[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

摘要

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。

主权项

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，其特征在于，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Tnet为：Tnet＝minTi,i＝1,...,M其中，Ti表示第i个节点的生存时间，M表示网络中传感器节点(除去汇聚节点)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 multiple access,)技术建立最大化生命周期模型：Einit≥(Σn∈ψiPin·Ttran)NTslot·Ti---(2)]]>Rin≤C(l)---(3)]]>Pin≤Pmax,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Einit；节点数据传输能耗可用节点平均功率与节点生命周期Ti的乘积表示；式中，我们以节点在每个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Pin应不大于由节点硬件条件所限制的最大传输功率Pmax；式中，Tslot、Ttran分别表示TDMA时隙时长和每个时隙中用于节点数据发送的时长；si为节点数据采集速率；C(l)为信道带宽；Pmax表示节点硬件所允许的最大传输功率；Einit表示节点的初始能量；Pin分别表示节点的数据码率和传输功率；N表示TDMA一帧(frame)中所包含的时隙数量；ψi、分别表示节点用于数据发送与接收的时隙集合；步骤(2)、执行迭代算法，所包含如下的具体处理：算法初始化，以标准TDMA传输方案作为网络初始传输方案，即为每个节点分配同等数量的时隙，节点在所分配的时隙进行数据传输，在其它时隙接受数据或休眠，步骤(21)；对网络中传感器节点的传输功率、数据码率实现网络链路调度的跨层的联合优化，步骤(22)；若当前迭代下求解出的网络生命周期值大于上次迭代的值，执行步骤(23)，否则执行步骤(24)；更新链路调度，在当前链路调度下，求解网络生命周期最大化模型获得最优的节点数据码率、传输功率方案，步骤(23)；该步骤具体处理如下：首先求解出节点在固定数据负载量条件下的最优时隙分配数量其表达式如下：niopt=ln2·Σj=1JixijB3dB(lij)·Ttran]]>其中，Ji表示节点i的用于数据发送的传输链路数量；xij、lij分别为链路(i,j)的数据负载量和地理长度；B3dB为链路的系统带宽；其次，选择当前迭代下生存时间理论值最小的节点imin，对其所分配的时隙数量nimin进行更新，公式如下：nimin=nimin+1ifnimin≤niminoptnimin-1ifnimin>niminopt]]>最后，选择另一个节点jsel，对其所分配的时隙数量njsel进行更新，公式如下：njsel=njsel-1ifnimin≤niminoptnjsel+1ifnimin>niminopt]]>所选择的节点jsel需满足在更新后，其理论生存时间应高于当前迭代下的网络生命周期值，即上述链路调度更新后，当前迭代下的网络生命周期值大于或等于上次迭代的理论值；是否要重复链路调度？若更新后的链路调度方案未在此前迭代中出现，则重复链路调度，执行下次迭代，转至步骤(22)；否则，将上一次迭代的网络传输方案作为最优方案，退出算法，步骤(24)。