專利名稱：一種面向感知事件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層能耗平衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗節(jié)約方法，主要解決了感知事件驅(qū)動下密集布署 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗平衡問題，屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信技術(shù)的交叉領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,簡稱WSN)綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計 算技術(shù)、現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò) 中的節(jié)點能夠相互協(xié)作地進(jìn)行實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的 信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送 給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在了一起，從而實 現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息與計算機領(lǐng)域的一個全新的研究方向，綜合了多種學(xué)科的 前沿技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。包括美國國防部在內(nèi)的很多科研機構(gòu) 和大學(xué)研究機構(gòu)都已經(jīng)紛紛投入了大量的研發(fā)力量和精力從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件系統(tǒng) 的研究。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺的實現(xiàn)方面，最具有代表性的就是Berkeley (伯克利) 大學(xué)的Smart Dust (智能塵埃)實驗室以及Crossbow公司的Mica系列節(jié)點的研制。
基于電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)常常運行在火山地帶、戰(zhàn)區(qū)等人員無法接近的惡劣、甚至危 險的遠(yuǎn)程環(huán)境之中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電源更換或再充電等工作常常無法進(jìn)行。而廣泛分布于被測 環(huán)境的傳感器節(jié)點既要負(fù)責(zé)收集敏感數(shù)據(jù)，又要完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚傻裙δ?；同時，攻擊 者還可能會利用侵占節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中注入大量的虛
假數(shù)據(jù)包，致使節(jié)點在傳輸這些數(shù)據(jù)包時耗盡能量而失去效用。因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電源的無法 替換性使能量消耗問題相對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的其他關(guān)鍵技術(shù)而言尤為重要在不影響性能的 前提下，設(shè)計有效的能量消耗控制策略成為傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計中的核心問題。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗包括計算能力和通信能量。降低節(jié)點能量消耗或有效 提高能量利用是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個非常關(guān)鍵的技術(shù)。較低節(jié)點的能量消耗就意味著延長 網(wǎng)絡(luò)的生存時間，執(zhí)行更多地任務(wù)，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點必須是低功耗的微系統(tǒng)。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對能量耗費要求的苛刻性使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計時必需充分考慮 能量問題。包括節(jié)能措施的跨層設(shè)計，有效的可再生能源，大規(guī)模、低功耗的集成電路的硬 件實現(xiàn)等。
如何在無限傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點之中均衡能量消耗也是一個重要的問題。網(wǎng)絡(luò)中由
4于角色，傳感器節(jié)點執(zhí)行的任務(wù)也不同，從而導(dǎo)致不同傳感器節(jié)點消耗的能量也不同。消耗 能量過大過快的節(jié)點容易由于能量耗盡而導(dǎo)致不能正常工作。使能量在傳感器節(jié)點之間均衡 的、高效的利用可以不僅增加網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸穩(wěn)定度，也可以延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種面向感知事件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層能 耗平衡方法，該方法以網(wǎng)絡(luò)布署環(huán)境內(nèi)所發(fā)生的感知事件為依托，構(gòu)建多個以簇頭節(jié)點為中 心的分層傳感集合，并根據(jù)傳感集合中各節(jié)點所在的層次、剩余能量以及集合中各傳輸鏈路 的具體負(fù)載情況，開展相應(yīng)的任務(wù)調(diào)度，以平衡各節(jié)點能量。同時，以基站節(jié)點為中心，建 立傳感集合之間的最優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，以進(jìn)一步平衡全網(wǎng)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存期。
技術(shù)方案本發(fā)明建立了一種分層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗平衡解決方案，其基本的系統(tǒng) 組成包括-
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器節(jié)點的布署區(qū)域，同時也是感知事件的發(fā)生區(qū)域。本發(fā)明 中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為平面矩形區(qū)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點該類節(jié)點為微型化的嵌入式無線通信設(shè)備，密集布署于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 內(nèi)。各節(jié)點擁有相同的有限的初始能量，且隨著其傳感、計算與傳輸?shù)热蝿?wù)的不斷運行，節(jié) 點的剩余能量將不斷減少，當(dāng)其剩余能量小于一固定門限時，認(rèn)為該節(jié)點失效。
簇頭節(jié)點由無線傳感器節(jié)點間通過一定的選舉與協(xié)調(diào)方式確定的、對整個簇內(nèi)的所有 節(jié)點進(jìn)行統(tǒng)一管理與數(shù)據(jù)綜合的節(jié)點。在本發(fā)明中，根據(jù)各傳感節(jié)點對感知事件的感知精確 性與準(zhǔn)確性大小選擇簇頭節(jié)點。
感知事件發(fā)生在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的、可被一定數(shù)量的節(jié)點觀測與傳感到的、具 有一定持續(xù)時間的事件。本發(fā)明中假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有的感知事件的類型均不相同。
基站節(jié)點處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點，負(fù)責(zé)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理、調(diào)度與控制。該節(jié) 點不受能量限制，擁有強大的計算與存儲能力。
一種面向感知事件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層能耗平衡方案所包含的步驟為-
步驟l)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；步驟2)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊沿，部署基站節(jié)點；
步驟3)各節(jié)點對其傳感范圍內(nèi)發(fā)生的事件進(jìn)行精確傳感，并獲得一個關(guān)于該事件的感 知數(shù)據(jù)測量值，若一個節(jié)點可同時感知到多個事件，則其將用有多個不同類型的感知數(shù)據(jù)測 量值
步驟4)網(wǎng)絡(luò)中所有感知測量值不為0的節(jié)點廣播消息包，同時接收來自鄰居節(jié)點的數(shù)
據(jù)包。節(jié)點只接收擁有同樣事件感知類型的鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)包；
步驟5)定義感知數(shù)據(jù)差異門限，以便于判斷兩個節(jié)點的感知事件測量值是否接近； 步驟6)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點在收到了其鄰居節(jié)點的感知數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行判斷，實現(xiàn)其所屬層
次的劃分；
步驟7)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點完成了層次歸屬后，將各節(jié)點進(jìn)行類型劃分；步驟8)在簇內(nèi)選取簇頭節(jié)點；
步驟9)簇頭節(jié)點向全網(wǎng)廣播通告，各節(jié)點按照感知事件類型和感知測量值大小加入各 個簇；
步驟10)簇內(nèi)的所有節(jié)點對發(fā)生在該簇內(nèi)的傳感事件進(jìn)行傳感與測量，并將傳感數(shù)據(jù) 以多跳方式傳輸至簇頭；
步驟11)當(dāng)簇內(nèi)任意一個節(jié)點擁有多個父節(jié)點時，將選擇其中擁有子節(jié)點數(shù)目最少的 一個父節(jié)點作為其傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?jié)點；
步驟12)當(dāng)簇內(nèi)某一條鏈路的能量消耗過大時，擁有多個父節(jié)點的節(jié)點可逐漸減少其 數(shù)據(jù)在該鏈路上的傳輸量，同時，選擇其另外的父節(jié)點所在的能耗比較小的鏈路加入；
步驟13)分別設(shè)置邊沿節(jié)點、中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)壓縮與傳輸方式，進(jìn)一步平 衡簇內(nèi)各類型節(jié)點的能量消耗，解決簇頭附近節(jié)點能量消耗過快問題；
步驟14)建立簇內(nèi)最優(yōu)化傳輸主干路徑；
步驟15)建立簇間最優(yōu)化傳輸主干路徑；
步驟16)各簇頭節(jié)點定期通過簇內(nèi)主干路徑和簇間主干路徑，向基站節(jié)點報告其剩余 能量，以便于基站對其數(shù)據(jù)傳送周期動態(tài)調(diào)整；
步驟17)當(dāng)簇頭節(jié)點的剩余能量低于其可工作的最小剩余能量時，該簇頭節(jié)點消亡， 同時，將立刻向基站節(jié)點進(jìn)行通告，并選舉新的簇頭；
步驟18)新的簇頭節(jié)點按照步驟H)和步驟15),重新建立簇內(nèi)與簇間主干傳輸路徑， 并通過該路徑，向基站節(jié)點進(jìn)行通告；
步驟19)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一簇頭節(jié)點失效，且該簇內(nèi)已經(jīng)無法選取出新的簇頭節(jié)點，或 者新的簇頭節(jié)點無法和基站連通時，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期結(jié)束。
有益效果作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種有效的能耗平衡與能量節(jié)約方法，本發(fā)明具有 以下一些有益成果-
1. 建簇過程簡單有效網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點按照其所感知的事件類型，加入不同的簇，不需 要節(jié)點獲取詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c連接信息，也不需要與鄰居進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交互。同時， 由于簇內(nèi)的節(jié)點傳感的是同一類型的事件，更有針對性，大大提高了其數(shù)據(jù)融合效率和 節(jié)點間的相互協(xié)作性；
2. 簇頭選擇快速高效本發(fā)明以各節(jié)點的感知測量值為標(biāo)準(zhǔn)，對簇內(nèi)各節(jié)點進(jìn)行必要的分 層，建立其歸屬關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)，選取簇頭節(jié)點。選擇的過程方便、快速、靈活。
3. 平衡簇內(nèi)傳輸路徑能耗本發(fā)明以能耗平衡為目標(biāo)，在層次式的簇結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇 了靈活的數(shù)據(jù)傳輸路徑，分擔(dān)了負(fù)載過重的中繼節(jié)點的能耗負(fù)擔(dān)，并通過漸變的數(shù)據(jù)傳 輸轉(zhuǎn)移方法，平衡了各傳輸路徑的負(fù)載與能量消耗。
4. 平衡了簇內(nèi)各節(jié)點的能耗本發(fā)明針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的節(jié)點能耗不均的情 況，按照各節(jié)點類型和作用，以及其與簇頭節(jié)點間的距離大小，進(jìn)行不同的任務(wù)分配。 采用邊沿節(jié)點初步壓縮，中繼節(jié)點二次壓縮的數(shù)據(jù)傳輸與中轉(zhuǎn)方法，同時，關(guān)閉簇頭節(jié) 點的傳感功能，平衡了各類型節(jié)點的能耗。
65. 降低了簇間傳輸能耗本發(fā)明通過建立簇內(nèi)傳輸路徑、備選簇內(nèi)傳輸路徑、以及簇間傳 輸路徑，建立起各簇頭節(jié)點到基站的最優(yōu)傳輸通道，最大化減少了簇間的數(shù)據(jù)傳輸能耗。
6. 平衡了網(wǎng)絡(luò)中各個簇的總體能耗本發(fā)明中的基站節(jié)點將根據(jù)各個簇頭的剩余能量，動 態(tài)調(diào)整其數(shù)據(jù)傳送周期，延長剩余能量較小的簇頭節(jié)點向基站傳輸數(shù)據(jù)的時間間隔，以 節(jié)約其能量，平衡了網(wǎng)絡(luò)中各個簇之間的能量消耗。


圖l是本發(fā)明所面向的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2是各個節(jié)點在完成了感知測量值大小判斷、節(jié)點層次劃分及其相互歸屬關(guān)系判斷和 簇頭選擇后，所建立的簇結(jié)構(gòu)的示意圖，
圖3是本發(fā)明所建立的最優(yōu)化簇內(nèi)主千路徑和簇間主干路徑的示意圖， 圖4是本發(fā)明中節(jié)點的運行流程圖。
具體實施例方式
圖l是本發(fā)明所面向的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)?；竟?jié)點位于網(wǎng)絡(luò)邊緣；無線傳感 器節(jié)點密集部署于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中；傳感事件在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各處隨機發(fā)生。
圖2是各個節(jié)點在完成了感知測量值大小判斷、節(jié)點層次劃分及其相互歸屬關(guān)系判斷和 簇頭選擇后，所建立的簇結(jié)構(gòu)。并在此基礎(chǔ)上，為平衡簇內(nèi)各路徑的傳輸能量消耗，節(jié)點 所選擇的下一跳數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。
圖3是本發(fā)明所建立的最優(yōu)化簇內(nèi)主干路徑和簇間主干路徑，保證了由簇頭節(jié)點到其邊 緣節(jié)點的傳輸能耗以及由各簇頭節(jié)點到基站節(jié)點的傳輸能耗最小化。
圖4是本發(fā)明中節(jié)點的運行流程圖，說明了傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點由啟動到能量耗盡而消 亡的全過程。
本發(fā)明提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗平衡方法。該方法以網(wǎng)絡(luò)布署環(huán)境內(nèi)所發(fā)生的 感知事件為依托，構(gòu)建多個以簇頭節(jié)點為中心的分層傳感集合，并根據(jù)傳感集合中各節(jié)點所 在的層次、剩余能量以及集合中各傳輸鏈路的具體負(fù)載情況，開展相應(yīng)的任務(wù)調(diào)度，以平衡 各節(jié)點能量。同時，以基站節(jié)點為中心，建立傳感集合之間的最優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，以進(jìn)一 步平衡全網(wǎng)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存期。其具體實施方式
為
1) 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，均勻撒播m個具有相同初始能量、相同通信能力與傳感能力 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；
2) 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊沿，布署一個具備較強通信能力與計算能力的基站節(jié)點，如圖 1所示；
3) 各節(jié)點對其傳感范圍內(nèi)發(fā)生的事件進(jìn)行精確傳感，并可獲得一個關(guān)于該事件的感知 數(shù)據(jù)測量值，該值表示為Si.k(l《i《m，0《k《n)。其中，i表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點號，k表示事 件編號。節(jié)點距離事件發(fā)生的地點越近，其所獲得的感知測量值也就越大。若在節(jié)點的感知 范圍內(nèi)沒有任何事件發(fā)生，則該節(jié)點的感知數(shù)據(jù)測量值為0。若一個節(jié)點可同時感知到多個事件，則其將用有多個不同類型的感知數(shù)據(jù)測量值；
4) 網(wǎng)絡(luò)中所有感知測量值不為0的節(jié)點廣播包含其感知測量值、感知事件類型和自身 標(biāo)識的數(shù)據(jù)包。同時，將接收來自鄰居節(jié)點的相同類型的數(shù)據(jù)包，并對其感知事件類型進(jìn)行 判斷。節(jié)點只接收擁有同樣事件感知類型的鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)包；
5) 定義P"k(l《i《m, 1《j《m , j, 0《k《n,)為感知數(shù)據(jù)差異門限。當(dāng)節(jié)點i和 節(jié)點j對同一事件k的感知測量值小于Pu.k時，可認(rèn)為兩者的感知測量值相近，否則，則 認(rèn)為其相異；
6) 網(wǎng)絡(luò)中任意一個節(jié)點i在接收到了其鄰居節(jié)點j的感知數(shù)據(jù)包后，將進(jìn)行如下判斷， 實現(xiàn)各節(jié)點所屬層次的劃分
(1) 若節(jié)點i和j的感知測量值相近，則節(jié)點i和節(jié)點j成為兄弟節(jié)點；
(2) 若節(jié)點i和j的感知測量值相異，且Si.k》Sj,k，則j成為i的子節(jié)點；
(3) 若節(jié)點i和j的感知測量值相異，且Si.k《Sj.k，則j成為i的父節(jié)點；
7) 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點完成了層次歸屬后，將各節(jié)點進(jìn)行類型劃分。其具體執(zhí)行過程如
下
(1) 對于網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點i,若其只有子節(jié)點而沒有父節(jié)點，則其成為候選簇頭節(jié)點；
(2) 若節(jié)點i只有父節(jié)點而沒有子節(jié)點，則其成為邊沿節(jié)點；
(3) 若節(jié)點i既有父節(jié)點又有子節(jié)點，則其將成為簇內(nèi)的中繼節(jié)點；
8) 判定候選簇頭節(jié)點有無兄弟節(jié)點，若存在兄弟節(jié)點，則從該節(jié)點和其所有兄弟節(jié)點 中選擇剩余能量最大的一個作為簇頭節(jié)點；若不存在，則該候選簇頭節(jié)點即成為簇頭節(jié)點。 步驟8)可以保證以該簇頭節(jié)點為中心的簇，對其所在區(qū)域的感知事件進(jìn)行全面精確傳感
9) 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意一個節(jié)點當(dāng)選為簇頭節(jié)點后，均需要向全網(wǎng)廣播通告，和該節(jié)點擁有 相同感知事件的節(jié)點隨即加入該簇。若某節(jié)點可同時感知多個事件，則選擇其感知測量值最 大的一個事件所在的簇加入。完成建簇之后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示；
10) 簇內(nèi)的所有節(jié)點對發(fā)生在該簇內(nèi)的傳感事件進(jìn)行傳感與測量。其中，邊沿節(jié)點將其 傳感數(shù)據(jù)傳輸至其父節(jié)點；中繼節(jié)點接收來自其一個或多個子節(jié)點的傳感數(shù)據(jù)，并與其自身 的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合后，傳輸至其父節(jié)點；簇頭節(jié)點接收來自其各個子節(jié)點的、經(jīng)過了 融合和初步處理的傳感數(shù)據(jù)；
11) 為平衡簇內(nèi)各路徑的傳輸能量消耗，平衡各中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)處理與傳輸負(fù)載，當(dāng)簇 內(nèi)任意節(jié)點i擁有多個父節(jié)點時,將選擇其中擁有子節(jié)點數(shù)目最少的一個父節(jié)點作為其傳感 數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?jié)點。步驟11)保證了簇中的任意一個擁有多個子節(jié)點的中繼節(jié)點不會 消耗過多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能耗，如圖2所示；
12) 當(dāng)簇內(nèi)某一條鏈路的能量消耗過大時，擁有多個父節(jié)點的節(jié)點可逐漸減少其數(shù)據(jù)在 該鏈路上的傳輸量，同時，選擇其另外的父節(jié)點所在的能耗比較小的鏈路加入，將該父節(jié)點 也作為自身的下一跳節(jié)點，并將其傳感數(shù)據(jù)逐漸轉(zhuǎn)移至該鏈路來傳輸，以進(jìn)一步平衡各鏈路 能耗
13) 設(shè)置邊沿節(jié)點對其傳感信息進(jìn)行初步壓縮，以減少中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)融合計算量和數(shù)
8據(jù)傳輸能耗;設(shè)置自身剩余能量大于固定門限的中繼節(jié)點對其融合后的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行二次壓 縮，以減少其數(shù)據(jù)傳輸量與傳輸能耗；設(shè)置簇頭節(jié)點的所有子節(jié)點只負(fù)責(zé)融合與轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié) 點的傳感數(shù)據(jù)，節(jié)點本身并不參與對感知事件的傳感。步驟13)進(jìn)一步平衡了簇內(nèi)各類型 節(jié)點的能量消耗，解決了簇頭附近節(jié)點能量消耗過快的問題；
14) 建立簇內(nèi)主干路徑。當(dāng)簇頭節(jié)點通過一定傳輸路徑，將本簇內(nèi)的經(jīng)過融合后的傳感 數(shù)據(jù)包向基站發(fā)送時，定義該路徑中從簇頭到該簇的邊沿節(jié)點的部分路徑稱為簇內(nèi)主干路 徑。如圖3。其具體建立過程為-
(1) 簇頭節(jié)點向其所有子節(jié)點發(fā)送建立簇內(nèi)路徑的請求數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含了簇頭節(jié) 點的ID號、剩余能量信息和路徑跳數(shù)，初始跳數(shù)為0;
(2) 各子節(jié)點在該請求數(shù)據(jù)包中加入自身ID號與剩余能量，并將跳數(shù)值加一后，發(fā)送 至其下一層子節(jié)點；
(3) 當(dāng)請求數(shù)據(jù)包到達(dá)該簇的邊緣節(jié)點時，停止轉(zhuǎn)發(fā)；
(4) 各邊沿節(jié)點根據(jù)其接收的請求數(shù)據(jù)包中的節(jié)點個數(shù)、平均剩余能量以及數(shù)據(jù)包跳數(shù) 等信息，選擇最優(yōu)的一條傳輸路徑作為簇內(nèi)主干路徑，并設(shè)定次優(yōu)的一條傳輸路徑作為侯選 簇內(nèi)主干路徑；
15) 建立簇間主干路徑各個簇的簇內(nèi)主干路徑上的邊沿節(jié)點之間，通過網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié) 點的中繼作用，形成互聯(lián)，實現(xiàn)了相鄰簇之間的互通，即構(gòu)造實現(xiàn)了簇間主干路徑。如圖3 所示。同時，所有簇頭節(jié)點都可以通過直接或間接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式，實現(xiàn)和基站的通信
16) 各簇頭節(jié)點定期通過簇內(nèi)主干路徑和簇間主干路徑，向基站節(jié)點發(fā)送包含自身剩余 能量、本簇內(nèi)的經(jīng)過融合的傳感數(shù)據(jù)等內(nèi)容的信息包。基站節(jié)點將根據(jù)各個簇頭的剩余能量， 動態(tài)調(diào)整其數(shù)據(jù)傳送周期，延長剩余能量較小的簇頭節(jié)點向基站傳輸數(shù)據(jù)的時間間隔，以節(jié) 約其能量。步驟16)平衡了網(wǎng)絡(luò)中各個簇之間的能量消耗；
17) 當(dāng)簇頭節(jié)點的剩余能量低于其可工作的最小剩余能量時，該簇頭節(jié)點消亡，同時， 將立刻向基站節(jié)點進(jìn)行通告。若該節(jié)點有兄弟節(jié)點，則從其兄弟節(jié)點中選擇剩余能量最大的 一個作為該簇的新的簇頭節(jié)點，同時，原簇頭節(jié)點的各子節(jié)點作為該新簇頭的子節(jié)點；否則， 在原簇頭節(jié)點的所有子節(jié)點中，選擇剩余能量最大的一個節(jié)點作為簇頭節(jié)點；
18) 新的簇頭節(jié)點按照步驟14)和步驟15)，重新建立簇內(nèi)與簇間主干傳輸路徑，并 通過該路徑，向基站節(jié)點進(jìn)行通告；
19) 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一簇頭節(jié)點失效，且該簇內(nèi)已經(jīng)無法選取出新的簇頭節(jié)點，或者新的 簇頭節(jié)點無法和基站連通時，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種面向感知事件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層能耗平衡方法，其特征在于其基本系統(tǒng)組成包括密集部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、通過選舉策略確定的簇頭節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隨機發(fā)生的感知事件、部署于網(wǎng)絡(luò)邊緣的基站節(jié)點；以網(wǎng)絡(luò)布署環(huán)境內(nèi)所發(fā)生的感知事件為依托，構(gòu)建多個以簇頭節(jié)點為中心的分層傳感集合，并根據(jù)傳感集合中各節(jié)點所在的層次、剩余能量以及集合中各傳輸鏈路的具體負(fù)載情況，開展相應(yīng)的任務(wù)調(diào)度與傳輸路徑選擇，以平衡各節(jié)點能量；同時，以基站節(jié)點為中心，建立傳感集合之間的最優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，并通過動態(tài)改變簇頭數(shù)據(jù)傳輸周期，進(jìn)一步平衡全網(wǎng)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存期。
2.如權(quán)利要求1所述的面向感知事件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層能耗平衡方法，其特征在 于該方法的步驟為步驟l)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，均勻撒播若干個具有相同初始能量、相同通信能力與傳 感能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；步驟2)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊沿，布署一個具備較強通信能力與計算能力的基站節(jié)點；步驟3)各節(jié)點對其傳感范圍內(nèi)發(fā)生的事件進(jìn)行精確傳感，并可獲得一個關(guān)于該事件的 感知數(shù)據(jù)測量值；節(jié)點距離事件發(fā)生的地點越近，其所獲得的感知測量值也就越大若在節(jié) 點的感知范圍內(nèi)沒有任何事件發(fā)生，則該節(jié)點的感知數(shù)據(jù)測量值為O，若一個節(jié)點可同時感 知到多個事件，則其將用有多個不同類型的感知數(shù)據(jù)測量值；步驟4)網(wǎng)絡(luò)中所有感知測量值不為0的節(jié)點廣播包含其感知測量值、感知事件類型和 自身標(biāo)識的數(shù)據(jù)包；同時> 將接收來自鄰居節(jié)點的相同類型的數(shù)據(jù)包，并對其感知事件類型 進(jìn)行判斷，節(jié)點只接收擁有同樣事件感知類型的鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)包；步驟5)定義感知數(shù)據(jù)差異門限，當(dāng)兩個相鄰節(jié)點的感知測量值小于感知數(shù)據(jù)門限差異 時，可認(rèn)為兩者的感知測量值相近，否則，則認(rèn)為其相異；步驟6)網(wǎng)絡(luò)中任意一個節(jié)點在接收到了其鄰居節(jié)點的感知數(shù)據(jù)包后，將進(jìn)行相互關(guān)系 判斷，以確定其兄弟關(guān)系、父子關(guān)系等；步驟7)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點完成了層次歸屬后，將各節(jié)點進(jìn)行類型劃分，具體可劃分為 侯選簇頭節(jié)點、邊沿節(jié)點和中繼節(jié)點步驟8)判定候選簇頭節(jié)點有無兄弟節(jié)點，若存在兄弟節(jié)點，則從該節(jié)點和其所有兄弟 節(jié)點中選擇剩余能量最大的一個作為簇頭節(jié)點；若不存在，則該候選簇頭節(jié)點即成為簇頭節(jié) 點；步驟9)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意一個節(jié)點當(dāng)選為簇頭節(jié)點后，均需要向全網(wǎng)廣播通告，和該節(jié)點 擁有相同感知事件的節(jié)點隨即加入該簇；若某節(jié)點可同時感知多個事件，則選擇其感知測量 值最大的一個事件所在的簇加入；步驟10)簇內(nèi)的所有節(jié)點對發(fā)生在該簇內(nèi)的傳感事件進(jìn)行傳感與測量，其中，邊沿節(jié) 點將其傳感數(shù)據(jù)傳輸至其父節(jié)點；中繼節(jié)點接收來自其一個或多個子節(jié)點的傳感數(shù)據(jù)，并與其自身的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合后，傳輸至其父節(jié)點；簇頭節(jié)點接收來自其各個子節(jié)點的、 經(jīng)過了融合和初步處理的傳感數(shù)據(jù)；步驟ll)為平衡簇內(nèi)各路徑的傳輸能量消耗，平衡各中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)處理與傳輸負(fù)載, 當(dāng)簇內(nèi)任意節(jié)點擁有多個父節(jié)點時，將選擇其中擁有子節(jié)點數(shù)目最少的一個父節(jié)點作為其傳 感數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?jié)點；步驟12)當(dāng)簇內(nèi)某一條鏈路的能量消耗過大時，擁有多個父節(jié)點的節(jié)點可逐漸減少其 數(shù)據(jù)在該鏈路上的傳輸量，同時，選擇其另外的父節(jié)點所在的能耗比較小的鏈路加入，將該 父節(jié)點也作為自身的下一跳節(jié)點，并將其傳感數(shù)據(jù)逐漸轉(zhuǎn)移至該鏈路來傳輸，以進(jìn)一步平衡 各鏈路能耗；步驟13)設(shè)置邊沿節(jié)點對其傳感信息進(jìn)行初步壓縮，以減少中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)融合計算 量和數(shù)據(jù)傳輸能耗;設(shè)置自身剩余能量大于固定門限的中繼節(jié)點對其融合后的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行 二次壓縮，以減少其數(shù)據(jù)傳輸量與傳輸能耗；設(shè)置簇頭節(jié)點的所有子節(jié)點只負(fù)責(zé)融合與轉(zhuǎn)發(fā) 其它節(jié)點的傳感數(shù)據(jù)，節(jié)點本身并不參與對感知事件的傳感；步驟14)建立簇內(nèi)主干路徑，當(dāng)簇頭節(jié)點通過一定傳輸路徑，將本簇內(nèi)的經(jīng)過融合后 的傳感數(shù)據(jù)包向基站發(fā)送時，定義該路徑中從簇頭到該簇的邊沿節(jié)點的部分路徑稱為簇內(nèi)主 千路徑；步驟15)建立簇間主干路徑，各個簇的簇內(nèi)主干路徑上的邊沿節(jié)點之間，通過網(wǎng)絡(luò)中 其它節(jié)點的中繼作用，形成互聯(lián)，實現(xiàn)了相鄰簇之間的互通，即構(gòu)造實現(xiàn)了簇間主干路徑；步驟16)各簇頭節(jié)點定期通過簇內(nèi)主干路徑和簇間主干路徑，向基站節(jié)點發(fā)送包含自 身剩余能量、本簇內(nèi)的經(jīng)過融合的傳感數(shù)據(jù)等內(nèi)容的信息包，基站節(jié)點將根據(jù)各個簇頭的剩 余能量，動態(tài)調(diào)整其數(shù)據(jù)傳送周期，延長剩余能量較小的簇頭節(jié)點向基站傳輸數(shù)據(jù)的時間間 隔，以節(jié)約其能量；步驟17)當(dāng)簇頭節(jié)點的剩余能量低于其可工作的最小剩余能量時，該簇頭節(jié)點消亡， 同時，將立刻向基站節(jié)點進(jìn)行通告，若該節(jié)點有兄弟節(jié)點，則從其兄弟節(jié)點中選擇剩余能量 最大的一個作為該簇的新的簇頭節(jié)點，同時,原簇頭節(jié)點的各子節(jié)點作為該新簇頭的子節(jié)點； 否則，在原簇頭節(jié)點的所有子節(jié)點中，選擇剩余能量最大的一個節(jié)點作為簇頭節(jié)點；步驟18)新的簇頭節(jié)點按照步驟14)和步驟15),重新建立簇內(nèi)與簇間主干傳輸路徑， 并通過該路徑，向基站節(jié)點進(jìn)行通告；步驟19)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一簇頭節(jié)點失效，且該簇內(nèi)已經(jīng)無法選取出新的簇頭節(jié)點，或 者新的簇頭節(jié)點無法和基站連通時，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期結(jié)束。
全文摘要
一種面向感知事件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層能耗平衡方法涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗節(jié)約方法，解決感知事件驅(qū)動下密集布署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗平衡問題，其基本系統(tǒng)組成包括密集部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、通過選舉策略確定的簇頭節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隨機發(fā)生的感知事件、部署于網(wǎng)絡(luò)邊緣的基站節(jié)點；以網(wǎng)絡(luò)布署環(huán)境內(nèi)所發(fā)生的感知事件為依托，構(gòu)建多個以簇頭節(jié)點為中心的分層傳感集合，并根據(jù)傳感集合中各節(jié)點所在的層次、剩余能量以及集合中各傳輸鏈路的具體負(fù)載情況，開展相應(yīng)的任務(wù)調(diào)度與傳輸路徑選擇，以平衡各節(jié)點能量；同時，以基站節(jié)點為中心，建立傳感集合之間的最優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，并通過動態(tài)改變簇頭數(shù)據(jù)傳輸周期，進(jìn)一步平衡全網(wǎng)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存期。
文檔編號H04W40/02GK101583171SQ20091003322
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者凡高娟, 寧 葉, 孫力娟, 超 沙, 王汝傳, 王玉斐, 甫 肖, 志 陳, 黃海平 申請人:南京郵電大學(xué)