一種wsn中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法
2023-06-26 06:32:56
專利名稱：一種wsn中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感網絡技術領域，特別是涉及一種WSN中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法。
背景技術：
無線傳感器網絡是由大量能量受限的、具備數據採集處理能力和無線通信能力的智能節點構成的自組織通信網。無線傳感器網絡適用於在火災監視、災害預警等應用場景中使用，而這些應用目標往往對數據收集的時延有一定得需求，數據須在一個規定的時間內傳送到數據匯聚節點，才能保持數據的新鮮度，使得數據匯聚節點能對網絡中的信息做出及時可靠的處理。又因無線傳感器網絡節點能量受限，故如何減少網絡能耗，延長網絡工作時間，同時有效完成數據採集任務，一直是無線傳感器網絡中重要的議題。數據採集是無線傳感網布設的主要目標，根據算法對應拓撲結構的不同，可以分成三類一是基於簇結構的拓撲構建；二是基於鏈式結構的拓撲構建；三是基於樹結構的拓撲構建。在樹狀拓撲結構中，所有節點以數據匯聚節點為樹的根節點構建，各個節點被分配成葉子節點，中繼節點等角色。每個節點有且僅有一個固定的路徑通往數據匯聚節點。由於路徑的唯一性，所以一旦拓撲確立，路徑就確立。實際上，從網絡的結構特點角度，網絡拓撲可更籠統的分成網狀拓撲和樹狀拓撲兩種形式。網狀結構的拓撲中，對於網絡中的源節點，可以有多種到達數據匯聚節點的路徑選擇，其傳輸路徑具備不唯一性，此種情況，易導致網絡中出現路由環路，路由空洞等。而且網絡中的節點需要根據當前網絡的狀況，發送尋路的控制信息，雖然網絡看似更加靈活，但其引來的MAC層擁塞，碰撞等問題解決起來也相對棘手。而樹狀結構網絡構建以後，即可確定網絡中任意節點到數據匯聚節點的路由，網絡拓撲穩定易控制。因此樹狀結構網絡在傳感網數據採集中具有極大的應用價值，佔據著獨立且重要的位置。但是現有的樹狀結構網絡並不是一個時延受限、能耗均衡的樹狀拓撲，因此各節點間存在通信幹擾，甚至不能準確把信息傳送到數據匯聚節點，而且網絡生命周期較短。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種WSN中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法，實現在最小化網絡總能量代價的同時，滿足數據實效性要求，均衡網絡中節點能
^^ ο本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種WSN中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法，包括以下步驟(1)數據匯聚節點根據已經獲得的網絡拓撲信息，計算能進行對稱網絡通信的節點對的權值；(2)數據匯聚節點使用最短路徑求解算法，計算網絡中所有節點到數據匯聚節點的最短加權路徑，所有最短加權路徑的集合即構成最小加權能耗生成樹；(3)找出最小加權能耗生成樹中不滿足網絡時延限制的節點，並對每個此類節點計算出一個相應的拓撲調整方案，作為候選拓撲調整方案；(4)找出所有的候選拓撲調整方案中對節點發射功率調整最小的方案，對生成樹進行重構；(5)判斷網絡中是否仍存在不滿足跳數限制的節點，若存在則返回步驟(3)，若不存在，則算法終止，此時對應的生成樹即是最終的網絡拓撲結果。所述步驟⑴中在計算對稱網絡通信節點對的權值時，使用節點剩餘能量、節點間距離信息作為邊權值的構造參數，以最小化節點對總能耗和最大化節點壽命為目標進行構建。所述步驟⑵中數據匯聚節點使用Dijkstra算法計算網絡中所有節點到數據匯聚節點的最短加權路徑。所述步驟(3)中在計算拓撲調整方案時只在不滿足網絡時延限制的節點到數據匯聚節點之間的最短路徑上進行調整。所述步驟(3)中計算出一個相應的拓撲調整方案時，以節點調整後的邊權值增幅和節點的當前負載量兩個因素作為指標。有益效果由於採用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果本發明適用於面向單數據匯聚(簡稱Sink)節點的所有節點周期上報數據應用，使用跳數的方式簡化表徵數據傳輸時延，同時對節點對的剩餘能量特徵進行考慮，這為算法的實際實施提供了簡單可靠的評估標準。同時本方法是在最小加權能耗生成樹的基礎上，以最小能耗增量的方式進行拓撲重構，能始終盡力維持全局拓撲的低能耗特性。本發明為集中式的拓撲構建方法，尤其對於節點布設密度較大的網絡場景，該方法更能發揮其均衡網絡能耗的特點。
圖1是本發明的流程圖；圖2是網絡部署情況示意圖；圖3是候選拓撲調整方案示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。本發明的實施方式涉及一種WSN中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法，該方法適應於無線傳感器網絡中的非融合數據匯聚應用，能用於小區域尺度的低功耗傳感器網絡，也可擴展用於大區域尺度的中高速與低功耗混合的傳感器網絡，同時也適用與這兩種尺度下的M2M應用。該方法通過構建以匯聚節點為根的樹狀網絡拓撲，規劃網絡中的數據包傳輸路徑，從而最大限度節省傳感器節點的能量，均衡網絡能量消耗，減少節點間的通信幹擾，在及時準確把信息傳送到匯聚節點的同時，達到延長網絡生命周期的目的。其具體步驟如圖1所示。以單Sink數據匯聚型網絡為例，Sink節點位置可處於網絡的邊緣或中心，當Sink 節點處於網絡邊緣時，如圖2所示，網絡中各節點周期性產生數據，數據以非融合的方式傳送。網絡中的傳感器節點功率可調，有最大發射功率的限定。網絡拓撲建立之前，網絡中各節點擁有一個預先設置好的ID號，假設網絡中數據匯聚節點，簡稱Sink節點，事先已經獲知網絡中其他節點的位置信息，網絡中各節點初始能量相同，並且節點在上傳數據的過程中，幀載荷中附帶自身的當前剩餘能量信息。網絡每運行一段時間由Sink節點根據搜集到的全網能量信息，對網絡拓撲進行重構，並下發全網。本實施例中對拓撲初始化構建時段和拓撲重構時段的Sink節點實施行為進行描述，此時Sink節點以集中式控制節點形式存在，整個實施行為包括四部分1)構建初始拓撲Sink節點創建數組集合集，包括集合S，空集合Hm用於存儲網絡中距離Sink節點跳數為T+1的節點，空集合A用於存儲候選調整節點；空集合P = (Pi Ii e S}，其中Pi表示第i個傳感器節點傳送單位數據到Sink所需經過的節點集合；集合L= ILiIi e S}，其中Li表示第i個傳感器節點的負載，鄰居節點集F= {f, | i e S}，其中fi是第i個傳感器節點的鄰居集合。若Sink節點內存中已經包含了上述集合信息，說明當前時段為拓撲重構階段， Sink節點在數據採集的過程中獲取了網絡中節點的位置及能量信息，此時可利用當前已經存在的數組集合集，無須重新創建；若Sink節點內存中無上述集合信息，則說明當前時段為拓撲初始化構建時段，需創建上述數組集合集，並以主動泛洪廣播的方式獲知網絡中各節點位置坐標。獲得位置及能量信息後，須更新鄰居節點集F，同時對於V/,_/+ e ^，定義其對應邊權值為
權利要求
1.一種WSN中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)數據匯聚節點根據已經獲得的網絡拓撲信息，計算能進行對稱網絡通信的節點對的權值；(2)數據匯聚節點使用最短路徑求解算法，計算網絡中所有節點到數據匯聚節點的最短加權路徑，所有最短加權路徑的集合即構成最小加權能耗生成樹；(3)找出最小加權能耗生成樹中不滿足網絡時延限制的節點，並對每個此類節點計算出一個相應的拓撲調整方案，作為候選拓撲調整方案；(4)找出所有的候選拓撲調整方案中對節點發射功率調整最小的方案，對生成樹進行重構；(5)判斷網絡中是否仍存在不滿足跳數限制的節點，若存在則返回步驟(3)，若不存在，則算法終止，此時對應的生成樹即是最終的網絡拓撲結果。
2.根據權利要求1所述的WSN中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法，其特徵在於，所述步驟(1)中在計算對稱網絡通信節點對的權值時，使用節點剩餘能量、節點間距離信息作為邊權值的構造參數，以最小化節點對總能耗和最大化節點壽命為目標進行構建。
3.根據權利要求1所述的WSN中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法，其特徵在於，所述步驟(2)中數據匯聚節點使用Dijkstra算法計算網絡中所有節點到數據匯聚節點的最短加權路徑。
4.根據權利要求1所述的WSN中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法，其特徵在於，所述步驟(3)中在計算拓撲調整方案時只在不滿足網絡時延限制的節點到數據匯聚節點之間的最短路徑上進行調整。
5.根據權利要求1所述的WSN中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法，其特徵在於，所述步驟(3)中計算出一個相應的拓撲調整方案時，以節點調整後的邊權值增幅和節點的當前負載量兩個因素作為指標。
全文摘要
本發明涉及WSN中的時延受限能耗均衡數據採集樹構建方法，包括以下步驟數據匯聚節點根據網絡拓撲信息計算進行對稱網絡通信的節點對的權值；數據匯聚節點計算網絡中所有節點到數據匯聚節點的最短加權路徑，所有最短加權路徑的集合即構成最小加權能耗生成樹；找出最小加權能耗生成樹中不滿足網絡時延限制的節點，並對每個此類節點計算出一個相應的拓撲調整方案，作為候選拓撲調整方案；找出所有的候選拓撲調整方案中對節點發射功率調整最小的方案，對生成樹進行重構；判斷網絡中是否仍存在不滿足跳數限制的節點，若存在則繼續調整，若不存在，則算法終止，對應的生成樹即是最終的網絡拓撲結果。本發明滿足數據實效性要求，均衡網絡中節點能耗。
文檔編號H04W84/18GK102413509SQ20111035314
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者於峰, 尹達, 張帥, 王臨琳, 王曉東, 王營冠, 高丹 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所