專利名稱：一種基于點(diǎn)割集的無線帶狀傳感網(wǎng)壽命預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于點(diǎn)割集的無線帶狀傳感網(wǎng)壽命預(yù) 測方法。
背景技術(shù)：
隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)的飛速發(fā) 展和日益成熟，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器和網(wǎng)絡(luò)開始大范圍出現(xiàn)。 作為一種典型的普適計(jì)算應(yīng)用，無線傳感網(wǎng)通過大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，采 集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，通過多跳的無線通信方式，將收集、處理后的信息提供 給終端用戶。無線傳感網(wǎng)不需要固定的網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)在橋梁檢測、河道監(jiān)測、管道監(jiān)控、邊界防入侵等應(yīng)用中通常布設(shè)成帶 狀，是一類非常典型的傳感網(wǎng)應(yīng)用。這類帶狀傳感網(wǎng)主要特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)布設(shè)寬度較窄，顯著有 別于一般討論的二維平面布設(shè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。帶狀傳感網(wǎng)相比平面結(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)而言，拓 撲相對(duì)簡單，性能可控且易于優(yōu)化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間一直是困擾網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用的 難題，為了實(shí)現(xiàn)帶狀網(wǎng)性能可預(yù)測與可管理，非常有必要在任意一個(gè)隨機(jī)布設(shè)的帶狀網(wǎng)絡(luò) 中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壽命的預(yù)測，便于后期根據(jù)網(wǎng)絡(luò)局部性能的薄弱環(huán)實(shí)施有針對(duì)性的二次布設(shè)管 理和維護(hù)。目前一些傳感網(wǎng)壽命預(yù)測方法，如基于梯度的傳感網(wǎng)壽命預(yù)測算法是假設(shè)在均勻 布設(shè)的條件下，根據(jù)節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)的梯度估計(jì)出該節(jié)點(diǎn)的平均負(fù)載量，再利用節(jié) 點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能耗模型，估算出該梯度范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的平均生存時(shí)間，通過不同梯度 內(nèi)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間的比較，比較結(jié)果的最小生存時(shí)間即作為傳感網(wǎng)的壽命，該算法有較大 的局限性，不適用于隨機(jī)布設(shè)的網(wǎng)絡(luò)。另外也有算法根據(jù)媒體訪問層節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度的百分 比推算節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，該算法僅從節(jié)點(diǎn)的生存壽命角度來考慮，未考慮網(wǎng)絡(luò)的連通性對(duì) 網(wǎng)絡(luò)壽命的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于點(diǎn)割集的無線帶狀傳感網(wǎng)壽命預(yù)測 方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案?！N基于點(diǎn)割集的無線帶狀傳感網(wǎng)壽命預(yù)測方法，所述方法首先基于圖論中點(diǎn)割 集的思路分布式求解無線帶狀傳感網(wǎng)中的點(diǎn)割集，再通過點(diǎn)割集中節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間估 計(jì)無線帶狀傳感網(wǎng)的局部網(wǎng)絡(luò)的壽命，最后通過信令交互預(yù)測出無線帶狀傳感網(wǎng)的全網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)的壽命。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述方法具體包括以下步驟步驟一，獲取節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間統(tǒng)計(jì)除Sink節(jié)點(diǎn)外的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間T 內(nèi)的能耗，根據(jù)當(dāng)前T時(shí)段內(nèi)的能耗和節(jié)點(diǎn)上一次T時(shí)段內(nèi)平均能耗估計(jì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前T時(shí)段
5的平均能耗，從而結(jié)合所述節(jié)點(diǎn)的剩余能量得出該節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間；步驟二，獲取局部網(wǎng)絡(luò)的剩余生存時(shí)間節(jié)點(diǎn)通過交互包含剩余生存時(shí)間的信令 后獲知長度為R的帶狀區(qū)域內(nèi)所有鄰節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間信息，其中R為節(jié)點(diǎn)的通信半徑; 通過區(qū)段性的點(diǎn)割集內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間獲得無線帶狀傳感網(wǎng)的局部網(wǎng)絡(luò)的壽命；步驟三，獲取全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的剩余生存時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)按照設(shè)定方法分簇并產(chǎn)生簇頭后， 在全網(wǎng)范圍內(nèi)按需廣播信令，或節(jié)點(diǎn)周期性自發(fā)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)壽命，通過信令比較出全網(wǎng)的最 小剩余生存時(shí)間，最后到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)，信令所攜帶的壽命值就是所述無線帶狀傳感網(wǎng)的 全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述步驟一的實(shí)現(xiàn)過程為Al、除Sink節(jié)點(diǎn)外每個(gè)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)T時(shí)段的能耗來降低預(yù)測誤差，ERGnl為節(jié)點(diǎn)當(dāng) 前T時(shí)段內(nèi)能耗，AVg_ERG(n_1)T、AVg_ERGnT分別是節(jié)點(diǎn)上一次估計(jì)的T時(shí)段內(nèi)平均能耗和本 次估計(jì)的T時(shí)段內(nèi)平均能耗，根據(jù)式Avg_ERGnT = (1- α ) ERGnl+ α · Avg_ERG(n_1)T得出Avg_ ERGnl ；其中α是大于0小于1的小數(shù)；Α2、節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間
權(quán)利要求
1.一種基于點(diǎn)割集的無線帶狀傳感網(wǎng)壽命預(yù)測方法，其特征在于所述方法首先基于 圖論中點(diǎn)割集的思路分布式求解無線帶狀傳感網(wǎng)中的點(diǎn)割集，再通過點(diǎn)割集中節(jié)點(diǎn)的剩余 生存時(shí)間估計(jì)無線帶狀傳感網(wǎng)的局部網(wǎng)絡(luò)的壽命，最后通過信令交互預(yù)測出無線帶狀傳感 網(wǎng)的全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于點(diǎn)割集的無線帶狀傳感網(wǎng)壽命預(yù)測方法，其特征在于， 所述方法具體包括以下步驟步驟一，獲取節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間統(tǒng)計(jì)除Sink節(jié)點(diǎn)外的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間T內(nèi)的 能耗，根據(jù)當(dāng)前T時(shí)段內(nèi)的能耗和節(jié)點(diǎn)上一次T時(shí)段內(nèi)平均能耗估計(jì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前T時(shí)段的平 均能耗，從而結(jié)合所述節(jié)點(diǎn)的剩余能量得出該節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間；步驟二，獲取局部網(wǎng)絡(luò)的剩余生存時(shí)間節(jié)點(diǎn)通過交互包含剩余生存時(shí)間的信令后獲 知長度為R的帶狀區(qū)域內(nèi)所有鄰節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間信息，其中R為節(jié)點(diǎn)的通信半徑；通過 區(qū)段性的點(diǎn)割集內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間獲得無線帶狀傳感網(wǎng)的局部網(wǎng)絡(luò)的壽命；步驟三，獲取全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的剩余生存時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)按照設(shè)定方法分簇并產(chǎn)生簇頭后，在全 網(wǎng)范圍內(nèi)按需廣播信令，或節(jié)點(diǎn)周期性自發(fā)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)壽命，通過信令比較出全網(wǎng)的最小剩 余生存時(shí)間，最后到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)，信令所攜帶的壽命值就是所述無線帶狀傳感網(wǎng)的全網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)的壽命。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于點(diǎn)割集的無線帶狀傳感網(wǎng)壽命預(yù)測方法，其特征在于， 所述步驟一的實(shí)現(xiàn)過程為Al、除Sink節(jié)點(diǎn)外每個(gè)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)T時(shí)段的能耗來降低預(yù)測誤差，ERGnT為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前T時(shí) 段內(nèi)能耗，Avg_ERG(n_1)T、Avg_ERGnT分別是節(jié)點(diǎn)上一次估計(jì)的T時(shí)段內(nèi)平均能耗和本次估計(jì) 的 T 時(shí)段內(nèi)平均能耗，根據(jù)式 Avg_ERGnT = (1-α) ERGnl+ α · Avg_ERG(n_1)T 得出 Avg_ERGnT ； 其中α是大于0小于1的小數(shù)； Α2、節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于點(diǎn)割集的無線帶狀傳感網(wǎng)壽命預(yù)測方法，其特征在于， 所述步驟二的實(shí)現(xiàn)過程為Bi、節(jié)點(diǎn)執(zhí)行分布式點(diǎn)割集算法，首先找出使網(wǎng)絡(luò)不連通的一個(gè)頂點(diǎn)割；B11、帶狀網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)均存在一個(gè)最小長度為d(d < R)，寬度為w的矩形區(qū)域，使得刪去 所述矩形區(qū)域內(nèi)的所有的點(diǎn)和關(guān)聯(lián)邊后網(wǎng)絡(luò)不再連通，則所述矩形區(qū)域內(nèi)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的一 個(gè)頂點(diǎn)割；求出一個(gè)頂點(diǎn)割即求出該矩形區(qū)域的最小邊長d ；B12、令初始邊長為d = dl，dl的大小根據(jù)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)密度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中 刪除以本節(jié)點(diǎn)位置為中心，中心位置記為^，長為d的矩形區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)以及與所述矩形 區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的所有邊后，判斷[X(1-3R/2，h-d/2]內(nèi)子網(wǎng)與[X(l+d/2，&+3R/2]內(nèi)子 網(wǎng)是否連通，若連通則執(zhí)行B13，否則執(zhí)行B14 ；B13、增大d值使矩形區(qū)域長度擴(kuò)大，為了求出滿足條件的最小值d，d的增量必需足夠 小，同時(shí)保證遞增后矩形區(qū)域內(nèi)比遞增前至少增加一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，再刪去長為d的矩形區(qū) 域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)以及與所述矩形區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的所有邊，判斷[X(1-3R/2，h-d/2]內(nèi)子 網(wǎng)與[xQ+d/2，&+3R/2]內(nèi)子網(wǎng)是否連通，若連通則繼續(xù)執(zhí)行B13，否則執(zhí)行B14;B14、求出長度為d，寬為w矩形區(qū)域內(nèi)，SP [x0-d/2, x0+d/2]內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的本節(jié)點(diǎn) 的一個(gè)頂點(diǎn)割；B2、根據(jù)頂點(diǎn)割求解一個(gè)點(diǎn)割集；B21、將矩形[X(l-d/2，x0+d/2]范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)按照與矩形外節(jié)點(diǎn)連通的跳數(shù)分為三類路 徑，分別記做 Path-I、Path-II 和 Path-Ill ；Path-I、Path-II 和 Path-III 分別表示與矩形 外節(jié)點(diǎn)連通至少必須經(jīng)過1、2、3個(gè)矩形內(nèi)中間節(jié)點(diǎn)；如果刪掉I^ath-I上的點(diǎn)集合Cl的所 有點(diǎn)，Path-II上的點(diǎn)集合C2的部分點(diǎn)，Path-III上點(diǎn)集合C3的部分點(diǎn)，及與所述點(diǎn)關(guān)聯(lián) 的邊后，網(wǎng)絡(luò)變?yōu)椴贿B通，則Cl U C2 U C3可構(gòu)成圖的一個(gè)點(diǎn)割集，記作C ；Cl，C2，C3均為 點(diǎn)割集C的子集；除了 I^ath-I上所有點(diǎn)(Cl)不需進(jìn)行執(zhí)行步驟B22外，Path-II和I^ath-III上所有點(diǎn) 均要執(zhí)行B22 ；將I^ath-II和I^ath-III上節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為三種，分別表示為LEFT、RIGHT和 MIDDLE，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)與其所處路徑位置有關(guān)；依次對(duì)I^ath-II和I^ath-III上包含的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 狀態(tài)初始化；B211、若為矩形內(nèi)Path-II上節(jié)點(diǎn)，定義I^ath-II上節(jié)點(diǎn)狀態(tài)從左至右為LEFT、RIGHT ； B212、若為矩形內(nèi)I^ath-III上節(jié)點(diǎn)，定義I^ath-III上節(jié)點(diǎn)狀態(tài)從左至右為LEFT、 MIDDLE、RIGHT ；B22、根據(jù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)初始化節(jié)點(diǎn)的連接度；不考慮同類狀態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，節(jié) 點(diǎn)的連接度定義如下B221、Path-II上狀態(tài)為LEFT/RIGHT的節(jié)點(diǎn)的連接度等于與之相鄰的狀態(tài)為RIGHT/ LEFT的節(jié)點(diǎn)數(shù)，連接度大于0表示該節(jié)點(diǎn)在Path-II上；B222、Path-III上狀態(tài)為LEFT/RIGHT的節(jié)點(diǎn)的連接度等于與之相鄰的狀態(tài)為MIDDLE 的節(jié)點(diǎn)數(shù)；B223、Path-III上狀態(tài)為MIDDLE的節(jié)點(diǎn)的連接度等于與之相鄰的狀態(tài)為LEFT或 RIGHT節(jié)點(diǎn)數(shù)的最小值，連接度大于0表示該節(jié)點(diǎn)在I^th-III上；B23、根據(jù)路徑狀態(tài)和連接度定義從這些路徑上的節(jié)點(diǎn)集合中選出使網(wǎng)絡(luò)斷開的節(jié)點(diǎn) 子集C2和C3 ；定義路徑上節(jié)點(diǎn)的權(quán)值函數(shù)f = t/λ，t為節(jié)點(diǎn)剩余生存時(shí)間，λ為節(jié)點(diǎn)連接度；依次 進(jìn)行下面的判斷Β231、從Path-II上節(jié)點(diǎn)中選擇使權(quán)值函數(shù)f取最小值的節(jié)點(diǎn)，將其加入到集合C2，同 時(shí)在I^th-II中刪除該節(jié)點(diǎn)，更新I^ath-II中其他節(jié)點(diǎn)的連接度；判斷若此時(shí)網(wǎng)絡(luò)仍然連 通，則繼續(xù)計(jì)算I^th-II中下一個(gè)使權(quán)值函數(shù)f取最小值的節(jié)點(diǎn)，并重復(fù)該操作，直到滿足 拿走C2中節(jié)點(diǎn)后，矩形區(qū)域內(nèi)不存在Path-II使網(wǎng)絡(luò)連通，C2尋找結(jié)束； B232、若滿足d彡0. 5R，則C3為空集，執(zhí)行B234 ；否則執(zhí)行B233 ； B233、從I^ath-III中選出使權(quán)值函數(shù)f取最小值的節(jié)點(diǎn)，將其加入到集合C3，同時(shí)在 Path-III中刪除該節(jié)點(diǎn)，更新I^ath-III中其他節(jié)點(diǎn)的連接度，判斷若此時(shí)網(wǎng)絡(luò)仍然連通， 則繼續(xù)計(jì)算I^th-III中下一個(gè)使權(quán)值函數(shù)f取最小值的節(jié)點(diǎn)，并重復(fù)該操作，直到滿足拿 走C3中節(jié)點(diǎn)后，矩形區(qū)域內(nèi)不存在I^ath-III使網(wǎng)絡(luò)連通，Path-III和C3尋找結(jié)束，執(zhí)行 B234 ；B234、求得當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)割集C = Cl U C2 U C3 ；B3、預(yù)測局部網(wǎng)絡(luò)的剩余生存時(shí)間；節(jié)點(diǎn)通過交互包含剩余生存時(shí)間的信令后，獲知長度為R的帶狀區(qū)域內(nèi)所有鄰節(jié)點(diǎn)的 剩余生存時(shí)間的信息，將點(diǎn)割集C內(nèi)節(jié)點(diǎn)的最大剩余生存時(shí)間作為執(zhí)行算法節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的 局部網(wǎng)絡(luò)剩余生存時(shí)間的預(yù)測值。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于點(diǎn)割集的無線帶狀傳感網(wǎng)壽命預(yù)測方法，其特征在于， 所述步驟三的實(shí)現(xiàn)過程為D1、對(duì)網(wǎng)絡(luò)按照設(shè)定方法分簇并產(chǎn)生簇頭后，在全網(wǎng)范圍內(nèi)按需廣播信令，距離Sink 節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的簇頭節(jié)點(diǎn)收集本簇成員計(jì)算出的最小的局部網(wǎng)絡(luò)剩余生存時(shí)間，然后將所述最 小的局部網(wǎng)絡(luò)剩余生存時(shí)間值通過信令分組發(fā)送給距離Sink節(jié)點(diǎn)較近的下一簇頭節(jié)點(diǎn)；D2、所述下一簇頭節(jié)點(diǎn)收到該信令后，指定節(jié)點(diǎn)首先計(jì)算本簇內(nèi)最小剩余生存時(shí)間，如 果本地計(jì)算的最小剩余生存時(shí)間值小于信令分組攜帶的最小剩余生存時(shí)間值，則以本地計(jì) 算的最小剩余生存時(shí)間值替代信令攜帶的最小剩余生存時(shí)間值，之后繼續(xù)向下一跳簇頭節(jié) 點(diǎn)發(fā)送信令；D3、所述下一跳簇頭節(jié)點(diǎn)重復(fù)所述D2過程，直到Sink節(jié)點(diǎn)收到信令分組后，上傳給管 理者；Sink節(jié)點(diǎn)收到的信令所攜帶的最小剩余生存時(shí)間值就是這段帶狀網(wǎng)絡(luò)的剩余壽命。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于點(diǎn)割集的無線帶狀傳感網(wǎng)壽命預(yù)測方法，該方法首先基于圖論中點(diǎn)割集的思路分布式求解無線帶狀傳感網(wǎng)中的點(diǎn)割集，再通過點(diǎn)割集中節(jié)點(diǎn)的剩余生存時(shí)間估計(jì)無線帶狀傳感網(wǎng)的局部網(wǎng)絡(luò)的壽命，最后通過信令交互預(yù)測出無線帶狀傳感網(wǎng)的全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。與傳統(tǒng)的預(yù)測方法相比，本發(fā)明的預(yù)測方法為分布式計(jì)算方法，靈活性高且擴(kuò)展性好，能更準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地預(yù)測局部和全網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，有利于展開帶狀傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能分析和實(shí)施二次布設(shè)。
文檔編號(hào)H04W24/06GK102149117SQ20101010786
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者劉海濤, 吳明娟, 張寶賢, 黃河清 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所