一种无线传感器网络中聚簇重构的负载均衡方法技术

本发明专利技术涉及一种无线传感器网络中聚簇重构的负载均衡方法，其特征在于包括如下步骤：将无线传感器网络节点集合划分成为多个子集合；将聚簇重构的负载均衡方法划分为稳态和重构两个阶段；在稳态阶段，进行初始化轮数、簇头、消息数，当前轮接受原始数据和消息数；在重构阶段的第1轮随机创建簇头集合；在重构阶段的其余轮，根据簇中的簇头和节点数等条件，从节点子集中选择一个最多剩余能量的节点为簇头；或根据当前簇头所满足的条件，或者广播消息，或者标记接受消息数，重新选择簇头；运用平衡因子作为负载均衡的衡量标准，来均衡化网络内的能量消耗并减少通信拥塞。本发明专利技术对重构的系统步骤进行了改进，实现了对各个簇区域的负载平衡，具有均衡化网络内的能量消耗并减少通信拥塞、延长网络生命周期的特点。

【技术实现步骤摘要】

:本专利技术涉及，属无线传感器网络设计应用
。
技术介绍
:微电子技术、嵌入式计算技术以及无线通信等技术的飞速发展和日益成熟，推动了低功耗、多功能传感器技术的快速发展，使之具有在微小体积的传感器节点内集成信息采集、数据处理和无线通信等功能。部署在感知区域的大量微型传感器节点，为了协同地感知、处理和传输采集到的数据，通过多跳的自组织无线通信方式，最后形成一个无线传感器网络，简称为传感器网络。目前，传感器网络正被广泛地应用于鸟类迁徙、煤矿挖掘、海深测量等各种领域，具有广阔的应用前景。传感器网络的特点是传感器节点资源受到某些限制，比如能量供给有限，计算、通信能力受限。同时，传感器网络的数据具有连续、不确定性等特点。为此，人们深入研究了以数据为中心的传感器网络资源与任务管理技术，包括资源分配、任务分配、任务调度等。这些研究已经取得了许多有价值的成果，但仍有许多问题没解决:第一，如何将抽象任务分解为若干由基本任务组成的子任务序列，并实现各个基本任务的负载均衡；第二，现有的任务管理方法，对任务管理引起的节点间能量分配不均考虑得还不够，需要在实施有效任务管理的同时实现对网络能量资源的优化配置；第三，只考虑到已知的静态环境，不能适应与资源和任务管理的实时应用需求，结果是不能根据任务的动态变化自适应地调节网络的性倉泛。传感器网络的负载均衡通过调节各节点的任务量和数据流量来均衡化网络内的能量消耗，并减少通信拥塞，最终延长系统寿命。重构算法用来延长网络寿命，被划分为两类，自愿重构和强制重构。一方面，自愿重构采用一个分布函数或邻居节点表来确定簇头，依据每个节点所选随机数和一个分布函数来随机选择簇头。现有的方法用节点的剩余能量来确定相关阈值，这样剩余能量较多的节点成为簇头的可能性大，达到了延长网络寿命的目的。通过维护邻接表，满足给定条件(如最小节点标识、最大邻居节点数、或最大剩余能量)的节点成为簇头。但是，簇头位置或分布不能成为影响重构的因素，上述自愿重构方法导致簇头分布错误，且每次重构中簇头数都会改变，使得聚簇网络的能耗高，所以不理想。另一方面，强制重构中，当簇头的剩余能量小于上述阈值，剩余能量最多的节点会被选作下一簇头。当簇头聚合节点数据到所在簇中去时，会得到剩余能量的信息，即每个节点的信息被加到数据包中并传送到簇头。很多情况下，簇头数在重构过程中是常数，如果簇头数准确，强制重构比自愿重构更能节省能量。然而，同样的问题也出现在平衡节点数中，因为簇头的分布不能成为重构的决定因素。以上这些策略都是从单个方面讨论负载均衡问题，因此需要设计精简、自主适变、快速收敛的方法来实现对网络能量资源的优化配置。
技术实现思路
:为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供，把任务管理划分为稳态和重构两个阶段，建立了对网络能量资源的优化配置，对重构的系统步骤进行了改进，实现了对各个簇区域的负载平衡，具有均衡化网络内的能量消耗并减少通信拥塞、延长网络生命周期的特点。本专利技术是通过如下技术方案来实现上述目的的。本专利技术提供的，包括如下步骤:(I)将无线传感器网络节点集合划分成为多个子集合，将一个节点在单跳传输距离内没有簇头的概率称为孤立概率，将许多帧构成的周期称为轮；(2)将聚簇重构的负载均衡方法划分为稳态和重构两个阶段；(3)在稳态阶段，进行初始化轮数、簇头、消息数，当前轮接受原始数据和消息数；(4)在重构阶段，第I轮随机创建簇头集合；(5)在重构阶段的其余轮，根据簇中的簇头和节点数能满足相关阈值条件，从节点子集中选择一个最多剩余能量的节点为簇头；(6)在重构阶段的其余轮，根据当前簇头所满足的条件，或者广播消息，或者标记接受消息数，重新选择簇头；(7)运用平衡因子作为负载均衡的衡量标准，来均衡化网络内的能量消耗并减少通?目拥塞。所述步骤(1)中，将无线传感器网络节点集合划分成为多个子集合；每个子集合称为一个簇，并具备一个簇头；每个簇由簇头节点负责全局路由，其它节点从簇头处接受数据或通过簇头发数据；所述步骤(2)中，将聚簇重构的负载均衡方法，划分为稳态和重构两个阶段；其中，轮为包含稳态阶段和重构阶段的周期；稳态阶段被划分为许多帧，每一帧的所有节点传送原始数据到各自的簇头中去；孤立概率为单跳环境中一个节点在传输距离内没有簇头的概率；消息数为所有节点收到消息后，记下的一个节点传输距离内的消息数目；所述步骤(3)中，在稳态阶段，初始化轮数、簇头、消息数，当前轮接受原始数据和消息数；在稳态阶段，第i个簇中的节点发送原始数据(包括消息数及和剩余能量的索引信息)到簇头Vi (m)中去；通过节点数据的聚合，Vi(IH)能获得它所在簇中的节点η? ;仓1|建节点子集为Vi (m)在它所在的簇中创建的节点集合，记为Qi(IH)；①如果消息数可接受(及二 j )，则嫁接节点到元素子集0m,#)，并更新参数；②如果消息数不可接受则将节点中非簇头节点的任务转移到簇头节点，并传输含消息数及和剩余能量在内的原始数据到簇头，所有的簇头组成新的消息源节点集合；所述步骤(4)中，在重构阶段，第I轮随机创建簇头集合；如果m=l,随机地创建簇头集合V (m)；在下一轮的重构阶段中，确定一个新的簇头集合V (m+1);通过消息如η?、及和节点的剩余能量，在每个Vi (m)在簇中选择一个合适的节点作为簇头Vi (m + I)；所述步骤(5)中，在重构阶段的其余轮，根据簇中的簇头和节点数能满足相关阈值条件，从节点子集中选择一个最多剩余能量的节点为簇头；所述步骤(6)中，在重构阶段的其余轮，根据当前簇头所满足的条件，或者广播消息，或者标记接受消息数后重新选择簇头；所述步骤(7)中，运用平衡因子作为负载均衡的衡量标准，来均衡化网络内的能量消耗并减少通?目拥塞；为了测量一个路由树上不同分支负载均衡的效果，用契比雪夫不等式来作为负载均衡的衡量标准。本专利技术与现有的技术相比，具有如下有益效果:1、本专利技术由于对无线传感器划分成为多个子集合，聚簇后分别做孤立概率处理和轮处理，并把任务管理划分为稳态和重构两个阶段，因此实现了对网络能量资源的优化配置。 2、本专利技术由于对重构的系统步骤进行了改进，并采用一个簇中的节点数和在节点传输距离内的簇头数这两个指标来选择下一簇头，通过广播消息或者标记接受消息数，由创建节点子集进行重构管理，因此实现了对各个簇区域的负载平衡。3、本专利技术由于在完成聚簇的负载平衡后，又采用平衡因子来均衡化网络内的能量消耗并减少通信拥塞，因此延长了网络生命周期。【附图说明】:图1:为本专利技术的簇头操作示意图。图2:为本专利技术的稳态阶段流程示意图。图3:为本专利技术的重构阶段流程示意图。图4:为本专利技术的节点重构示意图。【具体实施方式】:下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术提供的，包括如下步骤:(I)将无线传感器网络节点集合划分成为多个子集合；将无线传感器网络节点集合划分成为多个子集合；将一个节点在传输距离内没有簇头的概率称为孤立概率，将许多帧构成的周期称为轮；每个子集合称为一个簇并配备一个簇头；每个簇由簇头节点负责全局路由，其余节点从簇头处接受数据或通过簇头发出数据；簇头比一般节点消耗更多的能量，所以簇头需要在节点中轮转来防止能量耗尽；簇头的轮转需要重构，聚簇网络的能耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络中聚簇重构的负载均衡方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将无线传感器网络节点集合划分成为多个子集合，将一个节点在单跳传输距离内没有簇头的概率称为孤立概率，将许多帧构成的周期称为轮；（2）将聚簇重构的负载均衡方法划分为稳态和重构两个阶段；（3）在稳态阶段，进行初始化轮数、簇头、消息数，当前轮接受原始数据和消息数；（4）在重构阶段，第1轮随机创建簇头集合；（5）在重构阶段的其余轮，根据簇中的簇头和节点数能满足相关阈值条件，从节点子集中选择一个最多剩余能量的节点为簇头；（6）在重构阶段的其余轮，根据当前簇头所满足的条件，或者广播消息，或者标记接受消息数，重新选择簇头；（7）运用平衡因子作为负载均衡的衡量标准，来均衡化网络内的能量消耗并减少通信拥塞。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络中聚簇重构的负载均衡方法，其特征在于包括如下步骤: (1)将无线传感器网络节点集合划分成为多个子集合，将一个节点在单跳传输距离内没有簇头的概率称为孤立概率，将许多帧构成的周期称为轮； (2)将聚簇重构的负载均衡方法划分为稳态和重构两个阶段； (3)在稳态阶段，进行初始化轮数、簇头、消息数，当前轮接受原始数据和消息数； (4)在重构阶段，第I轮随机创建簇头集合； (5)在重构阶段的其余轮，根据簇中的簇头和节点数能满足相关阈值条件，从节点子集中选择一个最多剩余能量的节点为簇头； (6)在重构阶段的其余轮，根据当前簇头所满足的条件，或者广播消息，或者标记接受消息数，重新选择簇头； (7)运用平衡因子作为负载均衡的衡量标准，来均衡化网络内的能量消耗并减少通信拥塞。2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中聚簇重构的负载均衡方法，其特征在于所述步骤(1)中，将无线传感器网络节点集合划分成为多个子集合；每个子集合称为一个簇，并具备一个簇头；每个簇由簇头节点负责全局路由，其它节点从簇头处接受数据或通过簇头发数据。3.根据权利要求1所述 的一种无线传感器网络中聚簇重构的负载均衡方法，其特征在于所述步骤(2)中，将聚簇重构的负载均衡方法，划分为稳态和重构两个阶段；其中，轮为包含稳态阶段和重构阶段的周期；稳态阶段被划分为许多...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦航，杨强，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：