一种无线传感器网络中针对节点能耗优化的分布式活动规划法。所述方法包括两个主要步骤：步骤一，由位于该网络中的任意一传感器节点发起信息收集过程。发起节点通过无线信道对其通信覆盖范围内的邻居节点进行广播，并进行信息交换；步骤二，所有节点在信息收集过程结束后，获得更新过的自身及其所有邻居节点的覆盖优势值。通过检视覆盖优势值列表，具有较高覆盖优势值的节点获得成为活跃节点的优先权。决策过程所采用的覆盖优势值由节点所拥有的残存能量等级指标和该节点感应区域所覆盖的邻居节点数量两个变量的组合，以及经验权值共同决定。本发明专利技术通过对节点的能耗速度与铺设密度的综合考虑，优化了节点活动规划，提高了无线传感器网络的生存期。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线传感器网络
，具体涉及一种无线传感器网络中针对节点能耗优化的分布式活动规划法。
技术介绍
无线传感器网络通常由数量众多的传感器节点组成。单个的传感器节点通常针对某项特定的数据采集任务而设计，例如采集环境状况数据以及感知指定的特殊事件。通常来说，传感器节点具有体积小，重量轻，采用电池供电等特点。在无任何节点活动规划管理的情况下，一个传感器节点的电池持续供电时间，或称之为生存时间，将非常短暂。由于单个传感器节点只具有有限的感知能力与覆盖面积，所以在一个典型的基于无线传感器网络的监测系统中，需要众多的传感器节点协同合作，提供更大范围的覆盖面积和更优秀的系统性能。因此，在系统的整体设计中，一个重要的要求是在考虑能量消耗的同时，通过对节点活动进行规划，尽可能最大化整体网络的监测覆盖面积。目前针对上述问题的算法研究主要从几个方面进行设计考虑。在考虑对监控区域的覆盖时，主要采用覆盖面积的分析手段。在考虑节点的铺设方式选择时，主要采用确定型节点铺设法，即网络所属传感器节点的位置相对较固定。现有方法也多数使用集中式规划方法，并假定网络中有部分组成节点具有较强的计算、通信和感知能力，从而帮助网络进行区域划分和规划。然而，这些算法在较为复杂环境中的实际应用里存在较多缺陷。例如覆盖面积的分析手段需要依赖第三方参与观测，而对于无线传感器网络自身，其分布式的特性使得单个节点难以获知整体系统的监测覆盖面积信息。确定型节点铺设法则由于在众多实际应用中节点位置的不确定性和移动性而缺乏广泛适用性。同时，集中式规划法违背了无线传感器网络的分布式特性，极大耗费了网络的通信、计算资源，而降低了网络的生存能力。传统算法多针对节点具有异质性的无线传感器网络，而限制了应用范围。采用同质性网络可以大幅度降低硬件成本，系统复杂度和后期维护成本。本专利技术基于对具有以下几个显著特征的无线传感器网络的考量之上。本专利技术适用于具有同质性节点的网络系统，其单一节点的无线通信距离大于其传感器感应距离的两倍。本专利技术的规划算法以网络组成节点的位置为覆盖参考点。本专利技术适用于随机铺设的无线传感器网络，同时也可直接应用于确定型铺设法组建的网络。-->
技术实现思路
本专利技术综合考虑了以上提到的无线传感器网络节点规划的要求，针对应用于监测目的的大规模无线传感器网络提出了一种全新的节点活动规划方法。本专利技术适用于同质性无线传感器网络，对节点铺设方式和网络规模无特殊限制。本专利技术通过对节点的活动周期进行规划，使得部分冗余节点保持节电状态，从而实现在保证监测覆盖面积最大化的前提下大幅度提高网络生存时间。本专利技术通过以下步骤进行节点活动规划方法的实现：步骤一，网络组成各节点独立执行信息收集过程。由于本专利技术所述方法基于分布式网络结构，所述信息收集过程可由网络中任意一节点发起。该发起节点通过无线信道对其邻居节点进行持续性广播，实现与处于其通信覆盖范围内的所有邻居节点进行信息交换的目的。所述信息收集过程中，任一邻居节点在被唤醒并参与信息收集过程时，也同时作为新的发起节点对其所覆盖的区域进行独立的信息收集过程。所述信息收集过程中，任一节点依据其所收集的邻居节点信息，计算其自身用于规划决策的唯一参数，本专利技术中称之为覆盖优势值。所述参数亟覆盖优势值包含两个决定因素：节点所拥有的残存能量等级指标和节点感应区域所能覆盖的邻居节点数量。所述覆盖优势值由所述两个决定因素的线性或非线性组合计算得到。本专利技术不涉及具体组合方式的选择，仅在实施方式中给出示例予以说明。步骤二称之为决策过程。本专利技术所述的决策过程在信息收集过程结束后执行，采用覆盖优势积分法进行决策。任一节点与其邻居节点在信息收集过程结束后，应准确获知其自身覆盖优势值以及其所有邻居节点的覆盖优势值。当任一节点检视其所获知的邻居节点信息时，如果其自身覆盖优势值大于所有位于其感应范围内的邻居节点所具有的覆盖优势值，该节点选择成为活跃节点；反之，当有任意位于其感应范围内的邻居节点具有更高的覆盖优势值时，该节点选择成为惰性节点。所述活跃节点即处于工作状态的节点。活跃节点通过搭载的传感器对所覆盖区域执行感应监测任务，并作为多跳网络的组成节点担任必要的网络数据传输任务。所述惰性节点即处于节电状态的节点。惰性节点不参与网络数据传输及感应监测活动。惰性节点根据其内置时钟的设定规律性的对无线信道进行监听，在收到唤醒信号后参与下一轮活动规划。以上所述步骤每完整执行一次，即称之为一个执行周期。整体网络所属节点的活动规划在每一个执行周期内重新进行一次分配，获得新的状态分布。本专利技术所述规划方法执行周期-->具有可调性，依据网络及应用实际进行合理调整。同现有技术进行比较，本专利技术具有以下创新之处：本专利技术采用了圆形无差别感应区域作为节点的传感器感应模型，对节点的铺设方法和网络规模无特殊限制，并且同时适用于确定型和随机型铺设的无线传感器网络。本专利技术采用了分布式决策方法，提高了整体系统的健壮性。本专利技术提出节点分布式决策机制采用了全新的覆盖优势积分法，相对传统方法扩大了算法中单个节点获取邻居信息的范围，以得到更为优化的节点规划结果。周期性的网络更新使得整体网络能量消耗得以更均衡的分布，从而使得网络生存期得以延长。附图说明图1为本专利技术的传感器节点分布及模型图。图2为本专利技术的节点信息收集过程示意图。图3为本专利技术的信息收集过程步骤示意。图4为本专利技术的决策过程步骤示意。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术做更详细的描述。图1中显示了一个规模无限制的大型无线传感器网络在一个小限定区域内的节点随机分布状况，其中黑色的实心点代表了传感器节点。以该区域内标记为N1的节点为示例，其感应距离标记为Rs，所覆盖的感应区域以虚线标记的圆圈表示。N1节点的通信距离Rc如图所示两倍于Rs，即Rc>2×Rs，以实线标记的圆圈表示。该区域内另一节点标记为N2。其于N1节点之间的直线距离D小于N1的通信距离Rc，故N1节点和N2节点具有直接的无线通信链路。如图2所示，在本专利技术所述的节点规划方法步骤一的信息收集过程中，标记为N1的节点发起此轮信息收集过程，并向位于实线圆圈所示其通信覆盖区域内的所有邻居节点广播信息交换请求。在收到信息交换请求之后，N1的邻居节点之一即标记为N2的节点随即开始N2所覆盖的虚线圆圈通信区域内所有节点广播属于N2的信息交换请求。同理，该过程逐步延伸至整个网络。图3中显示了在本专利技术所述信息收集过程中，单个节点执行此过程的详细步骤。当某节点判定自身为发起节点后，即开始对其邻居节点进行周期性广播，请求进行信息交换。该过程应持续直至其所有邻居节点均参与该信息收集过程为止。当该发起节点完成自身覆盖优势值的更新后，应将其更新的覆盖优势值发布给其所有邻居节点。每一节点依据其所收集的邻居信息计算其自身的覆盖优势值，标记为Mi。如前所述，覆-->盖优势值取决于该节点所拥有的残存能量等级指标和节点感应区域所覆盖的邻居节点数量。本实施例给出两种具体覆盖优势值的线形组合计算公式，但本专利技术的保护范围不限于所述两种计算方法。1、通过建立基于经验值的模型，一个节点的覆盖优势值可以直接由其残存能量等级指标P和位于其感应覆盖区域内的邻居节点数量N计算，公式如下：Mi＝α·P+β·N所述公式中，α和本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无线传感器网络中针对节点能耗优化的分布式活动规划法，其特征包括以下步骤： 步骤一：由位于该网络中的任意一传感器节点发起信息收集过程。发起节点通过无线信道对其通信覆盖范围内的邻居节点进行持续性广播，并进行信息交换，完成其覆盖优势值参 数的更新。 步骤二：所有节点在信息收集过程结束后，获得更新过的覆盖优势值以及建立其所有邻居节点的覆盖优势值列表。对任一节点，须检视其邻居节点覆盖优势值列表，并与自身覆盖优势值进行比较。具有较高覆盖优势值的节点获得成为活跃节点的优先权。
【技术特征摘要】
【权利要求1】一种无线传感器网络中针对节点能耗优化的分布式活动规划法，其特征包括以下步骤：步骤一：由位于该网络中的任意一传感器节点发起信息收集过程。发起节点通过无线信道对其通信覆盖范围内的邻居节点进行持续性广播，并进行信息交换，完成其覆盖优势值参数的更新。步骤二：所有节点在信息收集过程结束后，获得更新过的覆盖优势值以及建立其所有邻居节点的覆盖优势值列表。对任一节点，须检视其邻居节点覆盖优势值列表，并与自身覆盖优势值进行比较。具有较高覆盖优势值的节点获得成为活跃节点的优先权。【权利要求2】根据权利要求1所述的无线传感器网络中针对节点能耗优化的分布式活动规划法，其特征包括，所述无线传感器网络属于同质性随机网络，具体为：所有从属于所述无线传感器网络的节点具备相近的物理特性，包括运算能力，无线通信，感应能力，以及能耗特性等。所述无线传感器网络可采用随机型节点铺设方法，但该发明同样适用于采用确定型节点铺设方法的无线传感器网络。【权利要求3】根据权利要求1所述的无线传感器网络中针对节点能耗优化的分布式活动规划法，其特征包括，所有从属于所述无线传感器网络的节点的通信覆盖距离2倍于其有效感应距离。【权利要求4】根据权利要求1所述的无线传感器网络中针对节点能耗优化的分布式活动规划法，其特征包括，所述信息收集过程中由位于该网络中的任意一传感器节点发起；其邻居...
【专利技术属性】
技术研发人员：傅城，王景军，申成，
申请(专利权)人：傅城，王景军，申成，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]
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