一种延长传感节点和卫星/高空平台集成网络寿命的方法技术

本发明专利技术公开了一种延长传感节点和卫星/高空平台集成网络寿命的方法，通过两种方式延长该类集成网络寿命，一是降低网络能耗，二是解决传统网络中存在的能量不平衡性问题。本发明专利技术首先理论分析簇大小对网络能耗的影响并求出簇大小的能效最优值；接着给出了一种纯软的动态地进行汇聚节点选择的方法，这使得汇聚节点可以在网络中不同的节点之间转换从而来消除能量不平衡性问题；此外，详细描述了采用本发明专利技术的网络的管理策略，以使其更具实用性。相比于无线传感节点和卫星/高空平台集成网络领域的传统方法，本发明专利技术大幅提升了网络寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种延长传感节点和卫星/高空平台集成网络寿命的方法
本专利技术涉及无线传感节点和卫星/高空平台集成网络领域，具体是一种延长传感节点和卫星/高空平台集成网络寿命的方法。
技术介绍
一方面，无线传感网络本身得到越来越广泛的应用；另一方面，无线传感网络是物联网范式的关键推动者之一。一个无线传感网络通常包含成千上万的传感节点。这些传感节点可以获得它们所处环境中的物理数据，比如压力、温度和湿度等等。获得的数据通过直接或者多跳通信的方式传输到汇聚节点或者基站。整个网络的寿命由各个节点的剩余能量决定的。每个传感节点能量十分有限，当有限的能量被消耗完后节点就不能再工作了。此外，各个传感节点的能量消耗不一，即一部分节点很快消耗完了它们的能量而其他节点仍然有较多的能量剩余，这又进一步缩短了整个网络的寿命。随着空间技术的发展，无线传感节点和卫星(或高空平台，即HighAltitudePlatforms，它是一个或者多个飞行在海拔17-22km高空中的飞艇或者飞行器)集成网络被用于很多场景中：一是需要大面积网络覆盖和大规模连接的场景，比如台风检测等；二是一些缺少网络基础设施的偏远地区，在这些地方建立基础设施代价巨大；三是军事战场或者灾难救援等网络节点容易损坏的场景，某些节点损坏之后，能够正常工作的节点需要迅速建立新的连接进行通信。Verma等人研究了应用于由无线传感网络和一个卫星组成的集成网络的几种架构(S.Verma,P.Pillai,andY.F.Hu,“PerformanceEvaluationofAlternativeNetworkArchitecturesforSensor-SatelliteIntegratedNetworks,"AdvancedInformationNetworkingandApplicationsWorkshops(WAINA),201327thInternationalConference,pp.120-125,Mar.2013)。Yang等人研究了应用于无线传感网络和高空平台集成网络的不同架构，这几种架构与Verma等人研究中的架构类似(Z.YangandA.Mohammed,“HighAltitudePlatformsforWirelessSensorNetworkapplications,"InternationalSymposiumonIEEE,WirelessCommunicationSystems,pp.613-617,Dec.2008)。这两个研究指出，在无线传感节点和卫星/高空平台集成网络中，基于簇的架构是能效最优的。基于簇的架构是指：地面的传感网络由大量传感节点和一些汇聚节点组成，依据传感节点的位置，网络中所有传感节点被划分成多个簇，每个簇内含有一个汇聚节点。汇聚节点负责收集簇内传感节点的数据，并将这些数据直接传送给卫星/高空平台。便于叙述，称这种基于簇的研究为TCM(TraditionalCluster-basedMethod)。虽然TCM促进了无线传感节点-卫星/高空平台集成网络的应用，但它仍然存在几个不足：一是没有讨论簇的大小对网络能耗的影响；二是网络中依然存在固有的能量不平衡性问题，能量不平衡性是指靠近汇聚节点的传感节点消耗的能量比远离汇聚节点的传感节点消耗得能量多。这两点不足极大地降低了网络寿命。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种延长传感节点和卫星/高空平台集成网络寿命的方法，通过找寻簇的能效最优值来降低网络能量消耗，以及尽可能地消除网络不平衡性来大幅延长无线传感节点-卫星/高空平台/集成网络的寿命。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种延长传感节点和卫星/高空平台集成网络寿命的方法，包括以下步骤：步骤1：理论计算簇大小的能效最优值；步骤2：部署网络并进入初始化阶段，具体为：1)靠近网络几何中心的某个节点随机地选择s个节点作为汇聚节点，其选择结果记为R1；R1被广播到地面网络中的所有节点；2)每个传感节点从R1中选择一个离它自身最近的汇聚节点作为它的汇聚节点，所有具有同一个汇聚节点的传感节点属于同一个簇；如果传感节点不能与它的汇聚节点直接通信，它从邻居中选择一个靠近汇聚节点的邻居节点作为其数据的接收者；3)每个传感节点把它的位置和剩余能量信息传送到汇聚节点；4)汇聚节点压缩它们收集到的有关传感节点位置和剩余能量的信息，并将这些数据直接传送给卫星/高空平台；5)卫星/高空平台依据接收到的数据在尽可能消除能量不平衡的原则下，通过重新计算选择汇聚节点，计算结果记为R2；随后，R2被发送到所有节点；6)卫星/高空平台每过一段时间向地面节点发送一次汇聚节点选择结果R2，地面节点根据接收到的R2重新划分簇；卫星/高空平台向所有节点广播R2的时间间隔记为R3，R3用于所有节点与卫星/高空平台同步，即当卫星/高空平台向地面广播R2的时候，所有节点处于接收卫星/高空平台数据的模式；7)汇聚节点将R2和R3广播给它们的传感节点，所有传感节点依据R2将所有节点划分成s个新簇；步骤3：依据R3，确定每两次重新选择sink节点操作之间的时间间隔，该时间间隔用q次传感数据传输表示；一次传感数据传输是指传感节点将自己感知到的传感数据发送给汇聚节点，汇聚节点再将收集到的传感数据直接发送给卫星/高空平台的总过程；步骤4：网络开始正常工作：即进行传感数据的传送；在这个过程中进行q-1次传感数据的传送；在最后一次的传感数据传送过程中，传感节点不但要发送传感数据，还要将自身的剩余能量信息发送给汇聚节点，汇聚节点将收集到的传感数据和剩余能量信息压缩后传送到卫星/高空平台；步骤5：卫星/高空平台依据它在最后一次数据传输中接收到的各个节点的剩余能量信息和在初始化阶段接收到的各个节点的位置信息重新计算选择汇聚节点；卫星向地面网络中的所有节点广播汇聚节点重新选择结果R2，地面网络中的所有节点依据R3在此时处于接收卫星数据的模式；步骤6：当地面网络接送到R2后，每个节点依据R2中包含的汇聚节点选择结果重新建立新簇；步骤7：整个网络回到步骤5，并顺次执行步骤5、步骤6和步骤7，以此循环，直到网络中50％的节点都不能工作为止。进一步的，所述步骤1具体为：假设网络部署矩形区域的长和宽是无限大的，将所述矩形区域划分成边长相等的网格，簇的边长限定为网格大小的奇数倍，设网格边长为Lgrid，则簇的大小为(2k+1)Lgrid，其中k为任意正整数；根据簇内的任意一个节点i与它的汇聚节点的相对位置计算其所在层的层号，公式为：其中，TNi表示节点i的层号，xi和yi分别表示节点i的横坐标和纵坐标；xsink和ysink分别表示汇聚节点s的横坐标和纵坐标；根据以上公式得到任意层t包含的节点个数是(2t+1)2-(2t-1)2；计算在一次数据传输过程中网络中总能量消耗：首先，计算每个簇内的数据由传感节点传送到汇聚节点的能量消耗；用来将t层产生的数据包传送到汇聚节点各层总共需要发送的数据包个数是[(2t+1)2-(2t-1)2]t，用来将t层产生的数据包传送到汇聚节点各层总共需要接收的数据包个数也是[(2t+1)2-(2t-1)2]t；得出在一个簇内用于将各个传感节点产生的数据传送到汇聚节点的能量消耗是：其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种延长传感节点和卫星/高空平台集成网络寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：理论计算簇大小的能效最优值；步骤2：部署网络并进入初始化阶段，具体为：1)靠近网络几何中心的某个节点随机地选择s个节点作为汇聚节点，其选择结果记为R1；R1被广播到地面网络中的所有节点；2)每个传感节点从R1中选择一个离它自身最近的汇聚节点作为它的汇聚节点，所有具有同一个汇聚节点的传感节点属于同一个簇；如果传感节点不能与它的汇聚节点直接通信，它从邻居中选择一个靠近汇聚节点的邻居节点作为其数据的接收者；3)每个传感节点把它的位置和剩余能量信息传送到汇聚节点；4)汇聚节点压缩它们收集到的有关传感节点位置和剩余能量的信息，并将这些数据直接传送给卫星/高空平台；5)卫星/高空平台依据接收到的数据在尽可能消除能量不平衡的原则下，通过重新计算选择汇聚节点，计算结果记为R2；随后，R2被发送到所有节点；6)卫星/高空平台每过一段时间向地面节点发送一次汇聚节点选择结果R2，地面节点根据接收到的R2重新划分簇；卫星/高空平台向所有节点广播R2的时间间隔记为R3，R3用于所有节点与卫星/高空平台同步，即当卫星/高空平台向地面广播R2的时候，所有节点处于接收卫星/高空平台数据的模式；7)汇聚节点将R2和R3广播给它们的传感节点，所有传感节点依据R2将所有节点划分成s个新簇；步骤3：依据R3，确定每两次重新选择sink节点操作之间的时间间隔，该时间间隔用q次传感数据传输表示；一次传感数据传输是指传感节点将自己感知到的传感数据发送给汇聚节点，汇聚节点再将收集到的传感数据直接发送给卫星/高空平台的总过程；步骤4：网络开始正常工作：即进行传感数据的传送；在这个过程中进行q‑1次传感数据的传送；在最后一次的传感数据传送过程中，传感节点不但要发送传感数据，还要将自身的剩余能量信息发送给汇聚节点，汇聚节点将收集到的传感数据和剩余能量信息压缩后传送到卫星/高空平台；步骤5：卫星/高空平台依据它在最后一次数据传输中接收到的各个节点的剩余能量信息和在初始化阶段接收到的各个节点的位置信息重新计算选择汇聚节点；卫星向地面网络中的所有节点广播汇聚节点重新选择结果R2，地面网络中的所有节点依据R3在此时处于接收卫星数据的模式；步骤6：当地面网络接送到R2后，每个节点依据R2中包含的汇聚节点选择结果重新建立新簇；步骤7：整个网络回到步骤5，并顺次执行步骤5、步骤6和步骤7，以此循环，直到网络中50％的节点都不能工作为止。...

【技术特征摘要】
1.一种延长传感节点和卫星/高空平台集成网络寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：理论计算簇大小的能效最优值；步骤2：部署网络并进入初始化阶段，具体为：1)靠近网络几何中心的某个节点随机地选择s个节点作为汇聚节点，其选择结果记为R1；R1被广播到地面网络中的所有节点；2)每个传感节点从R1中选择一个离它自身最近的汇聚节点作为它的汇聚节点，所有具有同一个汇聚节点的传感节点属于同一个簇；如果传感节点不能与它的汇聚节点直接通信，它从邻居中选择一个靠近汇聚节点的邻居节点作为其数据的接收者；3)每个传感节点把它的位置和剩余能量信息传送到汇聚节点；4)汇聚节点压缩它们收集到的有关传感节点位置和剩余能量的信息，并将这些数据直接传送给卫星/高空平台；5)卫星/高空平台依据接收到的数据在尽可能消除能量不平衡的原则下，通过重新计算选择汇聚节点，计算结果记为R2；随后，R2被发送到所有节点；6)卫星/高空平台每过一段时间向地面节点发送一次汇聚节点选择结果R2，地面节点根据接收到的R2重新划分簇；卫星/高空平台向所有节点广播R2的时间间隔记为R3，R3用于所有节点与卫星/高空平台同步，即当卫星/高空平台向地面广播R2的时候，所有节点处于接收卫星/高空平台数据的模式；7)汇聚节点将R2和R3广播给它们的传感节点，所有传感节点依据R2将所有节点划分成s个新簇；步骤3：依据R3，确定每两次重新选择sink节点操作之间的时间间隔，该时间间隔用q次传感数据传输表示；一次传感数据传输是指传感节点将自己感知到的传感数据发送给汇聚节点，汇聚节点再将收集到的传感数据直接发送给卫星/高空平台的总过程；步骤4：网络开始正常工作：即进行传感数据的传送；在这个过程中进行q-1次传感数据的传送；在最后一次的传感数据传送过程中，传感节点不但要发送传感数据，还要将自身的剩余能量信息发送给汇聚节点，汇聚节点将收集到的传感数据和剩余能量信息压缩后传送到卫星/高空平台；步骤5：卫星/高空平台依据它在最后一次数据传输中接收到的各个节点的剩余能量信息和在初始化阶段接收到的各个节点的位置信息重新计算选择汇聚节点；卫星向地面网络中的所有节点广播汇聚节点重新选择结果R2，地面网络中的所有节点依据R3在此时处于接收卫星数据的模式；步骤6：当地面网络接送到R2后，每个节点依据R2中包含的汇聚节点选择结果重新建立新簇；步骤7：整个网络回到步骤5，并顺次执行步骤5、步骤6和步骤7，以此循环，直到网络中50％的节点都不能工作为止。2.如权利要求1所述的一种延长传感节点和卫星/高空平台集成网络寿命的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：假设网络部署矩形区域的长和宽是无限大的，将所述矩形区域划分成边长相等的网格，簇的边长限定为网格大小的奇数倍，设网格边长为Lgrid，则簇的大小为(2k+1)Lgrid，其中k为任意正整数；根据簇内的任意一个节点i与它的汇聚节点的相对位置计算其所在层的层号，公式为：其中，TNi表示节点i的层号，xi和yi分别表示节点i的横坐标和纵坐标；xsink和y...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊峰，魏亮雄，佘春东，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51