多級能量異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡部署方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于多級能量異構(gòu)的網(wǎng)絡部署方法。在網(wǎng)絡模型建立階段，本發(fā)明構(gòu)建一個節(jié)點隨機分布、均勻成簇的圓形分層網(wǎng)絡模型，采用Leach算法選舉臨時簇頭，隨后分析了網(wǎng)絡節(jié)點采用隨機分布的方式對網(wǎng)絡中各個簇規(guī)模差異的影響，提出簇規(guī)模平衡算法以均衡各個簇的節(jié)點數(shù)目，均衡簇頭能耗，臨時簇構(gòu)建完成。在數(shù)據(jù)路由階段，本發(fā)明考慮由Leach算法構(gòu)建的臨時簇存在的問題，在臨時簇中重新選舉正式簇頭，進一步優(yōu)化網(wǎng)絡路由路徑，然后根據(jù)簇頭的剩余能量以及簇頭間距離選擇最優(yōu)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點。在最后網(wǎng)絡實施部署階段，本發(fā)明基于網(wǎng)絡模型、能耗模型、以及路由選擇，精確計算網(wǎng)絡中各處位置的能量消耗速率，利用整數(shù)規(guī)劃思想，最終完成初始的多級能量異構(gòu)的網(wǎng)絡部署，確定網(wǎng)絡中N個節(jié)點的具體部署位置。
【專利說明】
多級能量異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡部署方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡中能量空洞避免策略的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于多級 能量異構(gòu)的網(wǎng)絡部署和路由方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年，無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)在學術(shù)科研、工業(yè)生 產(chǎn)、軍事國防等領(lǐng)域的普遍應用為人們的日常生活帶來了極大的方便和好處，然而WSNs的 能量有限性、以及較低的能量利用效率都極大地制約了它的發(fā)展。因此，如何有效地緩解能 量空洞問題(Energy Ho 1 e)已成為一個研究熱點。而網(wǎng)絡的部署是WSNs的基礎(chǔ)，WSNs中的部 署方法決定了網(wǎng)絡整體性能的優(yōu)劣，優(yōu)化的部署方式可有效緩解能量空洞問題。
[0003] 目前，已有的基于不同部署方式的無線傳感器網(wǎng)絡能量空洞避免方法主要有以下 幾種：
[0004] 1)節(jié)點非均勻分布策略。在采取多跳傳輸?shù)腤SNs環(huán)境內(nèi)，能量空洞的產(chǎn)生是由于 鄰近sink區(qū)域的節(jié)點能量開銷過快導致的，而非均勻分布策略正是針對這個問題，在能量 開銷大的區(qū)域?qū)仓玫墓?jié)點數(shù)量也增大，使得投入到用來中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)中的節(jié)點數(shù)增 多。Lian J等人提出節(jié)點非均勾分布策略，即在無線傳感器網(wǎng)絡中，根據(jù)節(jié)點與sink之間的 距離值，對應調(diào)整節(jié)點的部署密度。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中，達到平衡"熱區(qū)"中原有節(jié)點的能量開 銷。Bulut E在節(jié)點非均勾分布的基礎(chǔ)上采用節(jié)點輪流睡眠方式來節(jié)約能量，既避免在節(jié)點 非均勻部署的系統(tǒng)中易出現(xiàn)的性能問題，即大量節(jié)點同時工作導致的信號干擾、相互沖突 以及信息重復。
[0005] 2)節(jié)點能量異構(gòu)策略。楊文國等提出異構(gòu)初始能量的策略，即在較易發(fā)生能量空 洞的位置部署擁有更高初始能量的節(jié)點，有效緩解能量空洞的發(fā)生。王向輝等人在初始階 段對能量進行異構(gòu)配置，并且基于網(wǎng)絡中各節(jié)點的能量分布狀況選舉簇頭節(jié)點。當監(jiān)測區(qū) 域能量分布均衡時，主要以降低該區(qū)域的能量消耗為目標重點，因此，優(yōu)先選舉那些具有相 對較少的平均通信能耗的節(jié)點為簇頭；當監(jiān)測區(qū)域能量差異性較明顯時，主要考慮該監(jiān)測 范圍內(nèi)的負載平衡，因此，會優(yōu)先選舉那些相對擁有較多剩余能量的節(jié)點作為簇頭。
[0006] 相比于節(jié)點非均勻分布的網(wǎng)絡部署方法，基于多級能量異構(gòu)的網(wǎng)絡部署方法，可 以在一定程度上避免節(jié)點非均勻分布的部署方法所帶來的信息大量冗余、以及網(wǎng)絡覆蓋不 全的問題。但是這種僅優(yōu)化部署的方式并不能有效提升網(wǎng)絡能耗均衡性、以及大幅度地提 升網(wǎng)絡生命周期。因為無論哪種部署方式，網(wǎng)絡中的簇頭節(jié)點和成員節(jié)點間的能耗不均衡 性都依然存在，各個簇頭間的能耗也不均衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡能量空洞避免方法的不足，提出了基于多級能量 異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡部署方法。該方法基于網(wǎng)絡模型、能耗模型、以及路由選擇，精確計 算網(wǎng)絡中各處位置的能量消耗速率，結(jié)合整數(shù)規(guī)劃思想，最終完成多級能量異構(gòu)的網(wǎng)絡部 署方案。有效地延長了網(wǎng)絡壽命、緩解了能量空洞問題。該方法包括簇拓撲結(jié)構(gòu)的建立和網(wǎng) 絡部署兩個階段，具體步驟如下：
[0008] 1)簇拓撲結(jié)構(gòu)的建立。本發(fā)明簇拓撲結(jié)構(gòu)的建立包括臨時簇構(gòu)建、簇規(guī)模優(yōu)化的 實現(xiàn)以及正式簇頭的選舉三個部分。首先進行臨時簇構(gòu)建完成后，根據(jù)公式
章出閾值T，1/P輪內(nèi)未競選過簇頭的節(jié)點生成一個隨機數(shù)D rand，隨機數(shù) 滿足0<Drand< 1，當Drand<T時，節(jié)點競選為臨時簇頭。根據(jù)公式
計 算鄰居簇的成員節(jié)點數(shù)目均值;若No>Nave3r，則臨時簇頭觸發(fā)反饋機制，啟動簇規(guī)模平衡算 法，對于每個鄰居簇Q，找出距離Q最近的Na。⑴個節(jié)點，將其補償給G，并更新補償節(jié)點的 臨時簇頭ID。簇規(guī)模平衡方法如圖1所示。根據(jù)公￥
計算節(jié)點被選舉成為簇頭的概率。最終，完成簇拓撲結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。
[0009] 2)網(wǎng)絡部署。本發(fā)明的網(wǎng)絡部署階段包括數(shù)據(jù)傳輸路由和能量消耗速率計算兩個 部分。數(shù)據(jù)傳輸路由部分，本發(fā)明中普通成員節(jié)點采集到數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到自己所 雇的銪I書占.由銪I書占講桿融合々卜理后，轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳中繼簇頭節(jié)點，由公式
出下一跳中繼簇頭的選取概率，選擇一個可以 使傳輸距離總和相對較短、且當前剩余能量較高的簇頭節(jié)點為下一跳中繼簇頭，數(shù)據(jù)傳輸 過程如圖2所示；能量消耗速率分析部分，本發(fā)明中將節(jié)點分為普通成員節(jié)點、最外層簇頭 節(jié)點、內(nèi)層簇頭節(jié)點，分別計算其在單位生命周期內(nèi)所消耗的能量，即能量消耗速率。結(jié)合 整數(shù)規(guī)劃思想，完成網(wǎng)絡優(yōu)化部署。
[0010] 本發(fā)明的有益效果主要有以下幾點：1)本發(fā)明在構(gòu)建簇拓撲結(jié)構(gòu)階段，提出簇規(guī) 模平衡算法，生成最優(yōu)化的網(wǎng)絡拓撲，使得網(wǎng)絡中的各個簇頭能耗更加均衡。2)本發(fā)明在數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段，優(yōu)化路由路徑選擇，同時考慮兩個要素:發(fā)送端簇頭、接收端簇頭、sink三者之 間的距離關(guān)系比值以及各個簇頭的當前剩余能量比值，以此降低網(wǎng)絡通信能耗，提高網(wǎng)絡 能量利用效率。3)本發(fā)明網(wǎng)絡部署階段，基于網(wǎng)絡模型、能耗模型、以及路由選擇，精確計算 網(wǎng)絡中各處位置的能量消耗速率。結(jié)合整數(shù)規(guī)劃思想，完成多級能量異構(gòu)部署。使得網(wǎng)絡各 處能耗水平更加均衡，有效緩解能量空洞問題。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明流程圖。
[0012]圖2為本發(fā)明的數(shù)據(jù)傳輸示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明的網(wǎng)絡模型示意圖。
[0014]圖4為本發(fā)明的簇規(guī)模平衡方法示意圖。
[0015] 圖5為網(wǎng)絡性能對比圖。
【具體實施方式】
[0016] 1)網(wǎng)絡初始化
[0017] 圖3為網(wǎng)絡模型示意圖，網(wǎng)絡從內(nèi)到外共分為m層圓環(huán)，分別為CAL Cm，每層圓環(huán) 寬度相等，半徑分別為rmL rm，且r2_ri =…= rm-rm-i = d，d為環(huán)的寬度，滿足d = R/m，即ri =d，r2 = 2dL rm=md。網(wǎng)絡中總節(jié)點數(shù)目共計有N個，Ni、Si分別表示分布在第i層中的節(jié)點 個數(shù)以及該圓環(huán)面積大小。各圓環(huán)中均勻成簇，N C1表示i層圓環(huán)中包含的簇的總數(shù)目。由于 節(jié)點大量且隨機的部署方式，即可假定網(wǎng)絡中節(jié)點理論上是均勻分布的，密度為P。
[0018] 具體模型為：
[0019] ①假設(shè)有N個節(jié)點隨機播撒在半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)的N個位置，在部署之后保持 固定不動，并且sink位于中心地帶。
[0020] ②網(wǎng)絡中節(jié)點能量是異構(gòu)的，可選擇多種不同帶電量的節(jié)點，且它還擁有獲得自 身的當前剩余能量Er的能力。
[0021] ③無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的無線發(fā)射功率可調(diào)，就是說節(jié)點能夠依據(jù)其與接收端 之間的距離來調(diào)整它自身的消息發(fā)射功率。
[0022] ④每個節(jié)點的工作性質(zhì)都具有獨立性，即每一個節(jié)點在網(wǎng)絡工作的全程都是保持 互不干擾的狀態(tài)。
[0023]⑤網(wǎng)絡工作時間以周期為單位計算，在一個工作周期內(nèi)網(wǎng)絡中的每個節(jié)點均要完 成對自己所負責監(jiān)控目標的數(shù)據(jù)收集任務，并將所收集到的數(shù)據(jù)包發(fā)送到sink。
[0024] ⑥Sink擁有相對普通節(jié)點來說，更強大的運算、數(shù)據(jù)存儲等能力，并且能量十分充 裕。
[0025] ⑦傳感器節(jié)點被組織成簇，各簇的簇頭在完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集任務后，以簇間多跳 的通信模式向sink傳送數(shù)據(jù)。
[0026] 2)計算簇半徑的取值范圍
[0027]本發(fā)明為了保證網(wǎng)絡的全覆蓋，已有研究證實以均勻成簇為前提，簇頭其數(shù)量的 下線等亍 ，簇頭數(shù)量的上線等?
。其中| |Α| I為監(jiān)測區(qū)域的面積， 為簇半徑。
[0028]簇半徑r。的最大值為：C ;簇半徑r。的最小值為:1*。= (1/3。
[0029] 3)臨時簇構(gòu)建。簇規(guī)模平衡方法示意圖如圖4所示。
[0030]①首先進行臨時簇構(gòu)建完成后，根據(jù)公另
?出閾值T，l/P輪 內(nèi)未競選過簇頭的節(jié)點生成一個隨機數(shù)Drand，隨機數(shù)滿足0<Drand<l，當D rand<T時，節(jié)點競 選為臨時簇頭。
[0031 ]②根據(jù)公式 I計算鄰居簇的成員節(jié)點數(shù)目均值； )
[0032]③若No>Naver，則臨時簇頭觸發(fā)反饋機制，啟動簇規(guī)模平衡算法，并計算本地簇內(nèi) 成員節(jié)點數(shù)目和平均值的差值:Nredundant (Ο) = N〇-Naver;
[0033] ④執(zhí)行遍歷操作，如果鄰居簇的節(jié)點數(shù)Ni<Nave3r,則將其加入補償集CC，計算其缺 失的節(jié)點數(shù)為:Ni ac；k (i) = Naver-Ni;
[0034] ⑤將補償集CC中的元素按照Nlac；k(i)的值大小降序排列，其順序作為補償順序，等 待本地簇的補償；
[0035] ⑥根據(jù)公￥ 計算本地簇可以分給CC集合中每個 鄰居簇的節(jié)點數(shù)目；
[0036] ⑦一次遍歷CC集合中的所有鄰居簇，對于Nlac；k( i)值較大的鄰居簇優(yōu)先補償，對于 每個鄰居簇G，找出距離G最近的Na。⑴個節(jié)點，將其補償給G，并更新補償節(jié)點的臨時簇頭 ID〇
[0037] 4)正式簇構(gòu)建 [0038]①選擇候選簇頭集合
[0039]定義選舉簇頭的能量下限Efi。。!·，臨時簇頭在選舉正式簇頭時，只有成員的當前能 量值比Eflcmr高時，才有資格加入候選集合中，參加競選。
[0040] ②選舉正式簇頭
[0041] 定義PCH為候選簇頭集合中節(jié)點成為簇頭的機會因子，PCH的取值和以下三要素密 切相關(guān):該節(jié)點當前所剩的能量大小、與簇內(nèi)其他成員相隔的距離均值、與sink之間的距離 大小。Ρ(?的計算公式為：
[0042]
[0043] 5)數(shù)據(jù)路由一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)
[0044]①首先，將與sink的距離小于當前簇與sink之間的距離的簇頭加入候選中繼集合 j.c〇
[0045] ②其次，要同時將各個簇頭之間的傳輸距離以及它們的當前能量比值這倆要素考 慮在內(nèi)，從j.c集合內(nèi)選取中繼簇頭。即：
[0046]
[0047] 6)節(jié)點能耗速率分析
[0048]①本發(fā)明首先將網(wǎng)絡內(nèi)的能量消耗類型分類，包括五種類型：簇內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)的能 量消耗;簇內(nèi)接收數(shù)據(jù)的能量消耗;簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合的能量消耗;簇間接收數(shù)據(jù)的能量消耗； 簇間發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗。
[0049]②然后將節(jié)點類型分為:普通成員節(jié)點、最外層簇頭節(jié)點、內(nèi)層簇頭節(jié)點。分別分 析其能量消耗情況。
[0050]普通成員節(jié)點:僅負責將感知的信息發(fā)送到自己所屬的簇頭，因此，其能耗計算結(jié) 果如下所示：
[0051]
[0052] 最外層簇頭節(jié)點：要負責接收簇內(nèi)成員節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)，對其進行數(shù)據(jù)融合，再 將處理完的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱惶仡^。因此，其能耗計算結(jié)果如下所示：
[0053]
[0054] 內(nèi)層簇頭節(jié)點:要負責收集簇內(nèi)數(shù)據(jù)、以及融合處，收集簇間數(shù)據(jù)，并將處
[0055] 理完的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱惶仡^。因此，其能耗計算結(jié)果如下所示：
[0056]
[0057] ③計算節(jié)點能耗速率。
[0058] 7)完成網(wǎng)絡部署。最終目標為在給定的構(gòu)建成本以內(nèi)最大化網(wǎng)絡的生命周期，即： maxi。所求解為節(jié)點i是否部署在位置j處。即：
[0059]
[0060]并且受以下條件所約束：
[0061]
[0062]
[0063]
[0064]
[0065]
[0066] 最終得到網(wǎng)絡中各處位置的能量消耗速率排列，以及各節(jié)點帶電量大小的排序。 將兩個集合一一映射，最終求得的取值，即，確定網(wǎng)絡部署。
[0067]本發(fā)明與和LEACH、NDS、LBCA三個算法進行比較分析，網(wǎng)絡的性能比較結(jié)果如圖5 所示，從圖5可以看出本發(fā)明的網(wǎng)絡生命周期和能耗均衡性較優(yōu)于其他三種方法。
【主權(quán)項】
1. 網(wǎng)絡的部署方式是無線傳感器網(wǎng)絡的基礎(chǔ)，會影響網(wǎng)絡整體性能的優(yōu)劣，其中包含 網(wǎng)絡的能量利用率、網(wǎng)絡生命周期等性能指標。為了提升網(wǎng)絡生命周期，多級能量異構(gòu)的無 線傳感器網(wǎng)絡部署及路由方法，其特征在于提出了基于各個節(jié)點的能量消耗速率而實現(xiàn)的 能量異構(gòu)部署方法。2. 根據(jù)權(quán)利1所述的多級能量異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡部署方法，其特征在于網(wǎng)絡模型 的建立:基于能耗模型、路由選擇，計算網(wǎng)絡各處節(jié)點能量消耗速率后，結(jié)合整數(shù)規(guī)劃思想 來優(yōu)化網(wǎng)絡的節(jié)點部署。3. 根據(jù)權(quán)利1所述的多級能量異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡部署方法，其特征在于在構(gòu)建簇 結(jié)構(gòu)階段，采用簇規(guī)模平衡算法來調(diào)節(jié)各簇規(guī)模的大小，優(yōu)化簇結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H04W84/18GK105898764SQ201610370609
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】彭艦, 謝琳, 劉唐, 徐文政, 黎紅友, 陳瑜, 寧黎苗, 李夢詩, 黃飛虎
【申請人】四川大學