專利名稱：基于d－s算法的延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及一種基于D-S(Dempster-Shafer，信念函數(shù))算法的延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(如蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò))有著不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供高服務(wù)質(zhì)量和高效帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效使用，這也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測(cè)、控制以及無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大(上千甚至上萬(wàn))，節(jié)點(diǎn)分布更為密集。由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障。環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；而且傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力都十分有限。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止的。因?yàn)樗鼈兺ǔ＿\(yùn)行在人無(wú)法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源替代困難甚至是無(wú)法替代，因此設(shè)計(jì)有效的策略延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期已成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題。當(dāng)然，從理論上講，太陽(yáng)能電池能持久地補(bǔ)給能源，但工程實(shí)踐中生產(chǎn)這種微型化的電池還有相當(dāng)?shù)碾y度。這些獨(dú)特的要求和制約因素使得研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)變得十分重要。
在非異質(zhì)多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中，目前數(shù)據(jù)融合有兩個(gè)作用一是通過(guò)融合減少數(shù)據(jù)傳輸量，降低能量消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。這種方法中，國(guó)內(nèi)外使用較多的數(shù)據(jù)融合算法有中心點(diǎn)融合算法和DFuse(Dynamic DataFusion，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合)算法。
二是通過(guò)融合實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)覆蓋。如果節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)有冗余，則采取相應(yīng)的措施關(guān)閉一些冗余節(jié)點(diǎn)，或者移走這些節(jié)點(diǎn)，減少?zèng)]有必要的能量消耗。
除了數(shù)據(jù)融合方法，還有一些傳統(tǒng)的能量節(jié)省方法，比如LEACH(LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy，低能量自適應(yīng)分簇)算法作為一種自適應(yīng)分簇拓?fù)渌惴?，它能夠保證各節(jié)點(diǎn)等概率地?fù)?dān)任簇頭，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相對(duì)均衡地消耗能量，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間?；蛘哂霉?jié)點(diǎn)冗余休眠機(jī)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)能量節(jié)省，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，提供一種基于D-S算法的延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法。具體地說(shuō)，一是針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的能量均衡性、最大化網(wǎng)絡(luò)生存期等特點(diǎn)，提供一種D-S數(shù)據(jù)融合的算法，達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，以延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期；二是提供該算法的運(yùn)行機(jī)制。本方法適用于大規(guī)模分簇路由基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，是為了通過(guò)節(jié)點(diǎn)本身狀態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)融合來(lái)判別該節(jié)點(diǎn)能否擔(dān)任簇頭的節(jié)點(diǎn)。通過(guò)合理的配置，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
1、D-S簇頭繼位算法的概念圖1是一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般可以劃分為簇頭節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)兩類，簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)周圍的普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管轄。由于簇頭節(jié)點(diǎn)需要協(xié)調(diào)普通節(jié)點(diǎn)的工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，能量消耗相對(duì)較大，所以需要一種D-S簇頭繼位算法即采用周期性地選擇簇頭節(jié)點(diǎn)的做法以均衡網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量消耗。所述的簇頭繼位是指簇頭節(jié)點(diǎn)繼續(xù)擔(dān)當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的職務(wù)；或由普通節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)，履行原簇頭節(jié)點(diǎn)的職責(zé)。因此，所述簇頭繼位算法是指無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)某個(gè)原則被任命為簇頭節(jié)點(diǎn)的過(guò)程。
2、D-S簇頭繼位算法的原理圖2是D-S簇頭繼位算法的原理框圖。
簇頭繼位算法是一種基于D-S證據(jù)推理技術(shù)、集中式的數(shù)據(jù)融合算法。為了延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，需要對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的健康狀況包括剩余能量、傳感器部件的工作情況及通信部件的工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)控傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，可以及時(shí)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的工作周期，重新分配任務(wù)，從而避免節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期。而節(jié)點(diǎn)盡可能長(zhǎng)的生命期的充要條件是節(jié)點(diǎn)健康，并且能量充足。節(jié)點(diǎn)的健康狀況包括剩余能量、傳感器部件工作情況及通信部件工作情況三個(gè)方面的要求。通過(guò)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)工作電流，確認(rèn)節(jié)點(diǎn)的傳感器部件處于正常工作狀態(tài)；如果能夠檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)收發(fā)器的信號(hào)強(qiáng)度，確認(rèn)節(jié)點(diǎn)的通信部件處于正常工作狀態(tài)；由此知道此節(jié)點(diǎn)就是健康的，在剩余能量充足的情況下，就能作為簇頭節(jié)點(diǎn)。因此選擇節(jié)點(diǎn)的電流與信號(hào)強(qiáng)度值作為簇頭繼位算法的事實(shí)前提和規(guī)則前提，應(yīng)用D-S證據(jù)推理方法得到節(jié)點(diǎn)電壓滿足作為簇頭節(jié)點(diǎn)的信任區(qū)間。
3、D-S簇頭繼位算法的實(shí)現(xiàn)方法D-S簇頭繼位算法的實(shí)現(xiàn)方法包括①如果節(jié)點(diǎn)有工作電流，則節(jié)點(diǎn)電壓大于閾值(r)小于等于閾值(s)；②如果節(jié)點(diǎn)收發(fā)器有信號(hào)強(qiáng)度，則節(jié)點(diǎn)電壓大于閾值(t)或小于等于閾值(u)本算法的事實(shí)前提是(括號(hào)中的字母表示事實(shí)前提對(duì)結(jié)論的支持程度)①節(jié)點(diǎn)收發(fā)器有電流(p)；②節(jié)點(diǎn)收發(fā)器有信號(hào)強(qiáng)度(q)；算法中需要用到的公式m1({a})＝規(guī)則前提事實(shí)可信度×規(guī)則結(jié)論可信度＝p×r；m1()＝p×s；m2({a})＝q×t；m2()＝q×u；將兩個(gè)概率分配函數(shù)合并K＝1/[1-m1({a})×m2()-m1()×m2({a})]；m({a})＝K×[m1({a})×m2({a})]；
m()＝K×[m1()×m2()]；由信任函數(shù)求信任度Bel({a})＝m({a})；Bel()＝m()；由似然函數(shù)求似然度Pl({a})＝1-m()；Pl()＝1-m({a})。
于是得到，a、“簇頭節(jié)點(diǎn)電壓大于1v”為真的信任度為Bel({a})，非假的信任度為Pl({a})；b、“簇頭節(jié)點(diǎn)電壓小于等于1v”為真的信任度為Bel()，非假的信任度為Pl()。
由命題a和b的信任度得到最終簇頭節(jié)點(diǎn)繼位的策略報(bào)告。
本發(fā)明提供的方法涉及大規(guī)?？蓴U(kuò)展傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法和能量平衡的路由修正；最優(yōu)能量約束和故障節(jié)點(diǎn)的路由修正；先驗(yàn)知識(shí)不確定性度量。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分簇方式，通過(guò)簇頭的管理來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，更適用于動(dòng)態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)。
2、分層傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭選擇機(jī)制采用D-S算法，提供了一種更能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的簇頭擔(dān)任機(jī)制。簇內(nèi)的通信代價(jià)低，集中式的簇頭數(shù)據(jù)融合代價(jià)比較小。
3、能夠?qū)崿F(xiàn)基于故障節(jié)點(diǎn)的路由自修復(fù)、自配置和自管理，并且節(jié)約能量和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
4、在簇頭選擇的方法中本發(fā)明首先引入D-S證據(jù)理論，這種方法在傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域節(jié)點(diǎn)判別機(jī)制未曾有過(guò)相關(guān)報(bào)道；與經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)方法Bayesian(貝葉斯)方法不同，該方法的不確定性度量更客觀。
總之，本發(fā)明由于結(jié)合分簇路由技術(shù)，使用D-S算法來(lái)選擇節(jié)點(diǎn)來(lái)?yè)?dān)任簇頭方案，同時(shí)在具體實(shí)施中對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，因此能夠?qū)蓴U(kuò)展大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)多尺度路由進(jìn)行修正，并且實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。


圖1是一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2是D-S簇頭繼位算法的原理框圖；圖3是D-S簇頭繼位算法的流程圖。
其中100-檢測(cè)區(qū)域，110-第1簇頭節(jié)點(diǎn)，111、112……11N-第1、2……N普通節(jié)點(diǎn)；120-第2簇頭節(jié)點(diǎn)，121、122……12N-第1、2……N普通節(jié)點(diǎn)；……1N0-第N簇頭節(jié)點(diǎn)，1N1、1N2……1NN-第1、2……N普通節(jié)點(diǎn)。
200-基站。
300-服務(wù)終端。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明如圖1所示，本無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括檢測(cè)區(qū)域(100)、基站(200)和服務(wù)終端(300)；所述的檢測(cè)區(qū)域(100)包括分別和第1簇頭節(jié)點(diǎn)(110)無(wú)線連通的第1～N普通節(jié)點(diǎn)(111～11N)，分別和第2簇頭節(jié)點(diǎn)(120)無(wú)線連通的第1～N普通節(jié)點(diǎn)(121～12N)，……分別和第N簇頭節(jié)點(diǎn)(1N0)無(wú)線連通的第1～N普通節(jié)點(diǎn)(1N1～1NN)；第1、2……N簇頭節(jié)點(diǎn)(110、120……1N0)分別與基站(200)無(wú)線連通，基站(200)與服務(wù)終端(300)有線連通。
本無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作原理如下首先由各個(gè)檢測(cè)區(qū)域(100)內(nèi)的普通結(jié)點(diǎn)收集環(huán)境信息，然后各個(gè)檢測(cè)區(qū)域(100)內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)將環(huán)境信息無(wú)線傳輸給此區(qū)域內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)，最后由各個(gè)檢測(cè)區(qū)域(100)內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)將信息通過(guò)無(wú)線傳輸給基站(200)，基站(200)再通過(guò)有線傳輸將收集的各個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的信息傳輸給服務(wù)終端(300)。這樣用戶就可以通過(guò)服務(wù)終端(300)了解到各個(gè)檢測(cè)區(qū)域(100)內(nèi)的環(huán)境信息。
如圖3所示，D-S簇頭繼位算法的流程包括下列步驟第0、開(kāi)始(0)；第1、檢測(cè)簇頭當(dāng)前狀態(tài)值(1)；第2、測(cè)到簇頭節(jié)點(diǎn)收發(fā)器電流值(2)？NO，返回第1步驟重新檢測(cè)；YES，繼續(xù)。
第3、將電流大小與PDB(Platform Data Base，信任度先驗(yàn)知識(shí)的平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù))中數(shù)據(jù)相比較(3.1)，取得電流事實(shí)前提的信任度(3.2)；第4、測(cè)到簇頭節(jié)點(diǎn)收發(fā)器信號(hào)強(qiáng)度值嗎(4)？NO，返回第1步驟重新檢測(cè)；YES，繼續(xù)。
第5.將信號(hào)強(qiáng)度大小與PDB中數(shù)據(jù)相比較(5.1)，取得信號(hào)強(qiáng)度事實(shí)前提的信任度(5.2)；第6、令i＝0，j＝4(6)；第7、判斷i與j的大小(7.1)，當(dāng)i≤j為真時(shí)，按照PDB中的規(guī)則信任度，計(jì)算第i+1輪的組合概率賦值和信任區(qū)間(7.2)；第8、根據(jù)D-S簇頭繼位算法得到第i+1輪的繼位決策(8.1)和身份報(bào)告(8.2)，重復(fù)第7、第8步驟；第9、當(dāng)i≤j為假時(shí)，將身份報(bào)告1、2、3、4、5與PDB中的數(shù)據(jù)相比較(9.1)，獲得簇頭節(jié)點(diǎn)繼位決策(9.2)；第10、結(jié)束(00)。
工程技術(shù)人員按照上述方法根據(jù)其無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體硬件環(huán)境編寫(xiě)代碼，然后將其輸入到各個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之中。
權(quán)利要求
1.一種基于D-S算法的延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法，包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括檢測(cè)區(qū)域(100)、基站(200)和服務(wù)終端(300)；所述的檢測(cè)區(qū)域(100)包括分別和第1簇頭節(jié)點(diǎn)(110)無(wú)線連通的第1～N普通節(jié)點(diǎn)(111～11N)，分別和第2簇頭節(jié)點(diǎn)(120)無(wú)線連通的第1～N普通節(jié)點(diǎn)(121～12N)，……分別和第N簇頭節(jié)點(diǎn)(1N0)無(wú)線連通的第1～N普通節(jié)點(diǎn)(1N1～1NN)；第1、2……N簇頭節(jié)點(diǎn)(110、120……1N0)分別與基站(200)無(wú)線連通，基站(200)與服務(wù)終端(300)有線連通；首先由各個(gè)檢測(cè)區(qū)域(100)內(nèi)的普通結(jié)點(diǎn)收集環(huán)境信息，然后各個(gè)檢測(cè)區(qū)域(100)內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)將環(huán)境信息無(wú)線傳輸給此區(qū)域內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)，最后由各個(gè)檢測(cè)區(qū)域(100)內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)將信息通過(guò)無(wú)線傳輸給基站(200)，基站(200)再通過(guò)有線傳輸將收集的各個(gè)普通節(jié)點(diǎn)的信息傳輸給服務(wù)終端(300)；其特征在于是一種應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的D-S簇頭繼位算法，包括下列步驟第0、開(kāi)始(0)；第1、檢測(cè)簇頭當(dāng)前狀態(tài)值(1)；第2、測(cè)到簇頭節(jié)點(diǎn)收發(fā)器電流值(2)？NO，返回第1步驟重新檢測(cè)；YES，繼續(xù)。第3、將電流大小與PDB中數(shù)據(jù)相比較(3.1)，取得電流事實(shí)前提的信任度(3.2)，PDB是信任度先驗(yàn)知識(shí)的平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)；第4、測(cè)到簇頭節(jié)點(diǎn)收發(fā)器信號(hào)強(qiáng)度值嗎(4)？NO，返回第1步驟重新檢測(cè)；YES，繼續(xù)。第5.將信號(hào)強(qiáng)度大小與PDB中數(shù)據(jù)相比較(5.1)，取得信號(hào)強(qiáng)度事實(shí)前提的信任度(5.2)；第6、令i＝0，j＝4(6)；第7、判斷i與j的大小(7.1)，當(dāng)i≤j為真時(shí)，按照PDB中的規(guī)則信任度，計(jì)算第i+1輪的組合概率賦值和信任區(qū)間(7.2)；第8、根據(jù)D-S簇頭繼位算法得到第i+1輪的繼位決策(8.1)和身份報(bào)告(8.2)，重復(fù)第7、第8步驟；第9、當(dāng)i≤j為假時(shí)，將身份報(bào)告1、2、3、4、5與PDB中的數(shù)據(jù)相比較(9.1)，獲得簇頭節(jié)點(diǎn)繼位決策(9.2)；第10、結(jié)束(00)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于D－S算法的延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方法，涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，是為了通過(guò)節(jié)點(diǎn)本身狀態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)融合來(lái)判別該節(jié)點(diǎn)能否擔(dān)任簇頭的節(jié)點(diǎn)；通過(guò)合理的配置，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。本發(fā)明由于結(jié)合分簇路由技術(shù)，使用D－S算法來(lái)選擇節(jié)點(diǎn)來(lái)?yè)?dān)任簇頭方案，同時(shí)在具體實(shí)施中對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，因此能夠?qū)蓴U(kuò)展大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)多尺度路由進(jìn)行修正，并且實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。
文檔編號(hào)H04L12/24GK101094138SQ20071005246
公開(kāi)日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者張茂林, 毛雪瑩, 趙京周, 肖寅, 沈佳梅 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)