研究可W得出，在正六边 区域下节点的距离分布跟真实的情况最为接近。然后，在考虑节点状态转换的基础上，加入 节点的能量的计算模型，因为节点间的能量跟节点间的距离和节点的状态是密切相关的。 然后根据节点的四种状态的能耗比例和节点距离的数学期望，结合无线传感器本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于几何学概率的无线传感器网络能耗估计模型的建模仿真方法，其特征在于：首先在规定区域内和规定通信方式下随机播撒无线传感器节点，得到节点间通信距离的理论概率分布函数及其拟合函数；引入半Markov链的节点能耗模型，得到与时间有关的无线传感器网络的能耗功率计算公式；然后根据节点之间距离的数学期望，加入节点能量计算模型，根据节点在四种状态下的能耗比例和能耗功率计算公式，得到无线传感器网络的能耗估计函数；最后通过仿真获得无线传感器网络的能耗估计函数图像，且过蒙特卡罗模拟方法得到能耗估计函数的拟合图像。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王昌征，毛剑琳，付丽霞，郭宁，曲蔚贤，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53
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