一种基于能量空洞度部署中继节点的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于能量空洞度部署中继节点的方法。该方法包括：将传感器节点随机部署在无线传感器网络中，将汇聚节点部署在无线传感器网络的边缘，传感器节点将感知的位置、初始能量及节点感知数据平均大小发送给汇聚节点；汇聚节点根据无线传感器网络的拓扑结构和各个传感器节点发送过来的位置、初始能量及节点感知数据构建分层分簇无线传感器网络模型，根据各个簇中的传感器节点分布、能量消耗和传输路径计算各个簇的能量空洞度；根据能量空洞度在各个簇中部署中继节点。本发明专利技术通过采用两次部署节点的方法，在发生能量空洞的簇中心二次部署相应数量的高能量中继节点，使得WSN中的传感器节点的能量同时耗尽，实现网络中能耗均衡。

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量空洞度部署中继节点的方法
本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种基于能量空洞度部署中继节点的方法。
技术介绍
无线传感器网络(wirelesssensornetwork,WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。WSN能量受限指两个方面，一是传感器节点是电池供电，节点自身的能量是有限的。二是，由于WSN中传感器节点部署范围广，部署地点人烟稀少，因此无法对传感器节点进行定期检测维修充电等维护工作，传感器节点的能量无法得到及时补充，一旦能量耗尽，该传感器节点死亡。而传感器节点的电源能量和能量消耗决定了WSN的生存时间，因此如何节省传感器节点能量消耗并延长WSN的网络寿命至关重要。在WSN簇结构中，传感器节点通过簇头间多跳路由的方式发送数据到sink(汇聚)节点，距离sink节点远的传感器节点传输数据量少，消耗能量比较少，而距离sink节点近的传感器节点需要转发其他节点发送过来的数据，因此数据的传输量大消耗能量多。靠近sink节点的节点过早死亡造成远离sink节点的节点采集的数据无法到达sink节点，整个网络不连贯，这就是由于能量消耗不均衡带来的能量空洞问题。结果，整个网络由于能量空洞而分裂，导致过早死亡。为了均衡能量消耗和减轻能量空洞问题，研究学者提出了很多算法来平衡WSN总体能量消耗，增加网络寿命和吞吐量。研究人员提出的方法可分为以下几类。(1)不等聚类算法：它与传统的均匀聚类算法(如LEACH)不同，不等聚类算法是将所有传感器节点分成不等大小的簇。每个簇的半径取决于广播时间和传感器节点到sink节点的距离等参数。(2)传感器节点部署策略：靠近sink节点的监测区域部署较高能量的传感器节点或者更多数量的传感器节点，在距离sink节点更远的检测部署较低能量的传感器节点或者较少数量的传感器节点。(3)不同的传输功率等级传输数据：传感器节点调整传输距离，减少能量消耗，实现能耗均衡，缓解能量空洞。目前关于能量空洞的研究主要是采用聚合技术的同时，通过减少传输距离优化路由减少能量消耗，当前的研究可以在一定程度上实现能量消耗的均衡，缓解能量空洞问题，但是效果有限。最近的研究指出，能量空洞并不总是出现在sink节点附近，而是高度依赖于一些网络参数，如能量消耗模型和传感器节点的传输范围等。然而，现有的能量空洞的研究工作没有提供理论分析来估计能量空洞的出现位置和程度。在大规模的WSN中还是会发生能量空洞。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种基于能量空洞度部署中继节点的方法，以克服现有的能量空洞问题的理论分析的不足的问题。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。一种基于能量空洞度部署中继节点的方法，包括：将多个不同类型的传感器节点随机部署在无线传感器网络中，将汇聚节点部署在无线传感器网络的边缘，所述传感器节点和所述汇聚节点在部署之后固定不动；各个传感器节点将感知的位置、初始能量及节点感知数据平均大小发送给所述汇聚节点；所述汇聚节点根据所述无线传感器网络的拓扑结构和各个传感器节点发送过来的位置、初始能量及节点感知数据构建分层分簇无线传感器网络模型，根据各个簇中的传感器节点分布、能量消耗和传输路径计算所述分层分簇无线传感器网络模型中的各个簇的能量空洞度；根据各个簇的能量空洞度在各个簇中部署中继节点。进一步地，所述的各个传感器节点将感知的位置、初始能量及节点感知数据平均大小发送给所述汇聚节点，包括：在网络初始化时，根据各个传感器节点到汇聚节点的距离的远近，将各个传感器节点分成不同的层，将每个层划分为多个簇，属于相同层的簇半径相同；各个传感器节点感知自己的位置和初始能量，并获取节点感知数据的平均大小数据，一个簇内的传感器节点根据该节点的初始能量和该节点到下一层最近簇中心或汇聚节点的距离计算该节点的簇头选择因子，簇头选择因子最大的传感器节点被成功选举为该簇的簇头，一个簇内的传感器节点将感知的位置、初始能量及节点感知数据平均大小发送给簇头，该簇头再通过多跳路由将传感器节点发送过来的感知的位置、初始能量及节点感知数据转交给所述汇聚节点。进一步地，所述的一个簇内的传感器节点根据该节点的初始能量和该节点到下一层最近簇中心或汇聚节点的距离计算该节点的簇头选择因子，包括：一个簇内的传感器节点广播包含节点剩余能量和节点id的消息，周期性地根据该节点剩余能量和该节点到下一层最近簇中心或汇聚节点的距离计算该传感器节点的簇头选择因子SF：是簇内传感器节点i的剩余能量，d(i,j)是节点i到下一层最近簇中心或汇聚节点j的距离；各个簇在一轮周期内根据簇头选择因子SF的大小选择簇头，簇内具有最大簇头选择因子的传感器节点被选为簇头。进一步地，所述的根据各个簇中的传感器节点分布、能量消耗和传输路径计算所述分层分簇无线传感器网络模型中的各个簇的能量空洞度，包括：根据簇中传感器节点的拓扑以及能量消耗，对每个簇进行一轮轮聚类，计算簇完成初始化的时间与簇中第一个传感器节点能量耗尽的时间之间的时间差，将所述时间差作为簇的生存时间；簇的能量空洞度的计算公式如下：其中为簇Cx,y的生存时间，为簇Cx,y的能量空洞度。进一步地，所述的根据各个簇的能量空洞度在各个簇中部署中继节点，包括：在能量空洞度大于设定阈值范围的簇中部署一定数量的中继节点，所述中继节点比普通节点具有更高的能量：中继节点的初始能量为根据第x层第y个簇能量空洞度计算需要部署的中继节点数量nx,y，在簇中部署的中继节点的数量和簇的能量空洞度关系满足下式：其中，为网络总能量，是WSN的一个固定值参数；nx,y为第x层第y个簇根据能量空洞度计算得出的需要部署的中继节点数量；节点根据距离汇聚节点的远近划分为X层，第x层划分为YX个簇，为第X层第YX个簇根据能量空洞度计算得出的需要部署的中继节点数量；为第X层簇YX在一轮中所有的能量消耗，为簇Cx,y的能量消耗，为传感器节点的平均初始能量。进一步地，所述的方法还包括：设传感器节点发送lbit的消息，传输距离是d，传感器节点发送的数据大小范围为：[lmin,lmax]bits，则传感器节点的能量消耗ETx(l,d)的计算公式为：ERx(l,d)＝lEelec(3)其中，Eelec是传输电路损耗，εfsd2和εmpd4分别是传输距离小于门限值d0和传输距离大于门限值d0时功率放大器发送1bit数据所需的能量，d0是设定的距离阈值，当传输距离小于门限值d0时，功率放大损耗采用自由空间模式，当传输距离不小于门限值d0时，功率放大损耗采用采用多衰落模式；当簇中传感器节点发送数据所需的能量大于所述传感器节点的剩余能量时，则所述传感器节点能量耗尽。由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例通过采用两次部署节点的方法，可以根据第一次随机部署各个节点的初始参数计算并预测出网络各个簇的能量空洞度，根据能量空洞度计算需要部署的中继节点的数量，在发生能量空洞的簇中心二次部署相应数量的高能量中继节点。使得WSN中的传感器节点的能量同时耗尽，各个节点的生存时间相近，实现网络中能耗均衡，提高网络的寿命。本专利技术附加的方面和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能量空洞度部署中继节点的方法，其特征在于，包括：将多个不同类型的传感器节点随机部署在无线传感器网络中，将汇聚节点部署在无线传感器网络的边缘，所述传感器节点和所述汇聚节点在部署之后固定不动；各个传感器节点将感知的位置、初始能量及节点感知数据平均大小发送给所述汇聚节点；所述汇聚节点根据所述无线传感器网络的拓扑结构和各个传感器节点发送过来的位置、初始能量及节点感知数据构建分层分簇无线传感器网络模型，根据各个簇中的传感器节点分布、能量消耗和传输路径计算所述分层分簇无线传感器网络模型中的各个簇的能量空洞度；根据各个簇的能量空洞度在各个簇中部署中继节点。

【技术特征摘要】
1.一种基于能量空洞度部署中继节点的方法，其特征在于，包括：将多个不同类型的传感器节点随机部署在无线传感器网络中，将汇聚节点部署在无线传感器网络的边缘，所述传感器节点和所述汇聚节点在部署之后固定不动；各个传感器节点将感知的位置、初始能量及节点感知数据平均大小发送给所述汇聚节点；所述汇聚节点根据所述无线传感器网络的拓扑结构和各个传感器节点发送过来的位置、初始能量及节点感知数据构建分层分簇无线传感器网络模型，根据各个簇中的传感器节点分布、能量消耗和传输路径计算所述分层分簇无线传感器网络模型中的各个簇的能量空洞度；根据各个簇的能量空洞度在各个簇中部署中继节点。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的各个传感器节点将感知的位置、初始能量及节点感知数据平均大小发送给所述汇聚节点，包括：在网络初始化时，根据各个传感器节点到汇聚节点的距离的远近，将各个传感器节点分成不同的层，将每个层划分为多个簇，属于相同层的簇半径相同；各个传感器节点感知自己的位置和初始能量，并获取节点感知数据的平均大小数据，一个簇内的传感器节点根据该节点的初始能量和该节点到下一层最近簇中心或汇聚节点的距离计算该节点的簇头选择因子，簇头选择因子最大的传感器节点被成功选举为该簇的簇头，一个簇内的传感器节点将感知的位置、初始能量及节点感知数据平均大小发送给簇头，该簇头再通过多跳路由将传感器节点发送过来的感知的位置、初始能量及节点感知数据转交给所述汇聚节点。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的一个簇内的传感器节点根据该节点的初始能量和该节点到下一层最近簇中心或汇聚节点的距离计算该节点的簇头选择因子，包括：一个簇内的传感器节点广播包含节点剩余能量和节点id的消息，周期性地根据该节点剩余能量和该节点到下一层最近簇中心或汇聚节点的距离计算该传感器节点的簇头选择因子SF：是簇内传感器节点i的剩余能量，d(i,j)是节点i到下一层最近簇中心或汇聚节点j的距离；各个簇在一轮周期内根据簇头选择因子SF的大小选择簇头，簇内具有最大簇头选择因子的传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴昊，韩丽，张小静，李清源，赵宁，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11