CN101355517B - 基于无线传感器能量信息的网络负载平衡方法 - Google Patents
基于无线传感器能量信息的网络负载平衡方法 Download PDFInfo
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Abstract
基于无线传感器能量信息的网络负载平衡方法：(1)Sink广播能源报告消息；(2)节点收到Sink的能源报告后，更新和维护本地负载转发表；(3)计算各转发节点所应承担的负载分配比例和各节点需要承担的负载；(4)当本地节点相对转发节点距离汇聚节点更远或者和转发节点互为同层兄弟节点时转发该消息；(5)用自身能源信息修改消息中的各字段值，向除了转发节点外的所有下层邻居节点或同层兄弟节点转发该消息；(6)所有节点收到能源报告消息时，停止此消息的转发；(7)单个周期内能源报告消息转发完毕后，反向使用能源报告消息的传播路径逐跳地建立从传感节点到汇聚节点Sink的负载汇聚路由；(8)汇聚节点Sink周期性地发起能源报告消息，完成传感数据的分配及其汇聚的过程。本发明解决了大规模无线传感器网络负载平衡及网络生存周期的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于无线传感器网络负载均衡方法，属于无线传感器网络技术领域。
背景技术
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式组成的一个多跳的自组织网络系统，能广泛应用于军事、环境监测与预报、医疗护理、建筑物状态监控、智能家居等领域。
无线传感器网络研究的关键技术包括网络拓扑控制、路由技术、节点定位技术、时间同步、数据融合与管理、能源管理方案、网络安全等。本发明主要涉及的是无线传感器网络的路由技术和能源管理两个方面。
无线传感器网络本身的特点决定了节点的能量有限，且不能利用有线链路持续供电，因此如何延长整个网络的生存期限成为传感器网络协议设计的重点，需要考虑的主要因素包括节点的能源消耗以及网络负载的均衡问题。高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征，早期提出的一些传感器网络能量感知路由协议往往仅考虑了能量因素，提出最大可用能量路由、最小能量消耗路由、最大最小可用能量路由等，但都需要知道全网拓扑信息。Rahul C.Shah等人(参见Shah R C，Rabaey J M.Energy aware routing for low energyad hoc sensor networks.Wireless Communications and Networking Conference(WCNC’02)，IEEE，Volume1，17-21March，2002)提出的能量多路径路由机制在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据路径上节点的通信能量消耗以及节点的剩余能量情况，为每条路径赋予一定的选择概率，根据概率在路由表中选择一个节点作为路由的下一跳节点，但频繁使用同一条路径传输数据就会造成该路径上的节点因能量消耗过快而过早失效，从而使整个网络分割成互不相连的孤立部分，减少了整个网络的生存期。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种基于无线传感器能量信息的网络负载平衡方法，该方法能够平衡无线传感器网络的负载，使网络能量在所有节点间均衡地消耗，延长了整个网络的生存周期。
本发明采用的技术方案为：一种基于节点能量信息的无线传感器网络负载平衡方法，包括能源报告消息转发和负载汇聚过程，其具体步骤如下：
(1)终端用户通过无线链路控制汇聚节点Sink发起能源报告消息的动作，汇聚节点Sink向全网广播能源报告消息，所述的能源报告消息包括转发节点的编号、消息类型、剩余能量、能耗比、跳数、时间戳字段；
(2)网络中的其它节点收到汇聚节点Sink发来的能源报告消息后，更新和维护本地负载转发表，所述的本地负载转发表中的每个转发表项是由转发节点的编号、消息类型、剩余能量、能耗比、跳数、时间戳字段组成；
(3)根据本地负载转发表表项中的剩余能量和能耗比计算各转发表项中的各转发节点所应承担的负载分配比例；
(4)根据步骤(3)中计算的负载分配比例，将本地节点的负载按照负载分配比例分别传送到对应的上层各节点中，并计算各节点需要承担的负载；
(5)按照上述步骤(2)、(3)、(4)完成本地节点负载的分配后，需要根据能源报告消息中的跳数字段决定是否转发该消息，只有当本地节点相对转发节点距离汇聚节点更远或者和转发节点互为同层兄弟节点时，才转发该消息；
(6)若本地节点决定转发能源报告消息，首先需要用自身能源信息修改消息中的各字段值，然后向除了转发节点外的所有下层邻居节点或同层兄弟节点转发该消息；
(7)节点可能会收到多个邻居节点发来的能源报告消息，当网络中的所有节点都收到能源报告消息或一次能源报告周期结束时，停止此消息的转发；
(8)单个周期内能源报告消息转发完毕后，反向使用能源报告消息的传播路径逐跳地建立从传感节点到汇聚节点Sink的负载汇聚路由，完成一个周期内传感数据的收集；
(9)汇聚节点Sink周期性地发起能源报告消息，所有节点重复执行上述步骤(2)—步骤(7)，从而完成传感数据的分配及其汇聚的过程。
所述步骤(2)中建立或更新本地负载转发表，实现维护本地负载转发表的过程为：
(2.1)转发表的建立：若本地转发表中无能源报告消息中转发节点对应的表项，需要在转发表的末尾新增加一个条目，并将转发节点的编号、消息类型、剩余能量、能耗比、跳数、时间戳填入新表项的对应字段；
(2.2)转发表的更新：若本地转发表中有能源报告消息中转发节点对应的表项，且对应表项中的某些字段值发生了改变，需要将此表项更新；
(2.3)转发表的删除：若由于无线链路失效或超时原因导致转发表中的此表项不再可用，需要将此表项从转发表中删除。
所述步骤(3)中负载分配比例的计算公式为：
wi＝k1*Eresidual-i+k2*RegyRatio-i
其中：Eresidual-i的Regyratio-i分别为剩余能量和能耗比，节点的能耗比Regyratio-i通过计算该节点已消耗的能量和已发送的数据量(包括转发)之间的比值得到，k1，k2分别为剩余能量和能耗比对应的系数，可根据实际应用动态调整，i的取值范围为0≤i≤Numitems，Numitems为转发表中的表项数。
所述步骤(4)中各节点需要承担的负载的计算公式如下：
Traffici＝wi*Traffictotal
其中wi为步骤(3)中计算得到的负载分配比例，Traffictotal为本地节点欲发送到上层节点的总的负载量。
所述步骤(8)负载数据汇聚的过程步骤如下：
(8.1)若节点是位于网络边缘的传感节点，查找本地负载转发表，将其负载量按照权利要求1步骤(3)和步骤(4)描述的方法分配到多个上层节点或同层兄弟节点中；
(8.2)若节点是位于网络内部的传感节点，首先计算来自下层邻居节点或同层兄弟节点的负载，得到本地节点的负载总量，然后查找本地负载转发表并按照步骤(3)和步骤(4)描的方法将负载数据分配到多个上层节点或同层兄弟节点中；
(8.3)重复执行步骤(8.1)或步骤(8.2)直到所有数据汇聚到Sink节点和终端主机。
本发明的原理：在无线传感器网络中，利用传感器节点的能量信息优化网络路由协议进而达到网络负载平衡。Sink节点(汇聚节点)周期性地发送能源报告消息，网络中的所有节点都维护一张本地负载转发表，节点收到能源报告消息后，根据消息中的某些字段建立或更新本地负载转发表表项并计算各转发表项中的转发节点所应承担的负载分配比例；根据节点间的邻接关系决定是否转发能源报告消息，若转发则将自己的剩余能量、能耗比等信息填入此报文并通过无线多跳的方式向其余邻居节点转发。当网络中所有节点都收到此报文后，开始数据收集过程。位于网络边缘的感知节点按照一定的分配比例将自己的负载数据分配到多个上层邻居节点，网络内部节点首先计算自身的负载(包括转发负载量)大小，然后按照本地负载转发表中的负载分配比例将数据转发到多个上层邻居节点，重复此过程直到所有数据汇聚到Sink节点。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)该发明提出的基于传感器节点能量信息的网络负载平衡方法，不是建立唯一的一条到汇聚节点的路径，而是同时建立多条路径，可以使节点间均衡地消耗能量，且即使在某条链路失效的情况下仍能有效传输，延长了网络的生存期限；同时本发明考虑了网络中节点处理能力的差异，采用了分层的体系结构，因此适用于异构类型的大规模无线传感器网络。
(2)本发明利用了节点的剩余能量信息和节点处理能力的差异，因此适用于异构类型的传感器网络。节点在数据收集过程中，不再是从多个邻居节点中选择一个作为其转发节点，而是按照邻居节点的可用资源情况和能力大小分配负载，同一个节点可以有多个邻居节点为其转发数据，位于网络内部的节点也可能同时为多个邻居节点转发数据，这就使得所有邻居节点的能量均匀地消耗。本发明还采用了多层的思想，因此具有很强的可扩展性并可应用于大规模的无线传感器网络。
附图说明
图1为本发明的无线传感器网络拓扑图。
图2为本发明的节点能源报告消息流程图；
图3为本发明的网络负载汇聚流程图。
具体实施方式
本发明在具体实施前，需要有两个前提：
其一，无线传感器网络中的每个节点都能计算自己的剩余能量和已消耗能量。
节点的能量消耗模型主要包括无线收发器消耗的能量和功率放大器消耗的能量，可用下式表示：
ETx(k，d)＝ETx-elec(k)+ETx-amp(k，d)＝Eelec*k+εamp*k*d2
ERx(k)＝ERx-elec(k)＝Eelec*k
其中，ETx(k，d)和ERx(k)分别是节点传输k位的数据所消耗的发送能量和接收能量，ETx-elec(k)和ETx-amp(k，d)分别是节点上无线收发器和功率放大器消耗的能量，d是发送节点距离接收节点的距离，Eelec和εamp均是和硬件相关的参数，实际使用时可当作常数处理并根据实际情况适当调整，二者的参考值为Eelec＝50nJ/bit，εamp＝100pJ/bit/m2。可采用上述公式计算节点传送一定量的数据总共消耗的能量，根据节点初始时的总能量和已消耗能量计算节点的剩余能量。
其二，每个节点都需要累计自己已传输的数据总量，可以通过在每个节点内部设置一个计数器，每次传输数据时增加计数实现数据量的统计。
这两个前提用来计算能源报告消息中的剩余能量和能耗比两个字段值。
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述：
图1给出了适合采用本发明介绍方法的无线传感器网络拓扑图。图中各节点都有全网唯一的编号，其中1号节点为Sink节点用于收集传感数据，并通过无线链路与插有无线网卡的计算机终端相连。整个网络均采用无线链路通信，无线传感器网络中的节点负责采集温度、湿度、光强等传感数据，网络节点同时具有数据采集、通信和路由的功能。
图2是图1所示的无线传感器网络中的能源报告消息的转发流程图。网络中只有汇聚节点能发起并在全网广播能源报告消息，用户通过计算机终端控制汇聚节点的动作。汇聚节点在发起能源报告消息前，先将自身的剩余能量、能耗比、节点编号等信息填入该消息，网络中的其它节点收到邻居节点发来的能源报告消息后，更新和维护本地负载转发表，并计算转发表项中各转发节点所应承担的负载。相对转发该消息邻居节点，只有当自己距网络边缘更近、汇聚节点更远的情况下，才转发该消息，否则就丢弃该消息。当自身节点和转发节点位于同一层次时也要转发该消息，以便兄弟节点间能够均衡地分配负载。
若网络中的节点决定转发能源报告消息，将自己的节点编号及能耗比等信息填入能源报告消息并向下层邻居节点转发。节点可能会收到多个邻居节点发来的能源报告消息，当网络中的所有节点都收到此能源报告消息后，停止此消息的转发。在能源报告消息传播的过程中，依据每个传感器节点维护的本地负载转发表中的转发节点编号，逐跳地建立反向的从传感节点到汇聚节点的数据汇聚路径，完成一个周期内传感数据的收集。
表1给出了能源报告消息的消息格式，具体包括转发节点编号、消息类型、剩余能量、能耗比、跳数、时间戳信息，每个节点在收到此消息后都要按照如前述步骤所述维护本地负载转发表，若决定转发该消息，还要用自身剩余能量等信息修改能源报告消息字段并做进一步转发。
表1能源报告消息格式
| 转发节点号(NodeID) | 消息类型(MsgType) | 剩余能量(EgyResidual) | 能耗比(EgyRatio) | 跳数(TTL) | 时间戳(TimeStamp) |
图3是负载汇聚流程图。当传感节点要向汇聚节点发送数据时，首先查找自己的转发表，若有多个表项，将要传送的数据量分成多份，综合考虑节点剩余能量和能耗比大小，节点剩余能量多且能耗比低者分配的负载较重。将分配后的负载分别传送给各表项中的转发节点，也即相对该节点的上一层邻居节点或同层的兄弟节点。当网络中的节点收到多个邻居节点发来的数据后，首先计算自己收到的总数据量，然后按照同样的方法将负载分配并传送到上级节点，直至到达汇聚节点。
本发明介绍的基于无线传感器能量信息的网络负载平衡方法的具体实施步骤如下：
(1)终端用户通过无线链路控制汇聚节点(Sink)周期性地广播能源报告消息，所述的能源报告消息格式如表1所示。
(2)网络中的其余节点收到能源报告消息后，执行图2所示的能源报告消息流程图，根据本地负载转发表中有无能源报告消息中转发节点对应的转发表项更新或维护本地负载转发表。
(3)根据本地负载转发表各转发表项的转发节点的剩余能量信息和能耗比计算各转发节点所应承担的负载分配比例。
(4)根据本地节点的负载量大小和步骤(3)中计算得到的各转发节点的负载分配比例，计算各转发节点应为本节点转发承担的负载。
(5)完成本地节点负载的分配后，需要根据节点的邻接关系和能源报告消息中的跳数字段决定是否转发该消息，只有当本地节点相对转发节点距离汇聚节点更远或者和转发节点互为同层兄弟节点时，才转发该消息。
(6)若本地节点决定转发能源报告消息，首先需要用其自身能源信息修改消息中的各字段值，然后向除了转发节点外的所有下层邻居节点或同层兄弟节点转发该消息。
(7)当网络中的所有节点都收到能源报告消息或能源报告周期结束时，开始数据收集过程。
(8)通过反向使用本地负载转发表，从位于网络边缘的传感节点开始分别执行图3所示的负载转发流程，逐跳地将网络负载数据传送到汇聚节点，完成一个周期内传感数据的收集。
(9)数据收集完毕，准备下一次收集过程。
本发明介绍的基于节点能量信息的无线传感器网络负载平衡方法利用了节点的剩余能量信息和节点能力的差异性，适用于异构类型的传感器网络。节点在数据收集过程中，不再是从多个上层节点中选择一个作为其转发节点，而是按照邻居节点的资源情况和能力大小分配负载，使得所有节点的能量平均地消耗，能有效提高网络生存周期。同时采用了分层的拓扑结构，适用于大规模的无线传感器网络。
Claims (5)
1.基于无线传感器能量信息的网络负载平衡方法，其特征在于包括能源报告消息转发和负载汇聚过程两个部分，其具体步骤如下：
(1)终端用户通过无线链路控制汇聚节点发起能源报告消息的动作，汇聚节点Sink向全网广播能源报告消息，所述的能源报告消息包括转发节点的编号、消息类型、剩余能量、能耗比、跳数、时间戳字段；
(2)网络中的其它节点收到汇聚节点Sink发来的能源报告消息后，更新和维护本地负载转发表，所述的本地负载转发表中的每个表项是由转发节点的编号、消息类型、剩余能量、能耗比、跳数、时间戳字段组成；
(3)根据本地负载转发表表项中的剩余能量和能耗比计算各转发表项中的各转发节点所应承担的负载分配比例；
(4)根据步骤(3)中计算的负载分配比例，将本地节点的负载按照负载分配比例分别传送到对应的上层各节点中，并计算各节点需要承担的负载；
(5)按照上述步骤(2)、(3)、(4)完成本地节点负载的分配后，需要根据能源报告消息中的跳数字段决定是否转发该消息，只有当本地节点相对转发节点距离汇聚节点更远或者和转发节点互为同层兄弟节点时，才转发该消息；
(6)若本地节点决定转发能源报告消息，首先需要用自身能源信息修改消息中的各字段值，然后向除了转发节点外的所有下层邻居节点或同层兄弟节点转发该消息；
(7)节点可能会收到多个邻居节点发来的能源报告消息，当网络中的所有节点都收到能源报告消息或一次能源报告周期结束时，停止此消息的转发；
(8)单个周期内能源报告消息转发完毕后，反向使用能源报告消息的传播路径逐跳地建立从传感节点到汇聚节点Sink的负载汇聚路由，完成一个周期内传感数据的收集；
(9)汇聚节点Sink周期性地发起能源报告消息，所有节点重复执行上述步骤(2)一步骤(7)，从而完成传感数据的分配及其汇聚的过程。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器能量信息的网络负载平衡方法，其特征在于：所述步骤(2)中的更新或维护本地负载转发表，实现维护本地负载转发表的过程为：
(2.1)转发表的建立：若本地转发表中无能源报告消息中转发节点对应的表项，需要在转发表的末尾新增加一个条目，并将转发节点的编号、消息类型、剩余能量、能耗比、跳数、时间戳填入新表项的对应字段；
(2.2)转发表的更新：若本地转发表中有能源报告消息中转发节点对应的表项，且对应表项中的某些字段值发生了改变，需要将此表项更新；
(2.3)转发表的删除：若由于无线链路失效或超时原因导致转发表中的此表项不再可用，需要将此表项从转发表中删除。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器能量信息的网络负载平衡方法，其特征在于：所述步骤(3)中负载分配比例的计算公式为：
wi＝k1*Eresidual-i+k2*RegyRatio-i
其中：Eresidual-i和Regyratio-i分别为剩余能量和能耗比，节点的能耗比Regyratio-i通过计算该节点已消耗的能量和已发送的数据量之间的比值得到，k1，k2分别为剩余能量和能耗比对应的系数，可根据实际应用动态调整，i的取值范围为0≤i≤Numitems，Numitems为转发表中的表项数。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器能量信息的网络负载平衡方法，其特征在于：所述步骤(4)中各节点需要承担的负载的计算公式如下：
Traffici＝wi*Traffictotal
其中wi为步骤(3)中计算得到的负载分配比例，Traffictotal为本地节点欲发送到上层节点的总的负载量。
5.根据权利要求1所述的基于无线传感器能量信息的网络负载平衡方法，其特征在于：所述步骤(8)负载数据汇聚的过程步骤如下：
(8.1)若节点是位于网络边缘的传感节点，查找本地负载转发表，将其负载量按照权利要求1步骤(3)和步骤(4)描述的方法分配到多个上层节点或同层兄弟节点中；
(8.2)若节点是位于网络内部的传感节点，首先计算来自下层邻居节点或同层兄弟节点的负载，得到本地节点的负载总量，然后查找本地负载转发表并按照步骤(3)和步骤(4)描的方法将负载数据分配到多个上层节点或同层兄弟节点中；
(8.3)重复执行步骤(8.1)或步骤(8.2)直到所有数据汇聚到Sink节点和终端主机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110105 Termination date: 20130908 |