一种基于簇的数据采集和负载平衡方法技术

一种基于簇的数据采集和负载平衡方法，本发明专利技术涉及基于簇的平衡能耗方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有网络中的能量损耗不平衡的问题。具体过程为：步骤一、一维网络中链路的形成；步骤二、基于一维网络中链路的形成，进行一维网络中的数据采集；步骤三、基于一维网络中的数据采集，确定一维网络中的最佳的链路数量。本发明专利技术用于无线传感器网络中负载平衡领域。

A Cluster-based Data Acquisition and Load Balancing Method

A cluster-based data acquisition and load balancing method relates to a cluster-based balanced energy consumption method. The object of the present invention is to solve the problem of unbalanced energy loss in the existing network. The specific process is as follows: step 1, link formation in one-dimensional network; step 2, data acquisition in one-dimensional network based on link formation in one-dimensional network; step 3, data acquisition in one-dimensional network to determine the optimal number of links in one-dimensional network. The invention is used in the field of load balancing in wireless sensor networks.

【技术实现步骤摘要】
一种基于簇的数据采集和负载平衡方法
本专利技术涉及基于簇的数据采集和负载平衡方法。
技术介绍
近些年无线传感器网络技术发展迅速，它的潜在应用十分广泛，包括环境监测、栖息地监测、军事监视等等，这促使传感器节点向低消耗、低能量、多功能的方向发展。因为传感器节点的能量是由电池提供的，所以能源供应十分有限。这造成了无线传感器网络应用中的一个重要问题：如何在给定能量限制的条件下使网络寿命最大化。现存的研究表明可以通过增大电池的容量或者降低每个节点能量的消耗这两种方法来延长传感器节点的寿命。然而我们研究中发现由于重量和大小的限制，电池的容量不能显著的提高。因此本文将寻找一种通过节约能量的方法减少节点能量的消耗。数据收集是无线传感器网络中的一个非常重要的环节。数据收集即大量的传感器节点发送数据到FC(FusionCenter融合中心)的过程。现有的一些能效协议提出可以按照某种特定的路径传递数据到FC。其中许多采用了基于簇的方法：选择一些传感器节点作为CH，这些CH从邻居节点收集数据。它们把数据传递给一个临近的CH，这样一来簇成员消耗能量降低。所以这种数据运输方式能够大大减少能量消耗。已有研究中经过仿真研究揭示了分簇协议能够将网络寿命扩大为8倍。尽管现存的基于簇的方法在小范围内实现了良好的负载平衡，但是整个网络中能量的损耗仍然不能平衡。如图1所示，最简单的连接方法是基于CH和FC之间的一条单链。目前有两种从CH传递数据到FC主流的方法，分别是直接连接法和最短路径树法。如图2所示，在直接连接法中，靠近FC的节点要比远离FC的节点消耗更少的能量。而在图3中，在最短路径树法中，位于FC附近的小区域会形成热点，通常像集线器一样传输数据。在两种情况中都有一部分网络比其他部分先衰竭。所以整个网络的寿命可以通过平衡负载进一步提高。现有的基于簇的数据采集协议主要有LEACH、HEED以及他们的变换。这些协议包含两部分，第一部分是CH的选取，第二部分是将采集到的数据到发送到FC。现有的路由结构分为以下类别。单链方法：如图1所示，这种方法应用于基于簇的协议，单链由所有CH依次连接而成。每个CH仅与它的邻居节点进行通信并且将数据逐跳传输到FC。虽然这种连接易于建立和维护，但是每个CH和FC之间的距离是不同的，这造成了能量消耗极度的不平衡。星型链路方法：如图2所示，在这种直接连接的方式中，每个CH直接传输数据给FC。当该方法应用于LEACH协议时，能耗的不平衡会变得非常严重。显然，节点距离FC越远，传输距离也就越长。因此，离FC很远的CH将消耗更多的能量传输数据。在整个网络中，这种能量消耗的不平衡性可能导致在感应区域远端的节点过早衰竭，从而导致网络出现盲区问题。树型链路方法：如图3所示，最短路径树由网络中的最短路径组成，HEED中的所有CH将通过最短路径将数据传送到FC。这种方案能够减少局部的能量损耗，但从整个网络的角度来看，流量负荷总是集中在某些特定的路径上，这会造成全局能量消耗的不平衡。值得注意的是，在树形链路中，CH所处的位置决定着它所能发送的数据包的数量。距离FC较近的CH负责把其他CH发送到FC的数据包聚类。CH离根越近，它的流量负载就越重。所以FC周围容易形成热点，热点区域的数据传输很拥挤并且能量消耗也比网络中其他区域快。当这个区域的CH能量耗尽时，这些热点将衰竭成为盲点，并且不能与FC中的其他CH通信。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有网络中的能量损耗不平衡的问题，而提出一种基于簇的数据采集和负载平衡方法。一种基于簇的数据采集和负载平衡方法具体过程为：步骤一、一维网络中链路的形成；步骤二、基于一维网络中链路的形成，进行一维网络中的数据采集；步骤三、基于一维网络中的数据采集，确定一维网络中的最佳的链路数量。本专利技术的有益效果为：本专利技术提出一种基于簇的平衡能耗方法(CBEL)。本专利技术CBEL(平衡能耗方法)是从两个方面实现高效数据采集和负载平衡的。一是将整个网络中的CH均衡的组织排列成多条平行链路。一维网络中的链路形成方案为：如果形成m条链路，每条链路i(1≤i≤m)由Chi，m+i，2m+i…组成。二是基于CBEL的有效的数据采集机制。任意一条有n个节点的链路要将传输n个数据包到FC，那么这n个数据包要通过n次循环来传输。对于任意的第r次循环，如果r＜n，那么数据包将被分成两条链路传输，分别记为(FC←1←…←r-1←r)和(FC←r+1←…←←n-1←n)；如果r＝n，那么数据包则通过单链(FC←1←2←…←n-1←n)传输。(从距离FC最远的节点开始，每个节点把数据传递给相邻的后继节点，最后链路末端的节点将全部数据传递给FC。)CBEL在能量有效利用，减小能量损耗和延长网络寿命方面都存在着优越的性能。在该方法中，CH被排列成多条平行链路，将负载均衡的分配到每条链路中，从而实现全局的负载平衡。CBEL可以有效地收集数据从而避免“热点”的产生。应用本专利技术的无线传感器网络能够获得较好的负载平衡性能，并能极大地延长网络寿命。解决现有网络中能量的损耗不平衡的问题。如图12所示，一个n＝4、L＝200、D＝100和L＝2000的一维网络，LEACH的最大能耗为12.6mJ(CH4)，最小能耗为2.1mJ(CH1)；HEED的最大能耗为8.7mJ(CH1),最小能耗为0.6mJ(CH4)；CBEL的最大能耗为为5.4mJ(CH1)，最小能耗为3.6mJ(CH4)。显然，与其他两种方案相比，CBEL实现了更好的节点能耗平衡。如图13所示，令L＝200,D＝100,l＝2000，CH的数量n从2增加到32，CBEL中的链路数量m分别为1，2，4，8。在n逐渐增大的过程中，CBEL-m的最大能耗值趋于平稳，且总低于LEACH和HEED。例如，当n＝12时LEACH的最大能耗为15.5mJ，HEED的最大能耗为26mJ，CBEL-1的最大能耗为14mJ，CBEL-2的最大能耗为10mJ，CBEL-4的最大能耗为9mJ，CBEL-8的最大能耗为12mJ。如图14所示，令L＝200,l＝2000，当CH数量n＝8时，我们研究节点最大能耗与CH1到FC的距离D之间的关系。随着D的增加，链路数量越多的CBEL变得有益。例如，当D＝50时，LEACH的最大能耗为10mJ，HEED的最大能耗为5mJ，CBEL-1的最大能耗为2.5mJ，CBEL-2的最大能耗为2.5mJ，CBEL-4的最大能耗为5.5mJ，CBEL-8的最大能耗为10mJ。当D＝300时，LEACH的最大能耗为46mJ，CBEL-1的最大能耗为80mJ，CBEL-2的最大能耗为52mJ，CBEL-4的最大能耗为42mJ，CBEL-8的最大能耗为46mJ。值得注意的是CBEL-8的性能和LEACH接近一致。在图15中，D＝100，n＝8，l＝2000，L不论为何值，CBEL-1的最大能耗均为10mJ。所以随着区域宽度L不断增大，CBEL-1的性能趋于稳定且最优。另外，在L很大的前提下，CBEL中链路数量越少越好。例如，当L＝300时，LEACH的最大能耗为27mJ，HEED的最大能耗为17.5mJ，CBEL-1的最大能耗为10mJ，CBEL-2的最大能耗为10mJ，CBEL-4的最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于簇的数据采集和负载平衡方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、一维网络中链路的形成；步骤二、基于一维网络中链路的形成，进行一维网络中的数据采集；步骤三、基于一维网络中的数据采集，确定一维网络中的最佳的链路数量。

【技术特征摘要】
1.一种基于簇的数据采集和负载平衡方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、一维网络中链路的形成；步骤二、基于一维网络中链路的形成，进行一维网络中的数据采集；步骤三、基于一维网络中的数据采集，确定一维网络中的最佳的链路数量。2.根据权利要求1所述一种基于簇的数据采集和负载平衡方法，其特征在于：所述步骤一中一维网络中链路的形成；具体过程为:在一维网络模型中，感应区域为长度为L的直线，FC在感应区域左端，n个簇头节点CH1,CH2,CH3,...,CHk,...,CHn在这条线上从左到右依次排列；n个簇头节点CH1,CH2,CH3,...,CHk,...,CHn均是静态节点；FC为基站；任意两个相邻的簇头节点CH之间的距离是L/n，FC和CH1之间的距离是D；因此FC与CHn的距离为D+(n-1)L/n；形成m条链路，每条链路i由CHi,m+i,2m+i,...组成，1≤i≤m。3.根据权利要求1或2所述一种基于簇的数据采集和负载平衡方法，其特征在于：所述步骤二中基于一维网络中链路的形成，进行一维网络中的数据采集；具体过程为:一条有n个簇头节点的链路将传输n个数据包到FC；n个数据包被分成n次循环来传输：r∈{1,...,n}；对于任意的第r次循环，如果r＜n，那么数据包将被分成两条链路传输，分别记为(FC←1←…←r-1←r)和(FC←r+1←…←←n-1←n)；如果r＝n，那么数据包则通过单链(FC←1←2←…←n-1←n)传输。4.根据权利要求3所述一种基于簇的数据采集和负载平衡方法，其特征在于：所述n个数据包被分成n次循环来传输；r∈{1,...,n}，对于任意的第r次循环，如果r＜n，那么数据包将被分成两条链路传输，分别记为(FC←1←…←r-1←r)和(FC←r+1←…←←n-1←n)；如果r＝n，那么数据包则通过单链(FC←1←2←…←n-1←n)传输；具体过程为:第一次循环，CH1仅传递CH1自己的一个数据包到FC，CH2传递剩余的簇头节点CH2,CH3,...,CHn的n-1个数据包到FC；第二次循环，CH1传递CH1和CH2的2个数据包到FC，而CH3传递剩余的簇头节点CH3,CH4,...,CHn的n-2个数据包到FC；第r次循环，CH1传递CH1,CH2,...,CHr的r个数据包到FC，而CH(r+1)传递剩余的簇头节点CH(r+1),...,CH(n-1),CHn的n-r个数据包到FC；最后一次...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦丹阳，纪萍，徐广超，冯攀，赵敏，郭若琳，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23