異構傳感器網絡中基於能耗均衡的數據收集方法

2023-04-30 11:14:11 3

專利名稱：異構傳感器網絡中基於能耗均衡的數據收集方法
技術領域：
本發明屬於無線傳感器網絡領域，具體涉及異構傳感器網絡中基於能量均衡的數 據收集方法。
背景技術：
無線傳感器網絡由一系列的自治的傳感器節點組成，傳感器之間相互合作完成任 務，其中最基本的任務是感知某些物理環境數據，然後將感知數據收集起來處理、分析完成 指定的任務。在國際國內無線傳感器技術已被廣泛應用在醫學、生態學、心理學、社會關係 學、建築學、植物學等各個領域，如老年人的看護、天氣監測、水質監測、機場入侵監測等，其 都已成為經典的無線傳感器網絡的應用。經過這幾年無線傳感器網絡的發展，目前無線傳 感器網絡關鍵技術主要分為七個部分，無線網絡接入、網絡路由技術、定位技術、數據收集、 時鐘同步技術、作業系統、數據安全。現階段無線傳感器網絡遇到的最大技術瓶頸就之一就 是能量問題，此問題關係到系統的可用性、可靠性，還關係到系統成本問題。在節點定位的 時候考慮到定位的精確性的同時還要考慮到定位算法是否過於複雜消耗過多能量就是其 問題的例子。在大規模的傳感器節點的分布情況下，能量消耗的問題更加凸顯出來。現有 的數據收集策略如低功耗自適應集簇分層型協議並不能滿足當前每種應用的需求，因此針 對通用或特定用途的傳感器網絡策略需求越來越大。

發明內容
本發明針對目前異構無線傳感器網絡中節點在執行數據收集策略時能量消耗不 均衡的問題，提出一種均衡能耗的數據收集方法，使整個系統中的節點達到能量消耗的最 均衡狀態，延長整個系統的生命周期，使得無線傳感器網絡更具有實用性。異構傳感器網絡中基於能耗均衡的數據收集方法，將異構傳感器網絡區域均分為 η個環，該方法具體為各無線中繼節點採用單跳和多跳的混合方式將融合後的數據傳送
中， r為環寬度，m表示無線中繼節點接收來自m個無線傳感器的數據，1為無線傳感器每秒發送的數據長度，e+。為無線中繼節點接收或發送每比特數據的電路損耗，eag為無 線中繼節點對每比特原始數據融合的能量消耗，eTwoEay為無線中繼節點發射每比特數據的 能量消耗，Rrelay為無線中繼節點在多跳方式下的通信半徑。本發明在算法設計方面根據兩種不同的情況，提出了兩種最優策略。兩種策略在 不同的網絡環境條件與應用需求下，考慮中繼節點的能耗均衡，計算出最佳的單跳模式與 多跳模式時隙個數分配，預先配置傳感器網絡中的中繼節點參數，然後按時序進行單跳或 多跳工作，使系統達到能耗均衡的最佳效果與最長的生命周期。其優點體現如下(1)通過單跳與多跳時隙混合的方式，很好的解決了單跳外層、多跳內層節點過快 死亡的問題，有效的延長了整個系統的生命周期，降低系統成本。(2)始於節約能量的目的，通過均衡能耗的手段，無線中繼節點採用儘量減少其額 外開銷的單跳與多跳混合策略，既不通過冗餘的運算決定節點運行模式、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，達到能耗均衡與節約 能量的目的。


圖1是本發明中網絡拓撲劃分。圖2是中繼節點單跳與多跳時間關係圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。異構無線傳感器網絡節點分為傳感器節點、中繼節點與基站節點，所有節點圍繞 著基站節點隨機分布。無線傳感器節點負責數據的收集，同時發送數據至中繼節點；中繼節 點將接收到的數據融合後發送至下一跳的中繼節點或基站；基站分析、處理接收的數據，完 成最終的任務。由於中繼節點的兩種工作方式不同，系統工作方式分為單跳模式與多跳模 式。在單跳模式下，中繼節點直接將收集的數據發送至基站；而在多跳模式下，中繼節點將 數據發送至下一跳的中繼節點。整個網絡拓撲呈中心對稱，可認為其每個傳感器節點的能 量消耗都是等價的，只考慮中繼節點的能耗均衡問題。本發明通過使用使整個系統中的中 繼節點在不同時隙中採用單跳模式或多跳模式的方法來達到均衡能量消耗的目地。如圖1所示，本發明將整個網絡劃分成η個環，每個環的寬度r相等，η ^ 2。基站 位於所有環的中心，所有傳感器與中繼節點隨機的分布在以基站為中心的各個環內。為了 使得問題得到簡化，作如下假設，系統在單跳模式下，同一環的每個中繼節點到基站的距離 是相同的；在多跳模式下，每個中繼節點使用固定的通信半徑發送信息到下一跳。數據流量模型無線傳感器節點無間斷的發送數據，假定無線傳感器節點每秒發送的數據長度為 l(bits)。無線中繼節點接收來自無線傳感器的數據後，進行數據處理，每秒產生ls(bits) 數據，ls = m*l。無線中繼節點接收來自m個無線傳感器發送的數據。第k環任意無線中 繼節點每秒發送的數據長度為Ik (bits)。在單跳情況下，由於中繼節點只接收來自無線傳感器的數據，傳感器與中繼節點 都是隨機分布，每個中繼節點接收的數據是同樣多的，因此每個中繼節點每秒發送到基站
4的數據同為ls(bits/s)。在多跳情況下，中繼節點需要發送的數據分為兩部分1.發送本 地傳感器收集的數據，此部分發送的數據與單跳情況相同，即數據發送速率為ls(bits/s)。 2.轉發從上一跳接收到的數據，為了簡化模型，我們假定無線中繼節點任意一跳只達到相 鄰環內，即第k+Ι環經過一跳可到達第k環。那麼第k環內一個無線中繼節點需要轉發ρ 個第k+Ι環內無線中繼節點發送的數據，ρ即是第k+Ι環與第k環無線中繼節點數量之比。 因為無線中繼節點在整個區域是隨機分布的，中繼節點數量之比即區域面積之比。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點需要發送的數據量越 大，即I1彡I2彡I3彡…彡Ilri彡1η。能量模型整個系統可看作是中心對稱的，因此所有節點的能量消耗與節點所在角度是無關 的。所有無線中繼節點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 節點能量消耗模型有少許差別。單跳情況中，無線中繼節點能量消耗的分為三部分。(1)接收來自無線傳感器的感知數據所產生的能量消耗，記為Er(J/s)。 eelec(J/bit)為接收或發送信號的電路損耗。(2)數據融合所消耗的能量，記為Eag (J/s)。Eag = eag*m*leag(J/bit)為每bit原始數據融合消耗能量。(3)將融合後的數據發送給基站所消耗的能量，記為ETrans (J/s)。Elrans = (eelec+eTw。Kay*d4)*m*ld為中繼節點到基站的距離，中繼節點發射每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，無線中繼節點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據產生的能量消耗。Er = eelec*m*l(2)處理感知數據與數據融合消耗的能量。 (3)將融合後的數據發送到下一跳，這裡與單跳情況有所不同，在此情況下節點通 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點的數據。
E
R-extra
=(Ik-Is)^eelec (5)將上一跳的數據轉發到下--跳。
E=(1 -I )*(e +e *R
Trans-extra V k s 『 V elec TwoRay relay
* P4 )
綜上所述，在多跳模式下節點能量總消耗為，
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間段系統決策應用單 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，達到能耗均衡的目地。整 個區域是中心對稱的。根據數據流量模型與能量模型，計算出單跳與多跳情況下第k環上 無線中繼節點的能量消耗，分別記為Sk，Mk。在整個系統生命周期內，第k環上某中繼節點 消耗的能量記為Ek = Sk*ts+Mk*tm，ts，tm分別代表系統運行單跳模式與多跳模式的時間。策略一有時整個系統中某些無線中繼節點損壞而系統仍能運行，而且能具體衡量多少節 點的損壞使得系統崩潰。此時應使得每個無線中繼節點能量消耗儘量相同，因此應使得各
個節點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。前麵條件
k=\ n k=\
η FFt
等價於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顯然這是關於P的多項式，另f' (P) =0，得f(P)取得最小值時，
η λ ηι η
p = _k=i η =ι_HJ^1_ Π7)
『η \ η
k=\ η '-ι此時系統中無線中繼節點能量消耗達到最均衡。策略二在這種情況下，系統生命周期被定義為系統中第一個無線中繼節點能量耗盡經過 的時間。每個環內無線中繼節點都有自己的生命周期，如單跳情況下，第k個環中的無線中 繼節點的生命周期為tk = E/Sk。其中tk為第k個環內無線中繼節點的生存時間，E為無線 中繼節點的初始能量。系統在ts時間段內進行單跳模式工作，在tm時間段內進行多跳模式 工作。由於每個無線中繼節點初始能量為固定的，所以任何圈內的任何節點消耗能量不會 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，越遠離中央的節點消耗能量就更快，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。且對於同一模型，S1 Mn。將上 式表示為如圖2所示。直線k與坐標軸圍成的範圍是(ts，tm)滿足條件的範圍。要同時滿足所有環的能 耗條件，因此取其交集，即(ts，tm)必須取在四邊形AQBO之中。又因為S1 Mn，則 Ii1 1，那麼Tmax必在Q點取到。
在系統運行前將中繼節點的工作時間分成多個時隙，根據網絡環境選擇以上兩種 策略中的一種計算出系統運行單跳模式與多跳模式的工作時間比例配置工作時隙，具體配 置方式不作限定，可將單跳工作時隙安插在多跳工作時隙之間，也可先單跳再多跳，或者先 多跳再單跳。在系統運行時，所有中繼節點統一按照設定好的工作模式進行單跳或多跳模 式的工作。傳感器節點感知數據後，傳輸給中繼節點進行數據融合，後者根據當前系統模式 將融合後的數據直接或間接的發送到基站，最後由基站完成指定的任務。
權利要求
異構傳感器網絡中基於能耗均衡的數據收集方法，將異構傳感器網絡區域均分為n個環，該方法具體為各無線中繼節點採用單跳和多跳的混合方式將融合後的數據傳送給基站，單跳與多跳的時隙比為其中，Si＝eelec*m*l+eag*m*l+[eelec+eTwoRay*(ir)4]*m*l ， M i= e elec*m*l+ e ag*m*l+ ( eelec + eTwoRay * Rrelay4 )*m*l+ e elec ( li - ls )+ ( eelec + eTwoRay * Rrelay4 ) ( li - ls ), ls＝m*l， l i= (i+1) 2 r 2- i 2 r 2 i 2 r 2- (i-1) 2 r 2 * l i+1 + l s, r為環寬度，m表示無線中繼節點接收來自m個無線傳感器的數據，l為無線傳感器每秒發送的數據長度，eelec為無線中繼節點接收或發送每比特數據的電路損耗，eag為無線中繼節點對每比特原始數據融合的能量消耗，eTwoRay為無線中繼節點發射每比特數據的能量消耗，Rrelay為無線中繼節點在多跳方式下的通信半徑。FDA0000024266320000011.tif
全文摘要
本發明公開了異構傳感器網絡中基於能耗均衡的數據收集方法，無線中繼節點採用單跳和多跳的混合方式將融合後的數據傳送給基站，單跳和多跳的時隙分配方法充分考慮了無線中繼節點的能耗均衡，克服只用單跳模式或多跳模式的能耗不均衡問題，達到能耗均衡、提高網絡生命周期、降低網絡成本的目地。
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 優先權日2010年8月10日
發明者餘辰, 姚德中, 李熙, 金海 申請人:華中科技大學