專利名稱：異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于能耗均衡的數(shù)據(jù)收集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體涉及異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于能量均衡的數(shù) 據(jù)收集方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一系列的自治的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器之間相互合作完成任 務(wù)，其中最基本的任務(wù)是感知某些物理環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將感知數(shù)據(jù)收集起來處理、分析完成 指定的任務(wù)。在國際國內(nèi)無線傳感器技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、生態(tài)學(xué)、心理學(xué)、社會關(guān)系 學(xué)、建筑學(xué)、植物學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，如老年人的看護(hù)、天氣監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、機(jī)場入侵監(jiān)測等，其 都已成為經(jīng)典的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。經(jīng)過這幾年無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，目前無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)主要分為七個(gè)部分，無線網(wǎng)絡(luò)接入、網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)收集、 時(shí)鐘同步技術(shù)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)安全?，F(xiàn)階段無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遇到的最大技術(shù)瓶頸就之一就 是能量問題，此問題關(guān)系到系統(tǒng)的可用性、可靠性，還關(guān)系到系統(tǒng)成本問題。在節(jié)點(diǎn)定位的 時(shí)候考慮到定位的精確性的同時(shí)還要考慮到定位算法是否過于復(fù)雜消耗過多能量就是其 問題的例子。在大規(guī)模的傳感器節(jié)點(diǎn)的分布情況下，能量消耗的問題更加凸顯出來。現(xiàn)有 的數(shù)據(jù)收集策略如低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議并不能滿足當(dāng)前每種應(yīng)用的需求，因此針 對通用或特定用途的傳感器網(wǎng)絡(luò)策略需求越來越大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行數(shù)據(jù)收集策略時(shí)能量消耗不 均衡的問題，提出一種均衡能耗的數(shù)據(jù)收集方法，使整個(gè)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)達(dá)到能量消耗的最 均衡狀態(tài)，延長整個(gè)系統(tǒng)的生命周期，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更具有實(shí)用性。異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于能耗均衡的數(shù)據(jù)收集方法，將異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域均分為 η個(gè)環(huán)，該方法具體為各無線中繼節(jié)點(diǎn)采用單跳和多跳的混合方式將融合后的數(shù)據(jù)傳送
中， r為環(huán)寬度，m表示無線中繼節(jié)點(diǎn)接收來自m個(gè)無線傳感器的數(shù)據(jù)，1為無線傳感器每秒發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，e+。為無線中繼節(jié)點(diǎn)接收或發(fā)送每比特?cái)?shù)據(jù)的電路損耗，eag為無 線中繼節(jié)點(diǎn)對每比特原始數(shù)據(jù)融合的能量消耗，eTwoEay為無線中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射每比特?cái)?shù)據(jù)的 能量消耗，Rrelay為無線中繼節(jié)點(diǎn)在多跳方式下的通信半徑。本發(fā)明在算法設(shè)計(jì)方面根據(jù)兩種不同的情況，提出了兩種最優(yōu)策略。兩種策略在 不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件與應(yīng)用需求下，考慮中繼節(jié)點(diǎn)的能耗均衡，計(jì)算出最佳的單跳模式與 多跳模式時(shí)隙個(gè)數(shù)分配，預(yù)先配置傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)參數(shù)，然后按時(shí)序進(jìn)行單跳或 多跳工作，使系統(tǒng)達(dá)到能耗均衡的最佳效果與最長的生命周期。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)如下(1)通過單跳與多跳時(shí)隙混合的方式，很好的解決了單跳外層、多跳內(nèi)層節(jié)點(diǎn)過快 死亡的問題，有效的延長了整個(gè)系統(tǒng)的生命周期，降低系統(tǒng)成本。(2)始于節(jié)約能量的目的，通過均衡能耗的手段，無線中繼節(jié)點(diǎn)采用盡量減少其額 外開銷的單跳與多跳混合策略，既不通過冗余的運(yùn)算決定節(jié)點(diǎn)運(yùn)行模式、也無需依靠額外 的通信。此特性使得算法簡潔，與同類算法相比大大減少了額外開銷，達(dá)到能耗均衡與節(jié)約 能量的目的。


圖1是本發(fā)明中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭澐帧D2是中繼節(jié)點(diǎn)單跳與多跳時(shí)間關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)與基站節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)圍繞 著基站節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布。無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集，同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)至中繼節(jié)點(diǎn)；中繼節(jié) 點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)融合后發(fā)送至下一跳的中繼節(jié)點(diǎn)或基站；基站分析、處理接收的數(shù)據(jù)，完 成最終的任務(wù)。由于中繼節(jié)點(diǎn)的兩種工作方式不同，系統(tǒng)工作方式分為單跳模式與多跳模 式。在單跳模式下，中繼節(jié)點(diǎn)直接將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站；而在多跳模式下，中繼節(jié)點(diǎn)將 數(shù)據(jù)發(fā)送至下一跳的中繼節(jié)點(diǎn)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑手行膶ΨQ，可認(rèn)為其每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能 量消耗都是等價(jià)的，只考慮中繼節(jié)點(diǎn)的能耗均衡問題。本發(fā)明通過使用使整個(gè)系統(tǒng)中的中 繼節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)隙中采用單跳模式或多跳模式的方法來達(dá)到均衡能量消耗的目地。如圖1所示，本發(fā)明將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成η個(gè)環(huán)，每個(gè)環(huán)的寬度r相等，η ^ 2?；?位于所有環(huán)的中心，所有傳感器與中繼節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的分布在以基站為中心的各個(gè)環(huán)內(nèi)。為了 使得問題得到簡化，作如下假設(shè)，系統(tǒng)在單跳模式下，同一環(huán)的每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到基站的距離 是相同的；在多跳模式下，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)使用固定的通信半徑發(fā)送信息到下一跳。數(shù)據(jù)流量模型無線傳感器節(jié)點(diǎn)無間斷的發(fā)送數(shù)據(jù)，假定無線傳感器節(jié)點(diǎn)每秒發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為 l(bits)。無線中繼節(jié)點(diǎn)接收來自無線傳感器的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，每秒產(chǎn)生ls(bits) 數(shù)據(jù)，ls = m*l。無線中繼節(jié)點(diǎn)接收來自m個(gè)無線傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)。第k環(huán)任意無線中 繼節(jié)點(diǎn)每秒發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為Ik (bits)。在單跳情況下，由于中繼節(jié)點(diǎn)只接收來自無線傳感器的數(shù)據(jù)，傳感器與中繼節(jié)點(diǎn) 都是隨機(jī)分布，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)是同樣多的，因此每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)每秒發(fā)送到基站
4的數(shù)據(jù)同為ls(bits/s)。在多跳情況下，中繼節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分為兩部分1.發(fā)送本 地傳感器收集的數(shù)據(jù)，此部分發(fā)送的數(shù)據(jù)與單跳情況相同，即數(shù)據(jù)發(fā)送速率為ls(bits/s)。 2.轉(zhuǎn)發(fā)從上一跳接收到的數(shù)據(jù)，為了簡化模型，我們假定無線中繼節(jié)點(diǎn)任意一跳只達(dá)到相 鄰環(huán)內(nèi)，即第k+Ι環(huán)經(jīng)過一跳可到達(dá)第k環(huán)。那么第k環(huán)內(nèi)一個(gè)無線中繼節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)ρ 個(gè)第k+Ι環(huán)內(nèi)無線中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，ρ即是第k+Ι環(huán)與第k環(huán)無線中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量之比。 因?yàn)闊o線中繼節(jié)點(diǎn)在整個(gè)區(qū)域是隨機(jī)分布的，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量之比即區(qū)域面積之比。建立如 下流量模型， π為圓周率。從上式我們可看出越靠近基站的無線中繼節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量越 大，即I1彡I2彡I3彡…彡Ilri彡1η。能量模型整個(gè)系統(tǒng)可看作是中心對稱的，因此所有節(jié)點(diǎn)的能量消耗與節(jié)點(diǎn)所在角度是無關(guān) 的。所有無線中繼節(jié)點(diǎn)的初始能量是相同的，記為Ε。在單跳模型與多跳模型中，無線中繼 節(jié)點(diǎn)能量消耗模型有少許差別。單跳情況中，無線中繼節(jié)點(diǎn)能量消耗的分為三部分。(1)接收來自無線傳感器的感知數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的能量消耗，記為Er(J/s)。 eelec(J/bit)為接收或發(fā)送信號的電路損耗。(2)數(shù)據(jù)融合所消耗的能量，記為Eag (J/s)。Eag = eag*m*leag(J/bit)為每bit原始數(shù)據(jù)融合消耗能量。(3)將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站所消耗的能量，記為ETrans (J/s)。Elrans = (eelec+eTw。Kay*d4)*m*ld為中繼節(jié)點(diǎn)到基站的距離，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射每bit的信號需要eTw。Kay(J/bit*m4)的 能量°綜上所述，單跳情況下能量總消耗式為，ESingle_hop = eelec*ml+eag*ml+(eelec+eTwoKay*d4)*ml在多跳模式下，無線中繼節(jié)點(diǎn)的能量消耗模型與單跳模式有少許不同，下面我們 將多跳模式下無線傳感器能量消耗分成五部分。(1)接收來自無線傳感器的感知數(shù)據(jù)產(chǎn)生的能量消耗。Er = eelec*m*l(2)處理感知數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)融合消耗的能量。 (3)將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到下一跳，這里與單跳情況有所不同，在此情況下節(jié)點(diǎn)通 信半徑是固定的，記為RMlay。 (4)以上三部分與單跳情況基本相同，多跳模式不僅僅要完成以上三部分工作，還
需要額外完成另外兩部分。接收上一跳無線中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
E
R-extra
=(Ik-Is)^eelec (5)將上一跳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到下--跳。
E=(1 -I )*(e +e *R
Trans-extra V k s ‘ V elec TwoRay relay
* P4 )
綜上所述，在多跳模式下節(jié)點(diǎn)能量總消耗為，
E,
jMidti-Hop
= edec ^ml +eag * ^+ (^ekc +eTwcRay U^1 +edJh+eTwcRay ^ KlayXh ~ls)
O^Vh Zvn、_1^~ΓΤ"·肀丄/A一 Ak Θ JUU Ayr--M-.、 ΓΠ 4-cr M-T^ f=t I-L_L Ι ΓΤΠ -ΤΤ /Λ- Ν,-L A接下來將敘述兩種均衡能量的策略。其核心思想是在不同時(shí)間段系統(tǒng)決策應(yīng)用單 跳或多跳模式，克服只用單跳模式或多跳模式的能耗不均衡問題，達(dá)到能耗均衡的目地。整 個(gè)區(qū)域是中心對稱的。根據(jù)數(shù)據(jù)流量模型與能量模型，計(jì)算出單跳與多跳情況下第k環(huán)上 無線中繼節(jié)點(diǎn)的能量消耗，分別記為Sk，Mk。在整個(gè)系統(tǒng)生命周期內(nèi)，第k環(huán)上某中繼節(jié)點(diǎn) 消耗的能量記為Ek = Sk*ts+Mk*tm，ts，tm分別代表系統(tǒng)運(yùn)行單跳模式與多跳模式的時(shí)間。策略一有時(shí)整個(gè)系統(tǒng)中某些無線中繼節(jié)點(diǎn)損壞而系統(tǒng)仍能運(yùn)行，而且能具體衡量多少節(jié) 點(diǎn)的損壞使得系統(tǒng)崩潰。此時(shí)應(yīng)使得每個(gè)無線中繼節(jié)點(diǎn)能量消耗盡量相同，因此應(yīng)使得各
個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗值的方差取得最小值，即使 (玄-盡)2最小，其中玄」 盡。前面條件
k=\ n k=\
η FFt
等價(jià)于Σ (廠最小，另ρ = f代入上式得，
k=\ mmm
η T^ T^η λ η/(ρ) = Σ (「_ f)2 = Σ [— Σ 以*P+Mi)-(Sk*p+Mk)f,{\6)
k=\ tm tm k=l η i=l顯然這是關(guān)于P的多項(xiàng)式，另f' (P) =0，得f(P)取得最小值時(shí)，
η λ ηι η
p = _k=i η =ι_HJ^1_ Π7)
‘η \ η
k=\ η '-ι此時(shí)系統(tǒng)中無線中繼節(jié)點(diǎn)能量消耗達(dá)到最均衡。策略二在這種情況下，系統(tǒng)生命周期被定義為系統(tǒng)中第一個(gè)無線中繼節(jié)點(diǎn)能量耗盡經(jīng)過 的時(shí)間。每個(gè)環(huán)內(nèi)無線中繼節(jié)點(diǎn)都有自己的生命周期，如單跳情況下，第k個(gè)環(huán)中的無線中 繼節(jié)點(diǎn)的生命周期為tk = E/Sk。其中tk為第k個(gè)環(huán)內(nèi)無線中繼節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，E為無線 中繼節(jié)點(diǎn)的初始能量。系統(tǒng)在ts時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行單跳模式工作，在tm時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行多跳模式 工作。由于每個(gè)無線中繼節(jié)點(diǎn)初始能量為固定的，所以任何圈內(nèi)的任何節(jié)點(diǎn)消耗能量不會 超過 E，即 Ek < E，Sk*Ts+Mk*TM < Ε, k e (1，n)。將上式展開， 單跳情況下，越遠(yuǎn)離中央的節(jié)點(diǎn)消耗能量就更快，即S1 < S2 < S3 < . . . < Sn。多
、M1-'KM2E2M3氺tS t _ m _—E3AA_跳情況下剛好相反，即M1 > M2 > M3 > . . . > Mn。且對于同一模型，S1 < M^ Sn > Mn。將上 式表示為如圖2所示。直線k與坐標(biāo)軸圍成的范圍是(ts，tm)滿足條件的范圍。要同時(shí)滿足所有環(huán)的能 耗條件，因此取其交集，即(ts，tm)必須取在四邊形AQBO之中。又因?yàn)镾1 < M1, Sn > Mn，則 Ii1 < 1、kn > 1，那么Tmax必在Q點(diǎn)取到。
在系統(tǒng)運(yùn)行前將中繼節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間分成多個(gè)時(shí)隙，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇以上兩種 策略中的一種計(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)行單跳模式與多跳模式的工作時(shí)間比例配置工作時(shí)隙，具體配 置方式不作限定，可將單跳工作時(shí)隙安插在多跳工作時(shí)隙之間，也可先單跳再多跳，或者先 多跳再單跳。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，所有中繼節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一按照設(shè)定好的工作模式進(jìn)行單跳或多跳模 式的工作。傳感器節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)后，傳輸給中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，后者根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)模式 將融合后的數(shù)據(jù)直接或間接的發(fā)送到基站，最后由基站完成指定的任務(wù)。
權(quán)利要求
異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于能耗均衡的數(shù)據(jù)收集方法，將異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域均分為n個(gè)環(huán)，該方法具體為各無線中繼節(jié)點(diǎn)采用單跳和多跳的混合方式將融合后的數(shù)據(jù)傳送給基站，單跳與多跳的時(shí)隙比為其中，Si＝eelec*m*l+eag*m*l+[eelec+eTwoRay*(ir)4]*m*l ， <mrow><msub> <mi>M</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>e</mi> <mi>elec</mi></msub><mo>*</mo><mi>m</mi><mo>*</mo><mi>l</mi><mo>+</mo><msub> <mi>e</mi> <mi>ag</mi></msub><mo>*</mo><mi>m</mi><mo>*</mo><mi>l</mi><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>e</mi><mi>elec</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>e</mi><mi>TwoRay</mi> </msub> <mo>*</mo> <msubsup><mi>R</mi><mi>relay</mi><mn>4</mn> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><mi>m</mi><mo>*</mo><mi>l</mi><mo>+</mo><msub> <mi>e</mi> <mi>elec</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>l</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>l</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>e</mi><mi>elec</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>e</mi><mi>TwoRay</mi> </msub> <mo>*</mo> <msubsup><mi>R</mi><mi>relay</mi><mn>4</mn> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>l</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>l</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>ls＝m*l， <mrow><msub> <mi>l</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>&pi;</mi><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mi>&pi;</mi><msup> <mi>i</mi> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow> <mrow><mi>&pi;</mi><msup> <mi>i</mi> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mi>&pi;</mi><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>*</mo><msub> <mi>l</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>l</mi> <mi>s</mi></msub><mo>,</mo> </mrow>r為環(huán)寬度，m表示無線中繼節(jié)點(diǎn)接收來自m個(gè)無線傳感器的數(shù)據(jù)，l為無線傳感器每秒發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，eelec為無線中繼節(jié)點(diǎn)接收或發(fā)送每比特?cái)?shù)據(jù)的電路損耗，eag為無線中繼節(jié)點(diǎn)對每比特原始數(shù)據(jù)融合的能量消耗，eTwoRay為無線中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射每比特?cái)?shù)據(jù)的能量消耗，Rrelay為無線中繼節(jié)點(diǎn)在多跳方式下的通信半徑。FDA0000024266320000011.tif
全文摘要
本發(fā)明公開了異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于能耗均衡的數(shù)據(jù)收集方法，無線中繼節(jié)點(diǎn)采用單跳和多跳的混合方式將融合后的數(shù)據(jù)傳送給基站，單跳和多跳的時(shí)隙分配方法充分考慮了無線中繼節(jié)點(diǎn)的能耗均衡，克服只用單跳模式或多跳模式的能耗不均衡問題，達(dá)到能耗均衡、提高網(wǎng)絡(luò)生命周期、降低網(wǎng)絡(luò)成本的目地。
文檔編號H04W84/18GK101909349SQ201010248720
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者余辰, 姚德中, 李熙, 金海 申請人:華中科技大學(xué)