及分段的无线传感器网络中具有生存时间保证的连接方法。传感器网络 的分段是指由于网络中某些节点失效而形成互不连通的网段。本发明通过中继节点的最优 化放置，重新连通各个网段，从而恢复网络连接。本发明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，从而可以降低网络能耗。在此基础上，本发明提出了一种能够保证生存时间要求的中 继节点放置策略，基于该策略，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。
【附图说明】
[0038] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0039] 图1为本发明中使用的一个分段的无线传感器网络；
[0040] 图2为本发明中已经连接的具有生存时间保证的无线传感器网络；
[0041] 图3为本发明中为了进一步降低中继节点的数目，而对数据的传输方式进行调整 的一种方案；
[0042] 图4为本发明方案及对比方案所需要的中继节点数目随网络中分段数目的比较 图；
[0043] 图5为本发明方案及对比方案所需要的中继节点数据随数据能够成功处理所需 要的信噪比的门限值变化的比较图；
[0044] 图6为本发明方案中网络的生存时间随ε的变化图以及其与所要求的网络的生 存时间的对比图。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0046] 本发明将问题分解为下面的几个子问题进行解决：节点的传输功率优化，一跳传 输距离的优化和具有生存时间保证的中继节点放置策略。其中：
[0047] 在节点的传输功率优化阶段，将无线传输环境假设为是瑞利衰落的，环境中的噪 声是加性复高斯白噪声，信息在下一跳节点处能够成功处理的条件是接收到的信号的信噪 比大于或者等于一个固定的门限值，下一跳节点在接收到信息之后发生反馈信息所消耗的 能量是固定的，并且优化的目标是使得成功发送单位比特信息所消耗的总能量的期望值最 小化。
[0048] 在一跳传输距离的优化阶段，信息在每一跳的传输方向都是相同的，并且为了使 得所消耗的总能量的期望值最小化，需要使得每一跳的传输距离都必须是一样的。然后可 以计算出最佳的一跳传输距离以及与之相对应的节点的最佳传输功率。但是如果计算出的 节点的最佳传输功率大于节点的最大传输功率的话，就需要修改节点的最佳传输功率和信 息的最佳一跳传输距离。
[0049] 在具有生存时间保证的中继节点放置阶段，所有分段网络中的传感器节点感知到 的数据首先使用已有的某种方法传输到网段中的一个固定位置，然后本发明通过放置中继 节点，在这个固定位置与sink节点之间构筑一条通信链路。
[0050] 具体地，本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
[0051] (1)在无线传输环境中，信息在传输的过程中是存在衰落的，并且衰落特性是超线 性的。在已有的公开文献中 Min Xiang, Weiren Shi, Xiaohui Zhang, Zhiyong Luo 和 Xia Yang的文献"A New Clustering Algorithm Based on the Optimum One-Hop Distance in Wireless Sensor Networks，'(The2008International Conference on Embedded Software and Systems (ICESS2008))也是假设信息传输时的衰落是超线性的，但是衰落是恒定的，而 不是一个随机变量，这与实际的环境是不符的，在此文献中我们假设接收节点接收到的信 号的功率是服从瑞利分布，并且信号功率的期望值是传输距离的超线性函数。
[0052] 我们首先假设发送节点与接收节点之间的欧几里德距离为r，发送节点的传输功 率为Pt，则可以表示出接收节点接收到的信号的功率所满足的瑞利分布的表达式，并且我 们假设在无线传输环境中存在加性复高斯白噪声，噪声的平均功率为σ 2,这样的话我们就 可以求出信噪比小于我们所要求的门限值（Yo)的概率，这也就是信息的重传概率。在得 出信息的重传概率后，我们就能够得出当这些数据被成功接收和处理后所需要消耗的总能 量的期望值。然后我们求出能够使得所消耗的总能量的期望值最小时的节点的发送功率， 这也就是当传输距离为r的时候，节点的最佳传输功率，我们把节点的最佳传输功率表示 为Pt°pt (r)，可以计算出
【主权项】
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。
2. 根据权利要求1所述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，其 特征在于，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。
3. 根据权利要求1所述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，其 特征在于，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，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。
4. 根据权利要求1所述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，其 特征在于，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。
5. 根据权利要求1所述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，其 特征在于，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阈值时，则尝试调整， 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。
6. 根据权利要求1所述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，其 特征在于，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存时间大于 或者等于所要求的生存时间的概率趋近于〇 ; 步骤5. 2 :为了改变这种状况，调整步骤1至4中所涉及的中继节点的初始能量。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】H04W76-02, H04W52-02, H04W40-00, H04W84-18
【公开号】CN104581860
【申请号】CN201310489489
【发明人】许诗林, 蒋铃鸽, 袭奇, 何晨, 田军
【申请人】上海交通大学, 富士通株式会社
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月17日