本发明专利技术公开的一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，包括以下步骤：S1、采用节点不均匀布置的拓扑策略模型，节点数量以等差数列的形式来分布；S2、控制区域数据产生速率：通过每一轮对节点剩余能量的采集，通过SINK就算出各区域能耗的数学期望和标准差，再判断是否触发控制命令；S3、通过设置节点的分布形状满足要求的覆盖度。本发明专利技术的方法，能够实现其能耗平衡性，另外还对节点的分布形状进行效率研究，提高了节点的利用率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线传感器领域，特别涉及一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法。
技术介绍
在无线传感器网络中，节点的电量通常受限很难得到补充，通讯距离不够，在庞大的节点网络中通常采用多跳的策略来把信息发送至汇聚节点，但这一策略的不足之处是离汇聚节点较近的节点不仅要发送自己的数据，而且还有作为远离汇聚节点的节点的信息路由中转节点，承担更大量的信息发送任务，则汇聚节点附近的节点比其他节点消耗能量消耗得更快，长此以往，汇聚节点附件的节点一旦比其他节点更早地失效后，网络就有大片区域无法得到监测，其他节点的信息也难以发送至汇聚节点。这种网络能耗不平衡的情况称之为热区问题。如图1，下面对热区问题进行分析与建模：设区域内节点密度为p,每一个环代表外侧一环的下一跳区域，设共有M个环，每个节点的数据产生速度相同为b，i为环序数，则环i的负载可以理解成所以数据流量与环i中节点个数的比值，则环i要承担的数据流量转发量为ringfu＝p*((2*M*r)2-π*(i*r)2)*b环i中节点的总数为rings＝p*(π*((i+1)*r)2-π*(i*r)2)环i的负载为可以看出i越小，Load就越大，则可以表明在多跳的无线传感器网络中越靠近汇聚节点的节点负载越大。热区问题实质上是能量分布不均匀问题，在理论上可作出如下策略：让环的宽度不同，但节点密度均匀。让各圆环的宽度随与基站的距离增大而减小，而且每一环内的节点都可以作为外围一环的节点的下一跳节点，则环内有更多的节点来承担路由中转，达到汇聚节点附近的能量更大的目的。但在实际操作上，该策略的节点密度均匀，只是通过在图纸中划大大圆环区域来增加汇聚节点附近的能量，并不现实。在多跳的无线传感器网络中通过拓扑设计来缓解热区问题是非常必要的，也有过很多关于这方面的研究，如文献[1]中提出的一种节点初始能量分布不均匀的策略和文献[2]中提出的一种以距离来确定节点分布数量的函数关系式，但都存在现实中难操作的缺点。文献[1]为：W.R.Heinzelman,A.Chandrakasan,H.Balakrishnan.Energy-efficientcommunicationprotocolforwirelessmicro-sensornetworks[C].InProc.ofthe33rdAnnualHawaiiInternationalConferenceonSystemSciences,January2000.文献[2]为：LianJ,NaikK,AgnewG.DateCapacityImprovementofWire-lessSensorNetworksUsingNon-UniformSensorDistribution[J].inter-nationalJournalofDistributedSentorNetworks,2006,2(2):121-1。文献为[3]：陆克中,刘应玲.一种线型无线传感器网络的节点布置方案[J].计算机应用,2007,27(7):1566-1568
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于节点线型拓扑的自适应采集率的数据收集方法。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，包括以下步骤：S1、采用节点不均匀布置的拓扑策略模型，节点数量以等差数列的形式来分布；S2、控制区域数据产生速率：通过每一轮对节点剩余能量的采集，通过SINK就算出各区域能耗的数学期望和标准差，再判断是否触发控制命令；S3、通过设置节点的分布形状满足要求的覆盖度。步骤S1中，所述节点数量以等差数列的形式来分布，具体为：圆环内节点的密度随着与基站距离的增加而依次减少，依次减少满足等差数列。这样能达到汇聚节点附近的能量更大的目的，有更多的能量来承担能量中转的任务。所述步骤S1，具体为：S101、划分网络：把线型网络等分成n个区域，记每个区域编号为ai，设每个区域长度都为L，每个区域面积均为S，区域ai内节点密度为ρi；其中1≤i≤n；S102、计算区域ai的总能耗：记区域内每个节点的电量e,并假定区域内的数据产生速率相同，每轮为M；在传感器发送模块的消耗能量公式中可以看出，数据发送距离对能耗影响非常大，而式中距离的次数2,4的取值具体也是与实际环境密切相关的，如果在室外传输条件好的情况下，通常都能取到2，在传输环境较差的地方例如室内或者隧道只能取4，而本来研究的是具体适用于桥梁的线性网络拓扑，桥梁属于室外传输条件较好的环境，所以本技术方案取2。由于每个区域的数据产生速率相同，与节点数量无关，则每轮每个区域接收和发送的数据量为n*M；从宏观上看，区域an需要转发本区域采集以及外围区域产生的所有数据，在接收上由于是采用分簇的拓扑，数据接收量也可以近似地认为也是认为是接收本区域以及外围区域产生的数据,数据传输距离假定为区域与区域间的中心距离L；则对区域ai:每轮接收的数据消耗能量ERx为ERx＝Eclec*n*M；其中Eclec为接收单位报文损耗能量；每轮发送数据消耗的能量ETx为ETx＝n*M*(Eelec+Eamp*L2)；其中Eelec为发射单位报文损耗能量；Eamp为放大功率能量；每轮区域ai总耗能E为E＝ERx+ETx＝n*M*(Eclec+Eelec+Eamp*L2)；S103、算出区域总能量和区域总能耗的比值K：要使网络整体的能量消耗均匀，则可以理解成每个节点每个区域的能量消耗达到平衡，而要使区域和每个节点的寿命接近，能耗达到平衡，即要使每个区域的节点总能量与每轮能量消耗量的比值保持一致，这样就能从网络的整体上达到各区域能耗的平衡，从而使得大体上各节点的能耗也达到平衡；每个区域ai总能量为ρi*S*e记区域ai总能量和区域ai每轮的总耗能比值为K：S104、用K里面的ρi表出节点总个数并求出ρi关于网络节点总数g的表达式，区域面积为S；则则网络节点总数为g为则化简：代入得因M、Eclec、Eelec、Eamp、L均为定值，则化简得则区域ai的节点数量as为：从该式看出离汇聚节点越近，区域ai的节点数量就越多，区域与区域之间的节点个数关系是呈等差数列关系。现有技术也提出了一些拓扑设计，但不尽完美，例如文献[2]中提出了一种节点初始能量不同的策略，但在现实中由于电池技术的限制和让节点的初始电量不相同的操作性难，这种做法并不现实。文献[3]也提出了一个可以使网络能量分布不均匀节点部署函数公式，但在实际上如果根据一个节点密度关于与汇聚节点距离的公式来布置，操作起来也是相当的困难，为了平衡能量消耗并且在现实中有一定的可操作性，本专利技术将网络划分成n个等分区域，区域节点密度随着与汇聚节点的距离增大而减小的节点不均匀布置的策略，这种策略在现实中可操作性强。所述步骤S2，具体为：设定一个区域内的节点集合成一簇，且成员经过n轮都不改变，即其他区域的节点无法成为本簇的成员；由于簇头可以收集各个成员的能量信息，附带在传感数据一起，簇头就计算出能量分布情况，所有为了平衡簇头与簇头之间的通信能耗和区域内簇头与节点成员之间的通信能耗，本设计采用根据区域内节点能量剩余情况选举簇头的机制；从第一轮开始人为地先设定每个区域的簇头，节点成本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、采用节点不均匀布置的拓扑策略模型，节点数量以等差数列的形式来分布；S2、控制区域数据产生速率：通过每一轮对节点剩余能量的采集，通过SINK就算出各区域能耗的数学期望和标准差，再判断是否触发控制命令；S3、通过设置节点的分布形状满足要求的覆盖度。
【技术特征摘要】
1.一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、采用节点不均匀布置的拓扑策略模型，节点数量以等差数列的形式来分布；S2、控制区域数据产生速率：通过每一轮对节点剩余能量的采集，通过SINK就算出各区域能耗的数学期望和标准差，再判断是否触发控制命令；S3、通过设置节点的分布形状满足要求的覆盖度。2.根据权利要求1所述解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，其特征在于：步骤S1中，所述节点数量以等差数列的形式来分布，具体为：圆环内节点的密度随着与基站距离的增加而依次减少，依次减少满足等差数列。3.根据权利要求1或2所述解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，其特征在于：所述步骤S1，具体为：S101、划分网络：把线型网络等分成n个区域，记每个区域编号为ai，设每个区域长度都为L，每个区域面积均为S，区域ai内节点密度为ρi；其中1≤i≤n；S102、计算区域ai的总能耗：记区域内每个节点的电量e,并假定区域内的数据产生速率相同，每轮为M；则每轮每个区域接收和发送的数据量为n*M；数据传输距离假定为区域与区域间的中心距离L；则对区域ai:每轮接收的数据消耗能量ERx为ERx＝Eclec*n*M；其中Eclec为接收单位报文损耗能量；每轮发送数据消耗的能量ETx为ETx＝n*M*(Eelec+Eamp*L2)；其中Eelec为发射单位报文损耗能量；Eamp为放大功率能量；每轮区域ai总耗能E为E＝ERx+ETx＝n*M*(Eclec+Eelec+Eamp*L2)；S103、算出区域总能量和区域总能耗的比值K：每个区域ai总能量为ρi*S*e记区域ai总能量和区域ai每轮的总耗能比值为K：S104、用K里面的ρi表出节点总个数并求出ρi关于网络节点总数g的表达式，区域面积为S；则则网络节点总数为g为则化简：代入得因M、Eclec、Eelec、Eamp、L均为定值，则化简得则区域ai的节点数量as为：从该式看出离汇聚节点越近，区域ai的节点数量就越多，区域与区域之间的节点个数关系是呈等差数列关系。4.根据权利要求3所述解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，其特征在于：所述步骤S2，具体为：簇头把信息发送至汇聚节点后，汇聚节点得到各区域整体的节点能量剩余情况后，算出各节点剩余能量ej和各区域平均剩余能量Ej，剩余能量...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘贵云，钟梓豪，李致富，许国良，姚菁，王佳庆，王清，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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