本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡
技術領域：
，特別是涉及基于能量和傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡可靠性計算方法。
背景技術：
：無線傳感器網(wǎng)絡(wsn)是由大量的節(jié)點相互協(xié)作構成的用于監(jiān)測目標區(qū)域的無線通信網(wǎng)絡，主要任務是感知事件，生成數(shù)據(jù)包，通過單跳或多跳的無線通信將數(shù)據(jù)包發(fā)送到基站，最終由用戶分析所監(jiān)測區(qū)域的情況。目前，wsn應用范圍較為廣泛，是工業(yè)、醫(yī)學、軍事等領域獲取信息的重要途徑之一。wsn的節(jié)點通常被密集地隨機拋灑在環(huán)境較為惡劣的目標區(qū)域內，其采用的休眠機制和允許部分節(jié)點失效的容錯性均使得網(wǎng)絡結構動態(tài)變化，因此這些節(jié)點通過自組織方式形成網(wǎng)絡對區(qū)域進行覆蓋監(jiān)測。密集的節(jié)點可重復覆蓋區(qū)域以保證采集信息的準確性，增強網(wǎng)絡系統(tǒng)的容錯性。為提高網(wǎng)絡的工作能力，可先對其進行可靠性評估。由于網(wǎng)絡部署時通常選用體積較小，成本較低的節(jié)點，其電池容量較小，使得節(jié)點具有有限的能量，而在節(jié)點工作的過程中，能量是其正常工作的保障，因此學者們已針對網(wǎng)絡能量利用情況進行了大量的研究。一是對網(wǎng)絡拓撲結構進行優(yōu)化，例如采用最常用的以分簇結構工作的網(wǎng)絡拓撲模型，使得wsn網(wǎng)絡整體消耗能量減少，從而提高系統(tǒng)的可靠性。分簇是將網(wǎng)絡中所有節(jié)點按照一定的規(guī)則分組，每組節(jié)點相互協(xié)作，作為一個小的網(wǎng)絡子系統(tǒng)收集所在區(qū)域內的信息并將其發(fā)送到簇頭節(jié)點。通常網(wǎng)絡的分簇是按照節(jié)點所在地理位置，相近的節(jié)點構成一簇。最早提出的比較成熟的算法是leach算法，在文獻energy-efficientcommunicationprotoccolforwirelessmicrosensornetworks中，作者對該算法進行了說明。在建簇階段，隨機產(chǎn)生簇頭，相鄰節(jié)點動態(tài)成簇；在數(shù)據(jù)通信階段，簇成員節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到各自簇頭，簇頭節(jié)點再進行數(shù)據(jù)融合，并把融合后數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點。由于簇頭節(jié)點要接收成員節(jié)點的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合并與遠處的匯聚節(jié)點通信，能耗很大，所以leach協(xié)議規(guī)定每輪的簇頭節(jié)點都要進行輪換以均衡節(jié)點能量。后來，學者又提出了一系列網(wǎng)絡分簇方法，例如pegasis算法、heed算法等，但這些算法中出現(xiàn)了簇首節(jié)點與sink節(jié)點的單跳傳輸導致能耗過多且不均和通信開銷較大的問題。學者們在這些算法的思想上提出一系列基于虛擬網(wǎng)格的分簇算法用于均衡網(wǎng)絡能耗，進而降低通信開銷。在wsn中基于虛擬網(wǎng)格的分簇路由算法的文獻中，作者提出先將目標監(jiān)測區(qū)域劃分為網(wǎng)格狀，基站根據(jù)網(wǎng)格邊長進行計算，確保有足夠的網(wǎng)格數(shù)完全覆蓋整個區(qū)域。而在文獻基于基站劃分網(wǎng)格的無線傳感器網(wǎng)絡分簇算法中，作者提出利用基站發(fā)射的信號將區(qū)域直接劃分成網(wǎng)格狀，每個網(wǎng)格中的節(jié)點自成一簇，簇間采取多跳的傳輸方式。經(jīng)仿真驗證這些分簇方法使得網(wǎng)絡能耗均比leach、pegasis等算法有所減少。另一種方法是對節(jié)點工作方式進行規(guī)劃，例如采用一種節(jié)點活躍-休眠交替工作的模式，可有效降低工作過程的能耗。在文獻energycontrolindependablewirelesssensornetworks:amodelingperspective中，作者針對網(wǎng)絡冗余節(jié)點工作模式交替進行的狀態(tài)分析其能耗問題，并針對網(wǎng)絡內部拓撲結構獲得wsn工作能力。但作為一個通信網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中節(jié)點間的傳輸能力也是影響其工作能力的一大重要因素。目前，關于提高wsn傳輸可靠性的技術較多，但對其進行精確的評估較少，并且沒有統(tǒng)一的定義。在文獻esrt:event-to-sinkreliabletransportinwirelesssensornetworks中，作者以傳輸?shù)絪ink節(jié)點的數(shù)據(jù)數(shù)目為指標評估wsn可靠性。而在文獻apracticalapproachfornetworkapplicationreliabilityassessment中作者以感知節(jié)點將數(shù)據(jù)成功發(fā)送到sink節(jié)點的概率作為評估網(wǎng)絡可靠性的指標。這些文獻中結合網(wǎng)絡部件的選擇、關鍵技術、應用模型等方面建立了一種可靠性評估方法。但是，這些可靠性定義均有一定的限制，并不適用常見的網(wǎng)絡應用，文獻中部件與各類應用的實際關系也未給出明確的解釋，且并不適合大規(guī)模的網(wǎng)絡可靠性仿真應用。wsn作為一個復雜系統(tǒng)，在實際應用中的工作模式多樣，拓撲結構多變，提高其工作能力的方法也較為多樣，因此精確評估一個網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性無論在理論還是計算上均存在一定的難度，這也為網(wǎng)絡的可靠性分析和評估帶來了巨大挑戰(zhàn)。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明實施例提供了基于能量和傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡可靠性計算方法，可以解決現(xiàn)有技術中存在的問題。一種基于能量和傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡可靠性計算方法，包括以下步驟：(1)在m×m的平面目標區(qū)域內隨機均勻地拋灑n個節(jié)點，基站在相互垂直的兩個方向上發(fā)射的具有等差性質的信號，將網(wǎng)絡劃分為n個虛擬網(wǎng)格；(2)區(qū)域內節(jié)點根據(jù)接收到的基站信號判斷屬于哪些功率等級的網(wǎng)格中，并將自身的id及能量信息進行廣播，同時接收并比較其余節(jié)點發(fā)送的信息，判斷自身所在的簇及簇內其余成員；(3)各簇確定完成后，節(jié)點對接收的信息進行比較，選擇簇內剩余能量最大的節(jié)點為當前簇的簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點確定后對簇內節(jié)點進行一次身份廣播；(4)根據(jù)簇內節(jié)點工作狀態(tài)評估其能力，具體包括：(4a)簇內節(jié)點進行數(shù)據(jù)感知，并將感知數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點，感知和發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)目相同，結合能耗模型可計算出簇內節(jié)點感知數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗；(4b)在節(jié)點工作各環(huán)節(jié)的能耗獲取后，計算某一時刻的剩余能量，分析其大于節(jié)點感知和發(fā)送一個數(shù)據(jù)的所需能量的概率，即為節(jié)點的瞬時可靠性；(5)簇頭節(jié)點的瞬時可靠性分析計算，具體包括：(5a)簇頭節(jié)點接收簇內所有節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)簇內節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)計算出簇頭節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)；(5b)簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，將p個數(shù)據(jù)融合處理為一個數(shù)據(jù)，計算處理后的數(shù)據(jù)個數(shù)即為簇頭所發(fā)送的數(shù)據(jù)個數(shù)，利用能耗模型即可計算得到消耗能量；(6)針對簇內星狀拓撲結構，根據(jù)應用要求每個簇內需要至少k個節(jié)點將數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)酱仡^，結合節(jié)點工作概率以及傳輸概率計算簇內傳輸可靠性；(7)簇間路由采用高可靠性路由方式，利用分解算法采用遞歸方法推導出整個網(wǎng)絡可靠性。本發(fā)明實施例中的基于能量和傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡可靠性計算方法具有以下優(yōu)點：本發(fā)明中網(wǎng)絡采用的基于網(wǎng)格分簇方法和簇間采用的高可靠性路由方式，使得網(wǎng)絡可均衡能耗，增強其容錯性，延長工作時間；本發(fā)明中針對壽命已延長的網(wǎng)絡模型，精確地評估了在某些實際應用要求下的網(wǎng)絡可靠性；本發(fā)明對網(wǎng)絡工作進行了劃分，針對每部分的工作內容結合能耗以及傳輸概率，定義了各部分工作的可靠性；本發(fā)明通過概率分布并結合網(wǎng)絡分解算法推導出計算可靠性的方法，對于大型無線傳感器網(wǎng)絡的可靠性計算同樣適用。因此，本發(fā)明在分析計算網(wǎng)絡工作能力的過程中，充分考慮了對其影響較大的兩個因素：能耗和傳輸；采用有效的分簇及路由方式延長網(wǎng)絡的壽命；計算過程簡便，結果精確度較高，對于需要準確評估網(wǎng)絡能力的應用具有很大的參考價值。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實施例中提供的方法的步驟流程圖；圖2為無線傳感器網(wǎng)絡的分簇工作模式圖；圖3為簇頭節(jié)點的id展示圖；圖4為簇間數(shù)據(jù)傳輸方式圖；圖5為簇內節(jié)點可靠性隨時間變化圖；圖6是不同的傳輸概率下簇內節(jié)點完成應用要求的可靠性圖；圖7為取不同簇內節(jié)點數(shù)時的簇頭可靠性圖；圖8為簇間傳輸概率不同時網(wǎng)絡整體的可靠性圖。具體實施方式下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。參照圖1，本發(fā)明針對圖2所示的網(wǎng)絡工作模式結合能耗和傳輸給出計算網(wǎng)絡瞬時可靠性的方法，具體步驟如下：步驟100：在m×m的平面目標區(qū)域內隨機均勻地拋灑n個節(jié)點，基站在相互垂直的兩個方向上發(fā)射的具有等差性質的信號，將網(wǎng)絡劃分為n個虛擬網(wǎng)格；步驟200：區(qū)域內節(jié)點根據(jù)接收到的基站信號判斷屬于哪些功率等級的網(wǎng)格中，并將自身的id及能量信息進行廣播，同時接收并比較其余節(jié)點發(fā)送的信息，判斷自身所在的簇及簇內其余成員；步驟300：各簇確定完成后，節(jié)點對接收的信息進行比較，選擇簇內剩余能量最大的節(jié)點為當前簇的簇頭節(jié)點，如圖3所示，簇頭節(jié)點確定后對簇內節(jié)點進行一次身份廣播；步驟400：根據(jù)簇內節(jié)點工作狀態(tài)評估其能力；(4a)簇內節(jié)點進行數(shù)據(jù)感知，并將感知數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點。假設節(jié)點i在t時刻感知到的數(shù)據(jù)個數(shù)服從參數(shù)為λ的泊松分布，由于簇內節(jié)點只進行感知傳輸任務，因此其感知和傳輸數(shù)據(jù)的個數(shù)相同，即則簇內節(jié)點感知數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗分別為：其中，es(l)為感知到一個長度為lbit的數(shù)據(jù)所需能量，et(d,l)為節(jié)點傳輸一個長度為lbit的數(shù)據(jù)所耗能量；(4b)在節(jié)點工作各環(huán)節(jié)的能耗獲取后，計算其在某一時刻的剩余能量，分析剩余能量大于節(jié)點感知和發(fā)送一個數(shù)據(jù)所需能量的概率，即為節(jié)點i在t時刻的瞬時可靠性：整理后有其中，e0為節(jié)點的初始能量；步驟500：簇頭節(jié)點j的瞬時可靠性分析計算；(5a)每個簇中有m個節(jié)點，根據(jù)應用要求至少需要簇內的k個節(jié)點正常工作且將數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)酱仡^，該簇才被認為符合要求，即簇內結構可視為k-out-of-m結構。由于簇內節(jié)點采用星狀拓撲結構工作，因此簇頭節(jié)點j將接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點個數(shù)為故而簇頭節(jié)點j接收數(shù)據(jù)所耗能量為：其中，er(l)表示接收一個長度為lbit的數(shù)據(jù)需要的能量；(5b)簇頭節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)進行融合，將p個數(shù)據(jù)融合處理為一個數(shù)據(jù)，計算處理后的數(shù)據(jù)個數(shù)即為簇頭所發(fā)送的數(shù)據(jù)個數(shù)，其所耗能量為：其中，eda表示融合p個數(shù)據(jù)需要的能量；(5c)根據(jù)剩余能量得出簇頭節(jié)點j的可靠性：整理后有其中，f＝(es(l)+leda)+λet(d,l)+fer(l)+feda步驟600：應用要求每個簇內至少需要k個節(jié)點將數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)酱仡^，在節(jié)點i能量充足并且傳輸過程成功的情況下，節(jié)點收集的數(shù)據(jù)才能到達簇頭節(jié)點，故簇頭j滿足應用要求而正常工作的能力可表示為：其中pij為節(jié)點i成功將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱仡^j的概率；步驟700：簇間路由采用如圖4所示的高可靠性路由方式，利用分解算法采用遞歸方法推導出整個網(wǎng)絡可靠性：r(g)＝r(g*e)pe+r(g-e)(1-pe)其中pe為簇頭間數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)母怕?，當收縮邊e使得某一簇頭節(jié)點與sink節(jié)點重合時，r(g*e)＝1，當刪除邊e使得所有簇頭均與sink節(jié)點不連通，此時r(g-e)＝1。通過對網(wǎng)絡工作的各部分進行分析，最終可獲得網(wǎng)絡整體精確的可靠性。本發(fā)明的分析計算可通過以下仿真計算進一步說明：仿真條件在一個m×m的正方形平面區(qū)域內隨機均勻地部署n個初始能量相同的節(jié)點，每個節(jié)點具有屬于自己唯一的id。監(jiān)測區(qū)域外部署一個能量充足，計算能力強大的基站。所有節(jié)點一經(jīng)部署將不再移動。數(shù)據(jù)傳輸時采用tdma規(guī)則,即時分多址協(xié)議。其他仿真參數(shù)如表1所示：表1參數(shù)設置參數(shù)值參數(shù)值區(qū)域邊長a(m)100m基站位置(50，150)節(jié)點初始能量e0(j)0.5數(shù)據(jù)包長度l(bit)4000eelec(nj/bit)50εfs(pj/bit/m2)10γ(nj/bit)50eda(nj/bit/signal)5簇內工作節(jié)點的最小數(shù)目k5泊松分布參數(shù)λ1分簇個數(shù)n4仿真內容結合上述參數(shù)及仿真條件，在網(wǎng)絡分為4個簇，每個簇內節(jié)點數(shù)均為10的條件下，基于節(jié)點能耗模型，利用本發(fā)明所述的計算方法，計算各簇內節(jié)點的可靠性，再結合不同的節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸概率，計算各簇在滿足應用要求時的工作能力，分析不同的傳輸概率對其影響，通過簇內數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫€數(shù)，對比計算不同簇內節(jié)點數(shù)時簇頭節(jié)點的可靠性，最后根據(jù)簇間路由方式，計算網(wǎng)絡整體的可靠性，結果如圖5-8所示。在圖5中，當節(jié)點工作300輪后其可靠性將迅速下降，這是因為在節(jié)點工作的初期，其剩余能量充足，完全可滿足節(jié)點感知與發(fā)送數(shù)據(jù)所需能量，因此其正常工作的能力較強，但當工作一段時間后，節(jié)點消耗的能量增多，剩余能量滿足其繼續(xù)工作的能力將逐漸減弱?？紤]到節(jié)點到簇頭的數(shù)據(jù)傳輸能力，圖6給出了簇內節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱仡^的能力隨時間的變化。在簇內節(jié)點數(shù)不變的情況下，節(jié)點到簇頭的傳輸概率越大，整個簇的工作能力越好。簇頭不同于普通節(jié)點的是其需要融合處理數(shù)據(jù)，因此將會消耗跟多的能量，從圖7可知，簇頭的高可靠性保持時間較短，這正是因為能耗的過度消耗。由于應用要求的限制，當簇內節(jié)點數(shù)越少時，造成簇頭接收所需數(shù)據(jù)的可靠性較低，但隨著簇內節(jié)點數(shù)增多，簇頭節(jié)點接收數(shù)據(jù)所耗能量越多，導致其剩余能量減少從而降低其可靠性，因此，簇內節(jié)點數(shù)選擇應較為恰當，避免過多或過少。簇頭節(jié)點間進行數(shù)據(jù)傳輸時將受到外界環(huán)境的干擾，如圖8所示，在簇內節(jié)點數(shù)為10時，考慮不同的簇間傳輸概率下的網(wǎng)絡可靠性。相比圖7中m＝10時簇頭節(jié)點的可靠性，外界環(huán)境對數(shù)據(jù)的傳輸影響相對于其節(jié)點的能量影響較小。而在相同的簇頭可靠性下，簇間傳輸概率越大，網(wǎng)絡整體的可靠性越高。符號說明：a：目標區(qū)域的邊長e0：節(jié)點的初始能量l：每個數(shù)據(jù)包的大小pij：網(wǎng)絡中節(jié)點i所感知的數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)焦?jié)點j的概率n：網(wǎng)絡分簇個數(shù)k：簇內所需的最少成功傳輸數(shù)據(jù)節(jié)點個數(shù)m：每個簇內的節(jié)點數(shù)r(g)：無線傳感器網(wǎng)絡可靠性wsn:無線傳感器網(wǎng)絡leach:low-energyadaptiveclusteringhierarchy低功耗自適應集簇分層協(xié)議pegasis:power-efficientgatheringinsensorinformationsystems傳感信息系統(tǒng)高效節(jié)能集簇協(xié)議tdma:timedivisionmultipleaccess時分多址本領域內的技術人員應明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。當前第1頁12