專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組織起來的，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將感知到的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。通過基站對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接管理將增加網(wǎng)絡(luò)的通信開銷、管理延遲和管理復(fù)雜性，從而影響到網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，増加網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。分簇算法是有效解決這ー問題的方法之一。分簇算法是根據(jù)一定的規(guī)則對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)分組 進(jìn)行管理，每個(gè)簇都選出ー個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集、成員節(jié)點(diǎn)的管理、以及與其他簇之間的通信。分簇算法為網(wǎng)絡(luò)的資源管理提供ー個(gè)很好的框架，通過簇頭節(jié)點(diǎn)協(xié)助基站對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。盡管分簇算法能夠較好地對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，但是傳感器節(jié)點(diǎn)的能量和資源有限是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的另ー個(gè)重要問題。節(jié)點(diǎn)一般都依靠電池供電，其能源非常有限，并且由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，節(jié)點(diǎn)部署之后進(jìn)行充電幾乎是不可能的，因此如何有效地利用節(jié)點(diǎn)的能量，最大限度地提高能源利用效率，以延長網(wǎng)絡(luò)的壽命是最重要的問題之一。目前圍繞著能量有效利用已經(jīng)展開很多研究了，在這些方法中，真正最大限度的節(jié)能方式是睡眠調(diào)度方法。經(jīng)過睡眠調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有兩種狀態(tài)工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。處于工作狀態(tài)吋，節(jié)點(diǎn)可以檢測(cè)在感知范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)、接收和傳輸數(shù)據(jù)；而處于睡眠狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入節(jié)能模式，關(guān)閉自身的通信功能，不參與簇內(nèi)的大部分活動(dòng)，僅保留功耗極低的接受鄰居信息和在特定條件下自我喚醒的功能。這種方法是可行而且合理的，因?yàn)榇蟛糠謧鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是高密度配置的，節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于工作狀態(tài)，某些區(qū)域可能被多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)覆蓋，這樣就會(huì)存在冗余覆蓋，浪費(fèi)大量不必要的能源，而且搜集到的數(shù)據(jù)具有高度相關(guān)性和冗余性。睡眠調(diào)度通過讓部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，可以有效地減少網(wǎng)絡(luò)中的冗余覆蓋。因此在能量有限的高節(jié)點(diǎn)密度的傳感器網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，通過有選擇性地將感知區(qū)域被其鄰居節(jié)點(diǎn)覆蓋的傳感器節(jié)點(diǎn)置于睡眠狀態(tài)，使節(jié)點(diǎn)輪流工作，可以有效地減少網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，提高節(jié)點(diǎn)能量的利用效率，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。如何在保持網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下選擇最小的工作節(jié)點(diǎn)集是睡眠調(diào)度中主要研究內(nèi)容，這也是ー個(gè)NP-難問題。在現(xiàn)有技術(shù)中，有些方法是從如何減少網(wǎng)絡(luò)的能耗方面考慮的，這些方法能夠有效的減少網(wǎng)絡(luò)中的冗余覆蓋面積和處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，但是網(wǎng)絡(luò)中存在一定的覆蓋空洞，不能很好地保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。而其他的方法主要是從保持網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量方面進(jìn)行考慮的，這些方法能夠有效的保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，但是并沒有考慮冗余覆蓋面積的大小，沒能很好地提高網(wǎng)絡(luò)能耗的有效性，這樣可能造成某些高密度地區(qū)的節(jié)點(diǎn)始終處于エ作狀態(tài)，造成節(jié)點(diǎn)的能量消耗不均衡，長期處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)能量很快消耗完，影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，該方法有利于在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的同吋，減少網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是ー種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，將集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制和分布式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制相結(jié)合，分簇完成后在每個(gè)簇內(nèi)進(jìn)行兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度，包括以下步驟
步驟I :將網(wǎng)絡(luò)分簇，并選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，非簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇頭選擇；
步驟2 :進(jìn)行第一階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度在分簇完成的基礎(chǔ)上，每個(gè)簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身信息，簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收的成員節(jié)點(diǎn)信息，運(yùn)行集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制，對(duì)簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)ー調(diào)度；將調(diào)度后的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息發(fā)送給各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)，成員節(jié)點(diǎn)接收到簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息后對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行更新；
步驟3 :進(jìn)行第二階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度在第一階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度結(jié)果的基礎(chǔ)上，各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播信息確定自身的鄰居節(jié)點(diǎn)集，然后根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息以及自身的剰余能量，運(yùn)行分布式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制，對(duì)自身進(jìn)行調(diào)度。本發(fā)明的有益效果是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分簇方法和節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度方法有效地結(jié)合在一起對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度方法中結(jié)合了集中式和分布式的調(diào)度機(jī)制，集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度可以對(duì)整體做出有效的調(diào)度，而分布式節(jié)點(diǎn)調(diào)度可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身信息以及鄰居信息做出實(shí)時(shí)調(diào)度，通過二者的結(jié)合可以保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，有效地應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的變化，具有較好的實(shí)時(shí)性，且能夠有效地減少網(wǎng)絡(luò)能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)資源。


圖I是本發(fā)明的兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，將集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制和分布式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制相結(jié)合，分簇完成后在每個(gè)簇內(nèi)進(jìn)行兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度。如圖I所示，該方法包括以下步驟
步驟I :將網(wǎng)絡(luò)分簇，并選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，非簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇頭選擇；
步驟2 :進(jìn)行第一階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度在分簇完成的基礎(chǔ)上，每個(gè)簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身信息，簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收的成員節(jié)點(diǎn)信息，運(yùn)行集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制，對(duì)簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)ー調(diào)度；將調(diào)度后的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息發(fā)送給各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)，成員節(jié)點(diǎn)接收到簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息后對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行更新；
步驟3 :進(jìn)行第二階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度在第一階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度結(jié)果的基礎(chǔ)上，各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播信息確定自身的鄰居節(jié)點(diǎn)集，然后根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息以及自身的剰余能量，運(yùn)行分布式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制，對(duì)自身進(jìn)行調(diào)度。
在上述步驟2中，所述集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制利用粒子群優(yōu)化算法，對(duì)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行睡眠調(diào)度
假設(shè)對(duì)含有/ 個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的簇進(jìn)行睡眠調(diào)度，一個(gè)粒子代表睡眠調(diào)度問題中的ー個(gè)可行解，粒子在某一時(shí)刻的位置表示成ー個(gè)/7維的0-1 ニ進(jìn)制排列串，節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)用ニ進(jìn)制I表示，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)用ニ進(jìn)制O表示；
根據(jù)每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的能量信息和鄰居信息對(duì)粒子進(jìn)行初始化，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的睡眠概率P定義如下
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，其特征在于將集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制和分布式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制相結(jié)合，分簇完成后在每個(gè)簇內(nèi)進(jìn)行兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度，包括以下步驟 步驟I :將網(wǎng)絡(luò)分簇，并選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，非簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇頭選擇； 步驟2 :進(jìn)行第一階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度在分簇完成的基礎(chǔ)上，每個(gè)簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身信息，簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收的成員節(jié)點(diǎn)信息，運(yùn)行集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制，對(duì)簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)ー調(diào)度；將調(diào)度后的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息發(fā)送給各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)，成員節(jié)點(diǎn)接收到簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息后對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行更新； 步驟3 :進(jìn)行第二階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度在第一階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度結(jié)果的基礎(chǔ)上，各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播信息確定自身的鄰居節(jié)點(diǎn)集，然后根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息以及自身的剰余能量，運(yùn)行分布式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制，對(duì)自身進(jìn)行調(diào)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，其特征在于所述集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制利用粒子群優(yōu)化算法，對(duì)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行睡眠調(diào)度 假設(shè)對(duì)含有/ 個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的簇進(jìn)行睡眠調(diào)度，一個(gè)粒子代表睡眠調(diào)度問題中的ー個(gè)可行解，粒子在某一時(shí)刻的位置表示成ー個(gè)維的0-1 ニ進(jìn)制排列串，節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)用ニ進(jìn)制I表示，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)用ニ進(jìn)制O表示； 根據(jù)每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的能量信息和鄰居信息對(duì)粒子進(jìn)行初始化，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的睡眠概率P定義如下
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，其特征在于所述分布式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制按如下方法進(jìn)行 網(wǎng)絡(luò)初始時(shí)，簇內(nèi)所有成員節(jié)點(diǎn)以第一階段的集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度結(jié)果為初始狀態(tài)；處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)廣播自身的信息，廣播的信息包括節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、位置信息以及剩余能量，各節(jié)點(diǎn)記錄下收到的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息以確定自身的鄰居節(jié)點(diǎn)集； 工作節(jié)點(diǎn)確定了自身的鄰居節(jié)點(diǎn)集之后進(jìn)行調(diào)度 進(jìn)行調(diào)度之前，工作節(jié)點(diǎn)給鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送一條信息告知鄰居節(jié)點(diǎn)自己開始睡眠調(diào)度，鄰居節(jié)點(diǎn)收到該信息后進(jìn)入等待狀態(tài)，處于等待狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)不能改變自身的狀態(tài)； 在沒有鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度的情況下，工作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度；工作節(jié)點(diǎn)根據(jù)收集到的鄰居節(jié)點(diǎn)信息計(jì)算自身的覆蓋冗余度，判斷自身是否為冗余節(jié)點(diǎn)，如果自身為冗余節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入睡眠狀態(tài)之前，將自身將進(jìn)入的狀態(tài)廣播給鄰居節(jié)點(diǎn)，廣播完之后進(jìn)入睡眠狀態(tài)；如果自身為非冗余節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)運(yùn)行隨機(jī)睡眠調(diào)度機(jī)制節(jié)點(diǎn)以概率pro if)睡眠，以(I- pro{i))的概率保持工作狀態(tài),節(jié)點(diǎn)睡眠概率/ττο定義如下
全文摘要
本發(fā)明涉及無線傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，將集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制和分布式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制相結(jié)合，分簇完成后在每個(gè)簇內(nèi)進(jìn)行兩階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度。該方法包括以下步驟步驟1將網(wǎng)絡(luò)分簇，并選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，非簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇頭選擇；步驟2在分簇完成的基礎(chǔ)上，簇頭節(jié)點(diǎn)在第一階段采取集中式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制，對(duì)簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度；步驟3在第一階段節(jié)點(diǎn)調(diào)度結(jié)果的基礎(chǔ)上，各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息以及自身的剩余能量，在第二階段采取分布式節(jié)點(diǎn)調(diào)度機(jī)制，對(duì)自身進(jìn)行調(diào)度。該方法有利于在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的同時(shí)，減少網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
文檔編號(hào)H04W72/12GK102685916SQ201210165998
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者余朝龍, 郭文忠, 陳國龍 申請(qǐng)人:福州大學(xué)