CN101286917A - 一种基于休眠机制延长异构无线传感器网络寿命的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于休眠机制延长异构无线传感器网络寿命的方法，在无线传感器网络布置之后，按周期开始工作，每个周期分为三个阶段：簇形成阶段(Tcluster)、簇休眠和活动阶段(Tschedule)和簇活动节点传输监测数据阶段(Tdata)。本发明的技术效果是：由于考虑了节点的冗余，采用了休眠机制，无线传感器网络的稳定周期将比SEP延长大约近30％，也即无线传感网络寿命将延长30％。

Description

一种基于休眠机制延长异构无线传感器网络寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种基于休眠机制延长异构无线传感器网络寿命的方法。

背景技术

无线传感器网络(WSNs：Wirless Sensor Networks)是由在监控区域内部署大量的廉价传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目标是协作地感知、采集和处理网络覆盖中感知对象的信息，并发送给相关观察者。无线传感器网络在环境监测、军事侦察、抢险救灾、医疗护理、空间和水下探测等领域有着广泛的应用前景。由于受到成本与体积等原因的限制，无线传感器节点的处理能力、无线带宽和电流容量都很有限。无线传感器网络节点的能量在多数情况下无法得到补充，因此尽可能地延长无线传感器网络的工作寿命成为无线传感器网络设计中的关键问题之一。将传感器节点组织成簇的拓扑形式可以有效地减少网络的能量消耗，延长网络工作寿命，许多拓扑协议都是在簇结构的基础之上进行设计的。分簇方案具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单，良好的扩展性与鲁棒性等优点，成为了当前重点研究的拓扑技术。无线传感器网络一般具有较大的节点密度，在算法和协议设计时及时考虑到节点高密度所带来的可扩展性、冗余性，可进一步提高节点能量的使用效率，从而延长网络的生命周期。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于休眠机制延长异构无线传感器网络寿命的方法，在满足覆盖服务质量的前提下，让部分冗余节点及时进入休眠状态，从而延长网络的生命周期。

本发明是这样来实现的，在无线传感器网络布置之后，按周期开始工作，每个周期分为三个阶段：簇形成阶段(Tcluster)、簇休眠和活动阶段(Tschedule)和簇活动节点传输监测数据阶段(Tdata)；

(1)簇形成阶段：也是簇头的选举过程，针对不同能量的节点，根据不同的概率选举簇头，在簇头选举完成之后，对于非簇头节点，它们就近加入与之距离最近的簇头，从而形成相应的簇，Tcluster阶段结束。

(2)簇休眠和活动阶段：簇内节点以一定概率参与休眠调度，各个簇根据休眠调度方案决定自己是否成为活动节点或休眠节点，簇头再根据活动节点创建一个TDMA时隙调节，并把调度广播给簇内的所有活动的成员节点，Tschedule结束。

(3)Tdata阶段为活动节点传输监测数据阶段。

本发明的技术效果是：由于考虑了节点的冗余，增加了休眠机制，无线传感网络的稳定周期将比SEP又延长了大约近30％，也即无线传感网络寿命将延长30％。

具体实施方式

本发明具体实施方法步骤如下：

一、T_cluster阶段

簇形成阶段T_cluster，细分为簇头形成与簇划分两个小阶段。

假定N个传感器节点随机均匀分布在一个M×M的二维正方形区域A内，且SINK节点位于中心位置，簇头每次收到每个簇内节点发来l比特的信息之后，对所有接收数据聚合成长为l比特的信息，然后发送到SINK节点。

每个网络最优的簇头数可通过公式

$k_{\mathrm{opt}}=\sqrt{\frac{n}{2\mathrm{\π}}}\frac{M}{d_{\mathrm{toBS}}}=\sqrt{\frac{n}{2\mathrm{\π}}}\frac{2}{0.765}$

得到，通过最优簇头数的选择，最后得到节点成为簇头的概率： $p_{\mathrm{opt}}=\frac{k_{\mathrm{opt}}}{N}.$

其它各个节点以自己的加权概率形成簇头，簇头形成之后，它开始向邻居节点广播Head_msg消息，各个非簇头节点在收到邻近多个簇头广播消息Head_msg之后，按距离优先原则就近加入距离最近的簇头。

二、T_schedule阶段

在簇形成之后，根据簇内节点的数量及距离远近，依据以下方法对于簇内节点进一步细分为活动节点与休眠节点。

设置簇内休眠调度半径r_c，则以簇头为中心，整个休眠调度面积为πr_c ²，在实际的环境中每一个传感器节点都有一定的感知距离r_s，比如一般超声波传感器的传感半径为10米左右。分层拓扑结构中，每个簇内的都有一定的普通节点与之通信。覆盖一个区域面积为S的最小的节点数量为

对于确定区域，及确定的传感节点数量，节点按密度ρ随机分布，则在面积为S的区域里找到n个节点的概率为(ρS)n·e^-ρS/n！，并且这n个节点是均匀分布。对于调度面积πr_c ²，找到η_min个节点的概率为：

在高密度无线传感器网络中，单位面积节点的密度很高，也即ρ值很大，对于服务要求的确定覆盖率P，以及确定的ρ值及感知半径r_s，最终能确定最佳的休眠调度半径r_c。考虑到传感器网络节点计算能力有限，而确定覆盖率又是一个NP困难问题，本方法确定r_c时，以最佳簇头数所占整个监控区域平均分配面积所等价的半径为r_c值，也即

$r_c=\sqrt{\frac{A}{\mathrm{\π}{k}_{\mathrm{opt}}}}$

由于传感器节点是随机分布，最佳覆盖情况只是实际覆盖特殊情况，为了保证覆盖，同时避开覆盖控制算法牵涉到的NP完全问题，可在一个簇内取实际节点与最小覆盖节点数的期望值

作为工作节点数量，也即覆盖节点数量，其中η_f为网络簇内平均节点数。则

因此在T_schedule阶段对于任意的簇C_j内节点s_i∈C_j处于休眠状态的概率为： $p_s=(1-\frac{\mathrm{\η}}{{\mathrm{\η}}_f})$

簇内各节点通过产生一个0到1之间的随机数rand，并与p_s比较，如果小于等于p_s则进入休眠状态，如果大于p_s，则节点成为活动节点，并通知簇头。

三、T_data阶段

在确定休眠节点与活动节点之后，T_data阶段，簇头节点依活动节点加入的先后顺序为其分配的TDMA时隙，活动节点在数据收集之后依所分配的TDMA时隙将数据发送到簇头，簇头收集完所有活动节点的数据之后，进行数据聚合，并把聚合之后的数据传输到基站。

四、结论

无线传感器网络的稳定周期一般定义为从网络开始工作至网络第一节点死亡所持续的时间。对于新方法SEA，由于考虑了节点的冗余性，增加了休眠机制，无线传感器网络的稳定周期将比SEP延长了大约近30％，也即无线传感器网络寿命将延长30％。

Claims (1)

1、一种基于休眠机制延长异构无线传感器网络寿命的方法，在无线传感器网络布置之后，按周期开始工作，其特征是方法步骤为：每个周期分为三个阶段：簇形成阶段、簇休眠和活动阶段和簇活动节点传输监测数据阶段：

(1)簇形成阶段：也是簇头的选举过程，针对不同能量的节点，根据不同的概率选举簇头，在簇头选举完成之后，对于非簇头节点，它们就近加入与之距离最近的簇头，从而形成相应的簇，Tcluster阶段结束；

(2)簇休眠和活动阶段：簇内节点以一定概率参与休眠调度，各个簇根据休眠调度方案决定自己是否成为活动节点或休眠节点，簇头再根据活动节点创建一个TDMA时隙调节，并把调度广播给簇内的所有活动的成员节点，Tschedule结束；

(3)Tdata阶段为活动节点传输监测数据阶段。