[发明专利]基于跨层设计的水下无线传感器网络的生命周期延长方法

说明书

本发明公开了一种基于跨层设计的水下无线传感器网络的生命周期延长方法，步骤(1)、建立水下无线传感器网络最大化生命周期模型；步骤(2)、执行迭代算法，获得网络传输方案(包括节点的数据码率，传输功率和网络链路调度)的最优方案。与现有技术相比，本发明可以实现对网络中节点能耗的降低，和节点间能耗的平衡，因此可以有效延长网络的生命周期。

技术领域

本发明涉及水下无线传感器网络领域，特别是涉及到一种水下无线传感器网络生命周期延长方法。

背景技术

由于水下通信的特殊性，传统的陆上传感器网络设计方法不适用于水下网络。因而出现水下无线传感器网络，可为各项海洋活动提供可靠高效的通信服务的新型网络架构。该无线传感器网络中的传感器节点一旦部署将难以维护与回收，且在大多数应用场景下难以得到能量补充，从而节点能量受限。因此，降低网络能耗或延长全网生存周期成为了水下无线传感器网络设计中的最主要目标。

因此，现有技术中也陆续提出了一些适用于水下环境的传感器网络生命周期延长方法陆续出。其中大多数算法通常仅对单一网络协议层进行优化设计，其对网络性能提升的作用有限；已有的跨层设计算法又仅将最小化全网总体能耗作为目标，易造成网络中节点能量的不均匀消耗，使一些节点较早死亡，降低网络生命周期。

发明内容

结合水下无线传感器网络中传感器节点能量受限的特点，本发明提出了一种基于跨层设计的水下无线传感器网络的生命周期延长方法，基于网络跨层设计方式，通过迭代方式对节点的数据码率，数据传输功率和网络的链路调度的联合优化，实现了水下无线传感器网络生命周期的延长。

本发明的一种基于跨层设计的水下无线传感器网络的生命周期延长方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、建立水下无线传感器网络最大化生命周期模型：

选取网络中首个死亡节点的生存时间作为整个网络的生命周期，网络生命周期定义T_net为：

T_net＝minT_i,i＝1,...,M

其中，T_i表示第i个节点的生存时间，M表示网络中除去汇聚节点的传感器节点的数量；

考虑网络中节点的多种约束条件，采用TDMA时分多址(time division multipleaccess,)技术建立最大化生命周期模型：

P_iⁿ≤P_max,i＝1,...,M,n∈{1,...,N} (4)

公式(1)表示节点数据流量约束条件，对网络中任意节点，在任意一个TDMA周期内，节点发送数据量应为接收数据量与节点自身采集数据量之和；式中，等式左端为节点在一个TDMA周期内所发送的数据量与所接收的数据量的差值，右端为节点每个TDMA周期所采集的数据量；

公式(2)表示节点能量约束条件，节点在其生命周期内，其数据传输所消耗的能量应小于其初始能量E_init；节点数据传输能耗可用节点平均功率与节点生命周期T_i的乘积表示；式中，以节点在每个TDMA周期的能耗与TDMA周期时长之商作为节点的平均功率；

公式(3)表示节点数据码率约束条件；节点在任意时隙的传输码率应不大于信道容量C(l)；

公式(4)表示节点传输功率约束条件；节点在任意时隙的传输功率P_iⁿ应不大于由节点硬件条件所限制的最大传输功率P_max；