基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法，所述方法包括：根据划分准则将整个圆形监测区域划分为若干等宽相邻圆环，从外向内不断向内侧圆环添加额外的传感器，每个圆环添加的传感器数量为该圆环外侧所有圆环传感器数量总和，获取每个圆环所包含的传感器节点数量，得到离散的非均匀节点密度函数；将圆形监测区域中不同位置到基站的距离进行离散化处理，用离散化后的距离分段表示离散的非均匀节点密度函数，通过圆形监测区域中不同位置到基站的连续变化距离替换离散变化距离，获取连续非均匀节点密度函数，进而推导出泊松圆盘半径函数；利用圆盘半径函数，得到基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络非均匀节点分布。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法
本专利技术涉及无线传感器网络领域，涉及无线传感器节点分布方法，尤其是一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法。
技术介绍
目前在相关方法中，无线传感器网络节点分布方法主要分为两类：一种是均匀的节点分布方法。均匀节点分布方法实现比较简单，可应用的现实场景较多，该方法可以直接通过飞机播撒大量传感器节点到指定部署区域中。由于该方法不需要人工摆放，因此可以应用于危险恶劣环境或人类不宜到达的区域。例如，在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，在海洋中采用传感器网络进行海水成分监测，或在恶劣的战场环境中采用传感器网络进行敌情侦察、兵力、装备和物资监控、以及生物化学攻击判断。均匀节点分布的缺陷在于传感器网络工作过程中会出现能量空洞问题，即在网络中靠近基站的传感器会先于其他节点消耗尽自己的电池能量，降低网络的监测能力，减少网络的工作寿命。在无线传感器网络中，传感器一般以多跳的方式传输数据，每个传感器不仅要产生数据，发送数据，还要转发其他传感器产生的数据。因此，靠近基站的传感器需要转发的数据量大于远离基站的传感器，会优先消耗尽自己的能量，无法继续监测和转发数据，从而基站附近会出现大量无法工作的传感器，以至于基站接收不到监测数据，进而整个网络停止工作，而此时网络中大部分传感器还有剩余能量无法继续被使用，造成能量浪费。另一类节点分布是非均匀节点分布方法。该方法将传感器非均匀的部署到指定区域中，在越靠近基站的位置上，部署越多的传感器节点，从而均衡网络中的能量消耗，尽量使网络中的传感器同时耗尽能量，最大限度地延长整个网络的寿命，增大网络中能量的利用效率，进而解决了均匀节点分布中的能量空洞问题。对于非均匀节点分布方法来说，最重要的就是节点在网络中分布具体的密度函数。目前现有的非均匀节点分布的方法都是将指定部署区域分段，然后针对每一段区域设置一个密度值。然而，对于无线传感器网络区域来说，从远离基站到靠近基站，能量消耗的速率应该是连续下降的，因此分段密度函数效果并不是很好。虽然非均匀节点分布方法可以有效解决能量空洞问题，但是该方法对于传感器位置的要求比较高，一般无法通过飞机播撒实现，需要无人机或人工摆放传感器，不适合危险恶劣环境，可应用于土壤成分监测，农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况监测等。目前，Lian[1]，Liu[2]和Apostolos[3]分别提出了各自的非均匀节点分布方法，成为当前主流的非均匀节点分布方法，但是这些方法都是基于分段离散密度函数提出的，对于无线传感器网络来说效果并不是很好。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法，本专利技术在无线传感器网络中采用非均匀节点分布，能够实现无线传感器网络中节点密度连续变化，从而避免能量空洞问题，有效提高网络的能量利用率，延长网络的寿命，同时保证了网络的可靠性，详见下文描述：一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法，所述方法包括：根据划分准则将整个圆形监测区域划分为若干等宽相邻圆环，从外向内不断向内侧圆环添加额外的传感器，每个圆环添加的传感器数量为该圆环外侧所有圆环传感器数量总和，获取每个圆环所包含的传感器节点数量，得到离散的非均匀节点密度函数；将圆形监测区域中不同位置到基站的距离进行离散化处理，用离散化后的距离分段表示离散的非均匀节点密度函数，通过圆形监测区域中不同位置到基站的连续变化距离替换离散变化距离，获取连续非均匀节点密度函数，进而推导出泊松圆盘半径函数；利用圆盘半径函数，得到基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络非均匀节点分布。进一步地，所述划分准则具体为：根据圆形监测区域中不同位置到基站的距离以及传感器的传输半径，将整个圆形监测区域划分为若干等宽相邻圆环；圆环的宽度为传感器的传输半径大小；每个圆环所包含的节点数量与圆环面积成正比。进一步地，所述圆环每单位时间生成的数据总量为(2i+1)gminLbits，gmin为圆环C0所含的节点数量，L为每个传感器每单位时间产生的数据量大小，i为圆环编号；所述圆环每单位时间因数据传输消耗的能量为：其中，e1为每个传感器传输1bit数据需要消耗的能量。其中，所述圆环的最外层Cn-1层节点的寿命为：其中，所述离散的非均匀节点密度函数为：其中，ρmin为节点密度。进一步地，所述连续非均匀节点密度函数为：其中，R为网络监测区域的半径，r为圆心到基站距离，Rc为圆环的宽度。其中，所述泊松圆盘半径函数具体为：其中，w为期望；Rs为网络中传感器的最大传输范围。所述利用圆盘半径函数，得到基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络非均匀节点分布具体为：在网络中随机生成一个新节点位置，计算新节点位置与基站之间的距离，通过自适应泊松圆盘半径函数得到该新节点位置下的泊松圆盘半径大小；若节点集合中存在某个节点到该新节点位置之间的距离小于2倍泊松圆盘半径，则认为此新节点位置添加失败，累计失败次数加1；若节点集合中所有节点到该新节点位置之间的距离都大于等于2倍泊松圆盘半径，则认为此新节点位置添加成功，将该新节点位置添加到节点集合中，并将累计失败次数置为0。其中，所述方法还包括：固定的时间间隔下，让所有传感器各自随机生成一个0至该传感器位置上节点密度值之间的随机数ρx；若随机数ρx大于网络工作所需的最小密度ρmin，传感器将处于休眠状态；若随机数ρx小于网络工作所需的最小密度ρmin，传感器将处于工作状态。进一步地，所述方法还包括：每个传感器对应设置有ID，网络初始化时，每个传感器将记录在自己传输范围内、距离基站比自己近的传感器的ID，每次传输时都会在这些节点中选择剩余能量最大的节点进行转发，以此实现均衡负载。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、与现有技术中的其他方法相比，本方法能够使无线传感器网络中的能量利用率提高3％—5％，从而有效提高网络的能量利用率，延长网络寿命；2、同样，通过本方法，无线传感器网络的信息传递率基本可以保持在100％，即在大多数情况下，传感器生成的数据都可以传输到基站，提高了网络的可靠性。附图说明图1为一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法的流程图；图2为将整个圆形监测区域划分成5个相邻的圆环的示意图；图3为不同最小节点密度ρmin时网络剩余能量与网络初始总能量之比随半径R的变化示意图；图4为不同最小节点密度ρmin时网络数据传输率随半径R的变化示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。泊松圆盘模型于1986年首次被提出，并且被广泛应用于计算机图形学采样领域中。该模型的主要原理为：将每个节点想象成一个以该节点为圆心的圆盘，在采样的过程中，向采样区域中随机添加节点，添加过程中要保证圆盘直接不相互覆盖，即所有节点之间保持一定的距离，直到整个区域不能再添加额外的节点为止。如果圆盘的半径随着采样区域中的位置变化而变化，则称为自适应泊松圆盘分布。实施例1为实现上述目的，本专利技术实施例提出一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法，即NDAPD(NonuniformNodeDistributionusingAdaptivePoissonDiskforWirele本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法，其特征在于，所述方法包括：根据划分准则将整个圆形监测区域划分为若干等宽相邻圆环，从外向内不断向内侧圆环添加额外的传感器，每个圆环添加的传感器数量为该圆环外侧所有圆环传感器数量总和，获取每个圆环所包含的传感器节点数量，得到离散的非均匀节点密度函数；将圆形监测区域中不同位置到基站的距离进行离散化处理，用离散化后的距离分段表示离散的非均匀节点密度函数，通过圆形监测区域中不同位置到基站的连续变化距离替换离散变化距离，获取连续非均匀节点密度函数，进而推导出泊松圆盘半径函数；利用圆盘半径函数，得到基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络非均匀节点分布。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法，其特征在于，所述方法包括：根据划分准则将整个圆形监测区域划分为若干等宽相邻圆环，从外向内不断向内侧圆环添加额外的传感器，每个圆环添加的传感器数量为该圆环外侧所有圆环传感器数量总和，获取每个圆环所包含的传感器节点数量，得到离散的非均匀节点密度函数；将圆形监测区域中不同位置到基站的距离进行离散化处理，用离散化后的距离分段表示离散的非均匀节点密度函数，通过圆形监测区域中不同位置到基站的连续变化距离替换离散变化距离，获取连续非均匀节点密度函数，进而推导出泊松圆盘半径函数；利用圆盘半径函数，得到基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络非均匀节点分布。2.根据权利要求1所述的一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法，其特征在于，所述划分准则具体为：根据圆形监测区域中不同位置到基站的距离以及传感器的传输半径，将整个圆形监测区域划分为若干等宽相邻圆环；圆环的宽度为传感器的传输半径大小；每个圆环所包含的节点数量与圆环面积成正比。3.根据权利要求1所述的一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法，其特征在于，所述圆环每单位时间生成的数据总量为(2i+1)gminLbits，gmin为圆环C0所含的节点数量，L为每个传感器每单位时间产生的数据量大小，i为圆环编号；所述圆环每单位时间因数据传输消耗的能量为：其中，e1为每个传感器传输1bit数据需要消耗的能量。4.根据权利要求3所述的一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法，其特征在于，所述圆环的最外层Cn-1层节点的寿命为：5.根据权利要求4所述的一种基于自适应泊松圆盘的无线传感器网络节点分布方法，其特征在于，所述离散的非均匀节点密度函数为：其中，ρmin为节点密度。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：应翔，申继宁，于健，徐天一，赵满坤，高洁，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12