一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法技术

本发明专利技术公开一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法，(1)节点相对位置的获取：使用移动基站对节点相对位置的学习，帮助1跳节点成簇并随机指派首轮簇首；(2)初次成簇：移动基站按照移动轨迹将相距不大于设定传输距离的节点进行预成簇，生成一个“预成簇表”，簇中每个节点相互之间1跳可达；对于满足多个簇的预成簇条件的节点，移动基站采取“Cluster_ID值越小越优先”的成簇原则，将节点分配到Cluster_ID中C

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法


[0001]本专利技术涉及无线传感器网络领域技术，尤其是指一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法。

技术介绍

[0002]在部署无线传感器网络时，传感器节点(下统称“节点”)按照一定的规则选举簇首和成簇是其中的一个重要环节。由于节点采用的是自给供电的方式，而且数量众多，位置分散，不易更换电池，因此降低和均衡每个节点的能量消耗是延长无线传感器网络寿命的关键所在。
[0003]现有的成簇和簇首确定算法大致有：
[0004](1)簇首的数量(即簇的数量)Nc通过简单的算法确定，即N
c
＝N
total/
N
sc
，再依据一定的算法选举出簇首。其中，N
total
为网络中节点数量，N
sc
为单个簇中节点数量。然而，该方法人为地限制了簇首数量及每簇中的节点数量，易造成簇与簇之间的节点密度(单位面积的节点数量)相差较大。在节点稀疏的簇中，离簇首远的节点和簇首进行通信时，簇首和节点都要消耗过多能量，从而影响整个网络的生存时间。
[0005](2)节点之间通过大量的消息交换，按照给定的算法选举出簇首。然而，选举簇首过程中大量的消息交换，会消耗节点过多的能量，从而影响整个网络的生存时间。
[0006](3)通过算法首次确定簇首，簇首周围节点根据基于信号强度的算法加入附近的簇中。然而，该方法容易导致离簇首较远的部分节点由于信号强度弱的原因不能成功地加入到簇中，影响了整个网络的能量均衡，从而影响整个网络的生存时间。
[0007](4)若干轮数据传输后，每个簇再根据基于剩余能量的算法，在簇中重新选择簇首。但是，该方法中每个节点不但要计算自己的剩余能量，还要和其他节点交换大量的选举消息，从而进一步增加了节点的能量消耗，影响整个网络的生存时间。
[0008](5)另外，1跳网络中由于簇首和节点间的距离相对较短，现有的研究在计算消息传输过程的能量损耗时，多采用电磁波在自由空间的能量传播损耗模型，忽略了复杂环境下，相距很近的簇首和节点间也可能存在着多径损耗、阴影效应等带来损耗的可能性。
[0009]因此，需要研究一种新的技术方案来解决上述问题。

技术实现思路

[0010]有鉴于此，本专利技术针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法，其将网络首次成簇的工作交给了移动基站，新簇首的指派由移动基站根据每个簇中节点上报的最新剩余能量比为依据完成，消除了新簇首的选举过程，减少了节点间选举簇首过程中大量的消息交换，降低了节点的能量消耗，从而延长了无线传感器网络的生存时间。
[0011]为实现上述目的，本专利技术采用如下之技术方案：
[0012]一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法，包括有以下环节，
[0013](1)节点相对位置的获取：使用移动基站对节点相对位置的学习，帮助1跳节点成簇并随机指派首轮簇首；
[0014](2)初次成簇：移动基站按照移动轨迹将相距不大于设定传输距离的节点进行预成簇，生成一个“预成簇表”，同时保证了簇中每个节点相互之间都是1跳可达，所述设定传输距离是符合特定调制方式最大传输距离；对于满足多个簇的预成簇条件的节点，移动基站采取“Cluster_ID值越小越优先”的成簇原则，将节点分配到Cluster_ID中C
k
值小的簇，并生成“成簇表”；
[0015](3)重新指派新的簇首：节点在每次发送数据的同时，也将自己最新的剩余能量比发送给簇首，由簇首发送给移动基站；经过一定时间的数据传输后，移动基站根据每个簇中节点最新的剩余能量比，再指派新的簇首。
[0016]作为一种优选方案，所述移动基站为可反复充电或方便更换电源的移动基站。
[0017]作为一种优选方案，在环节(1)中，所述移动基站通过接收已部署节点的信号强度RSSI对节点的相对位置进行估算，以帮助1跳节点成簇。
[0018]作为一种优选方案，在第一布置节点场景，节点全部使用ASK调制方式，信号的覆盖范围为10米；在第二布置节点场景，节点全部使用O
‑
QPSK调制方式，信号的覆盖范围为30米；在第三布置节点场景，节点全部使用BPSK调制方式，信号的覆盖范围为75米；
[0019]其中，所述第一布置节点场景、第二布置节点场景、第三布置节点场景的节点布置密集度依次降低。
[0020]作为一种优选方案，在环节(2)中，将整个无线传感器网络监测区域划分为n个网格，并按顺序进行编号；移动基站从1号网格出发，按照编号顺序沿轨迹移动至n号网格，以进入每一个网格；移动基站的移动过程中不断接收附近节点周期性发出的Probe消息，所述Probe消息包括用于同步的Preamble、用于指出该帧为广播帧的0xFFFF、用于指出当前节点的物理地址的Node_ID；移动基站根据接收到的信号强度，估算出每个节点的相对位置，并将其记录到“节点信号强度_距离表”中；当移动基站从1号网格移动到最后一个网格n号网格时，则估算出所有节点的“相对位置”。
[0021]作为一种优选方案，所述信号强度和距离之间关系用式(1)表示，
[0022][0023]式(1)中，
[0024]P
Ri
代表的是移动基站和节点i的距离为d
i
时接收到来自节点i信号的功率，单位是dBm；
[0025]P
Ti
代表的是节点i对应的发射功率，单位是dBm；
[0026]P
L
(d0)是在信号传到相对距离d0处的传播损耗，d0取1km，单位为dB；
[0027]α为传播损耗系数，其介于2～4之间；
[0028]可得
[0029][0030]在计算P
L
(d0)时使用式(3)
[0031]P
L
(d0)＝32.44+20lgf+20lgd
0 (3)
[0032]又d0＝1km,f为节点工作的中心频率，由此可得
[0033]P
L
(d0)＝32.44+20lgf (4)
[0034]将式(4)代入式(2)，可得
[0035][0036]令可得
[0037][0038]作为一种优选方案，所述移动基站根据节点间距离对“节点信号强度_距离表”中的节点进行预成簇处理，生成一个“预成簇表”，同时保证簇中每个节点相互之间都是1跳可达；在对所有节点处理完，确保每个节点都分配到相应簇后，移动基站再生成一个“成簇表”，并为每个簇随机指派簇首；
[0039]“成簇表”生成后，移动基站从n号网格出发，按照编号逆向顺序沿轨迹移动至1号网格，在移动过程中，移动基站持续地向网络中的节点广播“成簇表”，以使节点自行成簇。
[0040]作为一种优选方案，在环节(3)中，在成簇的一段时间
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法，其特征在于：包括有以下环节，(1)节点相对位置的获取：使用移动基站对节点相对位置的学习，帮助1跳节点成簇并随机指派首轮簇首；(2)初次成簇：移动基站按照移动轨迹将相距不大于设定传输距离的节点进行预成簇，生成一个“预成簇表”，同时保证了簇中每个节点相互之间都是1跳可达，所述设定传输距离是符合特定调制方式最大传输距离；对于满足多个簇的预成簇条件的节点，移动基站采取“Cluster_ID值越小越优先”的成簇原则，将节点分配到Cluster_ID中C
k
值小的簇，并生成“成簇表”；(3)重新指派新的簇首：节点在每次发送数据的同时，也将自己最新的剩余能量比发送给簇首，由簇首发送给移动基站；经过一定时间的数据传输后，移动基站根据每个簇中节点最新的剩余能量比，再指派新的簇首。2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法，其特征在于：所述移动基站为可反复充电或方便更换电源的移动基站。3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法，其特征在于：在环节(1)中，所述移动基站通过接收已部署节点的信号强度RSSI对节点的相对位置进行估算，以帮助1跳节点成簇。4.根据权利要求3所述的一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法，其特征在于：在第一布置节点场景，节点全部使用ASK调制方式，信号的覆盖范围为10米；在第二布置节点场景，节点全部使用O
‑
QPSK调制方式，信号的覆盖范围为30米；在第三布置节点场景，节点全部使用BPSK调制方式，信号的覆盖范围为75米；其中，所述第一布置节点场景、第二布置节点场景、第三布置节点场景的节点布置密集度依次降低。5.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法，其特征在于：在环节(2)中，将整个无线传感器网络监测区域划分为n个网格，并按顺序进行编号；移动基站从1号网格出发，按照编号顺序沿轨迹移动至n号网格，以进入每一个网格；移动基站的移动过程中不断接收附近节点周期性发出的Probe消息，所述Probe消息包括用于同步的Preamble、用于指出该帧为广播帧的0xFFFF、用于指出当前节点的物理地址的Node_ID；移动基站根据接收到的信号强度，估算出每个节点的相对位置，并将其记录到“节点信号强度_距离表”中；当移动基站从1号网格移动到最后一个网格n号网格时，则估算出所有节点的“相对位置”。6.根据权利要求5所述的一种无线传感器网络中利用移动基站能量均衡的方法，其特征在于：所述信号强度和距离之间关系用式(1)表示，式(1)中，P
Ri
代表的是移动基站和节点i的距离为d
i
时接收到来自节点i信号的功率，单位是dBm；P
Ti
代表的是节点i对应的发射功率，单位是dBm；
P
L
(d0)是在信号传到相对距离d0处的传播损耗，d0取1km，单位为dB；α为传播损耗系数，其介于2～4之间；可得在计算P
L
(d0)时使用式(3)P
L
(d0)＝32.44+20lgf+20lgd0ꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱报开，漆青松，林雄生，
申请(专利权)人：广东科创智水科技有限公司，
类型：发明
国别省市：