一种基于节点状态的多维无线传感网络容量测算方法

摘要

一种基于节点状态的多维无线传感网络容量测算方法，定义无线传感网络生存时间内所能传输的最大信息量为网络容量，其中包括网络信道信噪比模型、网络节点能量消耗模型、网络生存时间计算模型和图论模型，建立基于信噪比和网络生存时间的多维网络容量计算模型；使用Grover算法进行优化控制使得多维网络容量计算模型逼近网络容量上限，得到多维无线传感网络容量。本发明提供一种综合考虑信噪比和网络生存时间两维信息的基于节点状态的多维无线传感网络容量测算方法。

主权项

一种基于节点状态的多维无线传感网络容量测算方法，其特征在于：所述测算方法包括以下步骤：1)建立基于信噪比和网络生存时间的多维网络容量计算模型，过程如下：假设在网络初始时刻，每个节点的能量都相同为一个定值E₀，那么，时刻t节点k的剩余能量E_k(t)随时间变化函数关系式表示如下：E_k(t)＝E₀‑k₁E_Tx‑k₂E_Rx‑k₃(E_Tx+E_Rx)其中，E_Tx表示发送者能量消耗，E_Rx表示接收者能量消耗，k₁表示k节点作为发送节点发送信息的次数，k₂表示k节点作为接收节点接收报文的次数，k₃表示k节点作为中间节点转发报文的次数；以网络中第一个节点因能量消耗退出网络的时间定义网络生存时间，生存时间T数学模型表达式如下所示：$\left\{\begin{array}{c}\min T\\ \min E_i\left(T\right)=0\end{array}\right.$minE_i(T)＝0表示网络中第一节点能量消耗完，同时，网络第一个节点消耗完的最初始时间minT为网络生存时间；考虑网络生存时间和信道信噪比两个维度的信息，状态矢量函数信道信噪比指标α_ik，网络生存时间指标β_ik通过如下过程计算得到：$\left\{\begin{array}{c}{\alpha }_{\mathrm{ik}}=\frac{P_k\left(t\right){\gamma }_{\mathrm{ki}}\left(t\right)}{\eta +\underset{i\ne k}{\Sigma }{P}_k\left(t\right){\gamma }_{\mathrm{ki}}\left(t\right)}\\ {\beta }_{\mathrm{ik}}=\min \{E_i\left(t\right),E_k\left(t\right)\}\end{array}\right.$P_k(t)表示时刻t节点k的发送功率，γ_ki(t)表示时刻t两个节点间即节点i和节点k之间的信道增益，η表示网络中的环境噪声功率，E_i(t)表示时刻t节点i的剩余能量，E_k(t)表示时刻t节点k的剩余能量；无线传感网络是由移动节点组成的动态网络，时刻t网络中节点i和节点j之间的距离l_ij(t)通过下式表示：l_ij(t)＝||X_i(t)‑X_j(t)||如果两节点间直接通信距离为R，发送节点与接收节点之间的距离大于阈值R，必须通过中间节点转发信息才能通信，定义网络节点连通性矩阵G(t)＝(g_ij(t))_N×N：$g_{\mathrm{ij}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& 0<l_{\mathrm{ij}}\left(t\right)\le R\\ \infty & l_{\mathrm{ij}}\left(t\right)>R\end{array}\right.$当源节点s向目的节点d发送c_s个单位数据时，它们的信息传送路径通过0‑1变量表示，0‑1变量的含义如公式：源节点s向目的节点d成功发送数据时必须满足图论中的通路约束，即从源节点s出发到目的节点d终止，数学表达式如下所示：$\left\{\begin{array}{c}\underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{si}}{g}_{\mathrm{si}}-\underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{is}}{g}_{\mathrm{is}}=1\\ \underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{di}}{g}_{\mathrm{di}}-\underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{id}}{g}_{\mathrm{id}}=-1\\ \underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{ji}}{g}_{\mathrm{ji}}-\underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{ij}}{g}_{\mathrm{ij}}=0,j\ne s,j\ne d\end{array}\right.$说明从源节点s有信息发出来，说明有信息送达到目的节点d，说明除了源节点s和目的节点d外，其他节点仅作信息转发，不作为源节点和目的节点；除此之外，链路作为传送路径的组成部分时，还必须满足信噪比的要求和节点剩余能量的要求，数学表达式如下所示：$\left\{\begin{array}{c}{\alpha }_{\mathrm{ij}}{x}_{\mathrm{ij}}\ge \chi \\ {\beta }_{\mathrm{ij}}{x}_{\mathrm{ij}}>0\end{array}\right.$α_ijx_ij≥χ说明链路满足基本的信噪比要求，其中α_ij表示链路信道信噪比指标，χ表示间正常通信时所需的信噪比阈值，β_ijx_ij＞0说明链路两端的节点能量都大于零，β_ij表示链路网络生存时间指标；基于信噪比和网络生存时间的多维网络容量计算模型表示如下：$\begin{array}{c}\max \Sigma c_s\\ \left\{\begin{array}{c}\underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{si}}{g}_{\mathrm{si}}-\underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{is}}{g}_{\mathrm{is}}=1\\ \underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{di}}{g}_{\mathrm{di}}-\underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{id}}{g}_{\mathrm{id}}=-1\\ \underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{ji}}{g}_{\mathrm{ji}}-\underset{i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{ij}}{g}_{\mathrm{ij}}=0,j\ne s,j\ne d\\ {\alpha }_{\mathrm{ij}}{x}_{\mathrm{ij}}\ge \chi \\ {\beta }_{\mathrm{ij}}{x}_{\mathrm{ij}}>0\\ E_k\left(t\right)=E_0-k_1{E}_{\mathrm{Tx}}-k_2{E}_{\mathrm{Rx}}-k_3(E_{\mathrm{Tx}}+E_{\mathrm{Rx}})\end{array}\right.\end{array}$max∑c_s表示网络生存时间内所能传输的最大信息量；2)测算网络容量：使用Grover算法进行优化控制使得多维网络容量计算模型逼近网络容量上限，得到多维无线传感网络容量。