專利名稱：一種異構傳感網中基于圓環(huán)域的節(jié)點能耗均衡方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信網絡技術領域，具體涉及一種異構無線傳感器網絡中節(jié)點能耗均衡的方法。
背景技術：
無線傳感器節(jié)點是由電池供電，特殊的工作環(huán)境(例如部署在原始森林、軍事作戰(zhàn)場地、海洋等等)及無線傳感器網絡巨大覆蓋面積決定了傳感器節(jié)點電池的不可更換性。由于無線傳感網中部分節(jié)點的過早死亡會造成整個傳感網絡通信的癱瘓，因此，傳感器節(jié)點的節(jié)能和能耗均衡是無線傳感網有效工作的前提。
解決傳感器節(jié)點能量問題是通過設計有效節(jié)能的路由協(xié)議來實現(xiàn)的。無線傳感網路由協(xié)議分為所有路由屬同一等級的平面路由和路由分為若干不同等級的分層路由。將網絡中相鄰的傳感器節(jié)點組成一組(即“成簇”)，并選出一個節(jié)點作為這個組的首領(即“簇頭”)，然后由這些若干組組成的傳感器網絡，也就是分層路由，可以有效地減少網絡的能量消耗。許多能量高效的路由協(xié)議都是在“簇”結構的基礎上進行設計的。
經典的LEACH協(xié)議，是第一個使用分層路由的協(xié)議，接著還有SEP協(xié)議、DEEC協(xié)議等等，它們在一定程度上改進了無線傳感器網絡的節(jié)能問題。
但是，這些協(xié)議都沒有最大化網絡的效益。首先，網絡中每個節(jié)點都有機會擔當簇頭，使得所有的節(jié)點都應具備融合數(shù)據(jù)以及根據(jù)距離調整發(fā)射功率等能力，使得每個傳感器節(jié)點硬件都很復雜。如果使用少量具有復雜硬件和更多能量的節(jié)點永遠作為簇頭，稱為超級節(jié)點；多數(shù)傳感器節(jié)點只具有感知和發(fā)送能力，稱為普通節(jié)點，將減少網絡中節(jié)點的硬件花費。其次，它們在通信中使用的都是單跳，即普通節(jié)點直接把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭， 簇頭收集到普通節(jié)點的數(shù)據(jù)進行融合后又直接發(fā)給基站，使得距離基站遠的簇頭將比距離簇頭近的普通節(jié)點和距離基站近的簇頭消耗更多的能量。相反，如果采用多跳通信方式，即通過相鄰節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)直到基站，就有距離基站近的簇頭因為要轉發(fā)更多的數(shù)據(jù)而存在更多的能量負載。因此網絡中總是存在一種不均衡耗能的模式。
本發(fā)明針對傳感器節(jié)點的這些限制，提出了一種異構網絡中基于圓環(huán)域的單、多跳相結合的混合通信模式的方法，通過均衡網絡的能量負載以整體達到增加網絡的壽命的目的。發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題就是提供一種異構傳感網中基于圓環(huán)域的節(jié)點能耗均衡的方法，它能均衡傳感器網絡中所有節(jié)點的能耗，以達到延長傳感器網絡生命周期的目的。
本發(fā)明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現(xiàn)的，它包括下列步驟
步驟1，監(jiān)測區(qū)域的圓環(huán)域劃分首先把傳感網的監(jiān)測區(qū)域看成是半徑為R的圓域，基站在圓心位置。以基站為圓心把監(jiān)測區(qū)域分為若干個圓環(huán)域。節(jié)點隨機的分布在圓CN 102572996 A說明書2/6頁域中，并假定傳感器節(jié)點位置都是固定不變的，且節(jié)點和基站都提前知道自己的位置信息。 根據(jù)簇頭節(jié)點到基站的距離把網絡中簇頭節(jié)點分為若干等級，基站是第0級(IevelO)；
步驟2，簇頭路徑選擇使用單、多跳結合的通信方式。監(jiān)測區(qū)域劃分后，簇頭節(jié)點都知道自己所屬等級，然后每一個簇頭節(jié)點在上一級中選出最近的簇頭作為下一跳節(jié)點， 即其父節(jié)點，第一級簇頭的父節(jié)點是基站，基站為最高級。單跳通信中，簇頭融合收到的信息后直接發(fā)給基站，多跳通信中則由簇頭經過其父節(jié)點一步步轉發(fā)到基站；
步驟3，簇的建立延續(xù)了 LEACH協(xié)議中定義的“輪”的概念，只是每輪中不再對簇頭進行選舉，整個網絡的生命周期內簇頭是固定不變的，超級節(jié)點具有較高的能量一直擔任簇頭。簇的建立以達到最少的通信能耗為標準，簇頭通過廣播一數(shù)據(jù)包通知自己是簇頭， 周圍普通節(jié)點根據(jù)接收到的信號強度申請加入到不同的簇，簇頭回復確認加入信息；
步驟4 數(shù)據(jù)傳輸階段通信方式的選擇在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段，普通節(jié)點采集有效信息直接傳送到簇頭，簇頭采用單、多跳結合方式將數(shù)據(jù)轉發(fā)到基站。
所述步驟1中，監(jiān)測區(qū)域面積為S,節(jié)點數(shù)為n，簇頭比例P，簇頭節(jié)點的密度為入” 因此每個簇頭節(jié)點平均傳輸半徑為T1
權利要求
1.一種異構傳感網中基于圓環(huán)域的節(jié)點能耗均衡方法，其特征在于，包括下列步驟步驟1，監(jiān)測區(qū)域的圓環(huán)域劃分首先把傳感網的監(jiān)測區(qū)域看成是半徑為R的圓域，基站在圓心位置。以基站為圓心把監(jiān)測區(qū)域分為若干個圓環(huán)域。并根據(jù)簇頭節(jié)點位置把網絡中簇頭節(jié)點分為若干等級，基站是第0級(IevelO)；步驟2，簇頭路徑選擇使用單、多跳結合的通信方式。監(jiān)測區(qū)域劃分后，簇頭節(jié)點都知道自己所屬等級，然后每一個簇頭節(jié)點在上一級中選出最近的簇頭作為下一跳節(jié)點，即其父節(jié)點，第一級簇頭的父節(jié)點是基站，基站為最高級。單跳通信中，簇頭融合收到的信息后直接發(fā)給基站，多跳通信中則由簇頭經過其父節(jié)點一步步轉發(fā)到基站；步驟3，簇的建立延續(xù)了 LEACH協(xié)議中定義的“輪”的概念，只是每輪中不再對簇頭進行選舉，整個網絡的生命周期內簇頭是固定不變的，超級節(jié)點具有較高的能量一直擔任簇頭。簇的建立以達到最少的通信能耗為標準，簇頭通過廣播一數(shù)據(jù)包通知自己是簇頭，周圍普通節(jié)點根據(jù)接收到的信號強度申請加入到不同的簇，簇頭回復確認加入信息；步驟4，數(shù)據(jù)傳輸階段通信方式的選擇在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段，普通節(jié)點采集有效信息直接傳送到簇頭，簇頭采用單、多跳結合方式將數(shù)據(jù)轉發(fā)到基站。
2.根據(jù)權利要求1所述的異構傳感網中基于圓環(huán)域的節(jié)點能耗均衡方法，其特征在于步驟1中，將監(jiān)測區(qū)域根據(jù)通信半徑劃分成若干個等寬的圓環(huán)域，根據(jù)簇頭到基站的距離分成與圓環(huán)域對應的等級，離基站越近等級越高。
3.根據(jù)權利要求1所述的異構傳感網中基于圓環(huán)域的節(jié)點能耗均衡方法，其特征在于，步驟2中，路徑的選擇以單跳比例為η，多跳比例為1-η進行數(shù)據(jù)傳輸，η由下式確定
4.根據(jù)權利要求3所述的異構傳感網中基于圓環(huán)域的節(jié)點能耗均衡方法，其特征在于單跳通信頻率η是根據(jù)第一級簇頭和最后級簇頭消耗能量相等得到的，即P。H(1，n)=Pch(m，η)，m是簇頭的最后級。
5.根據(jù)權利要求1，2，3所述的異構傳感網中基于圓環(huán)域的節(jié)點能耗均衡方法，其特征在于步驟4中，每 ο輪為一周期，一周期中從第一輪到第 ο n-ι輪使用單跳通信方式，第ion輪到第10輪使用多跳通信方式，然后進入下一個新的周期。
全文摘要
本發(fā)明公開一種異構傳感網中基于圓環(huán)域的節(jié)點能耗均衡方法。它包括通過對監(jiān)測區(qū)域進行圓環(huán)的劃分來確定簇頭等級，傳感網內部署兩種不同硬件配置的傳感器節(jié)點，簇頭采用最優(yōu)單、多跳比例的通信方式。本發(fā)明利用傳感器節(jié)點能耗模型，根據(jù)發(fā)射不同距離數(shù)據(jù)包時能量消耗增長速度的不同，并結合單、多跳通信方式的弊益，得到簇頭混合通信方式中與監(jiān)測區(qū)域半徑相關的單、多跳最優(yōu)比例，均衡了節(jié)點的負載，有效的延長了無線傳感器網絡的生命周期。
文檔編號H04W40/10GK102572996SQ20121004413
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權日2012年2月24日
發(fā)明者江禹生, 管芳 申請人:重慶大學