CN101583171B - 一种面向感知事件的无线传感器网络分层能耗平衡方法 - Google Patents

Abstract

一种面向感知事件的无线传感器网络分层能耗平衡方法涉及无线传感器网络的能耗节约方法，解决感知事件驱动下密集布署的无线传感器网络能耗平衡问题，其基本系统组成包括：密集部署的无线传感器网络节点、通过选举策略确定的簇头节点、网络内随机发生的感知事件、部署于网络边缘的基站节点；以网络布署环境内所发生的感知事件为依托，构建多个以簇头节点为中心的分层传感集合，并根据传感集合中各节点所在的层次、剩余能量以及集合中各传输链路的具体负载情况，开展相应的任务调度与传输路径选择，以平衡各节点能量；同时，以基站节点为中心，建立传感集合之间的最优化数据传输路径，并通过动态改变簇头数据传输周期，进一步平衡全网能耗，延长网络生存期。

Description

一种面向感知事件的无线传感器网络分层能耗平衡方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的能耗节约方法，主要解决了感知事件驱动下密集布署的无线传感器网络能耗平衡问题，属于传感器网络技术和无线通信技术的交叉领域。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代计算机网络技术及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种先进技术，网络中的节点能够相互协作地进行实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在了一起，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。

无线传感器网络作为当今信息与计算机领域的一个全新的研究方向，综合了多种学科的前沿技术，现在已经受到学术界和工业界的广泛关注。包括美国国防部在内的很多科研机构和大学研究机构都已经纷纷投入了大量的研发力量和精力从事无线传感器网络软硬件系统的研究。在无线传感器网络硬件平台的实现方面，最具有代表性的就是Berkeley(伯克利)大学的Smart Dust(智能尘埃)实验室以及Crossbow公司的Mica系列节点的研制。

基于电池供电的传感器网络常常运行在火山地带、战区等人员无法接近的恶劣、甚至危险的远程环境之中，网络节点的电源更换或再充电等工作常常无法进行。而广泛分布于被测环境的传感器节点既要负责收集敏感数据，又要完成数据传输的路由等功能；同时，攻击者还可能会利用侵占节点向网络中注入大量的虚假数据包，致使节点在传输这些数据包时耗尽能量而失去效用。因此，网络节点电源的无法替换性使能量消耗问题相对于传感器网络的其他关键技术而言尤为重要；在不影响性能的前提下，设计有效的能量消耗控制策略成为传感器网络软硬件设计中的核心问题。

无线传感器网络中节点的能量消耗包括计算能力和通信能量。降低节点能量消耗或有效提高能量利用是无线传感器网络中一个非常关键的技术。较低节点的能量消耗就意味着延长网络的生存时间，执行更多地任务，所以无线传感器网络中的节点必须是低功耗的微系统。由于无线传感器网络对能量耗费要求的苛刻性使得无线传感器网络在设计时必需充分考虑能量问题。包括节能措施的跨层设计，有效的可再生能源，大规模、低功耗的集成电路的硬件实现等。

如何在无限传感器网络的传感器节点之中均衡能量消耗也是一个重要的问题。网络中由于角色，传感器节点执行的任务也不同，从而导致不同传感器节点消耗的能量也不同。消耗能量过大过快的节点容易由于能量耗尽而导致不能正常工作。使能量在传感器节点之间均衡的、高效的利用可以不仅增加网络的信息传输稳定度，也可以延长整个网络的生存时间。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种面向感知事件的无线传感器网络分层能耗平衡方法，该方法以网络布署环境内所发生的感知事件为依托，构建多个以簇头节点为中心的分层传感集合，并根据传感集合中各节点所在的层次、剩余能量以及集合中各传输链路的具体负载情况，开展相应的任务调度，以平衡各节点能量。同时，以基站节点为中心，建立传感集合之间的最优化数据传输路径，以进一步平衡全网能耗，延长网络生存期。

技术方案：本发明建立了一种分层的无线传感器网络能耗平衡解决方案，其基本的系统组成包括：

无线传感器网络：无线传感器节点的布署区域，同时也是感知事件的发生区域。本发明中的无线传感器网络为平面矩形区域。

无线传感器网络节点：该类节点为微型化的嵌入式无线通信设备，密集布署于网络环境内。各节点拥有相同的有限的初始能量，且随着其传感、计算与传输等任务的不断运行，节点的剩余能量将不断减少，当其剩余能量小于一固定门限时，认为该节点失效。

簇头节点：由无线传感器节点间通过一定的选举与协调方式确定的、对整个簇内的所有节点进行统一管理与数据综合的节点。在本发明中，根据各传感节点对感知事件的感知精确性与准确性大小选择簇头节点。

感知事件：发生在无线传感器网络环境中的、可被一定数量的节点观测与传感到的、具有一定持续时间的事件。本发明中假设网络中所有的感知事件的类型均不相同。

基站节点：处于无线传感器网络边缘的节点，负责全网的数据管理、调度与控制。该节点不受能量限制，拥有强大的计算与存储能力。

一种面向感知事件的无线传感器网络分层能耗平衡方案所包含的步骤为：

步骤1)在无线传感器网络中，部署无线传感器网络节点；

步骤2)在无线传感器网络边沿，部署基站节点；

步骤3)各节点对其传感范围内发生的事件进行精确传感，并获得一个关于该事件的感知数据测量值，若一个节点可同时感知到多个事件，则其将用有多个不同类型的感知数据测量值；

步骤4)网络中所有感知测量值不为0的节点广播消息包，同时接收来自邻居节点的数据包。节点只接收拥有同样事件感知类型的邻居节点的数据包；

步骤5)定义感知数据差异门限，以便于判断两个节点的感知事件测量值是否接近；

步骤6)网络中各节点在收到了其邻居节点的感知数据包后，进行判断，实现其所属层次的划分；

步骤7)当网络中所有节点完成了层次归属后，将各节点进行类型划分；

步骤8)在簇内选取簇头节点；

步骤9)簇头节点向全网广播通告，各节点按照感知事件类型和感知测量值大小加入各个簇；

步骤10)簇内的所有节点对发生在该簇内的传感事件进行传感与测量，并将传感数据以多跳方式传输至簇头；

步骤11)当簇内任意一个节点拥有多个父节点时，将选择其中拥有子节点数目最少的一个父节点作为其传感数据传输的下一跳节点；

步骤12)当簇内某一条链路的能量消耗过大时，拥有多个父节点的节点可逐渐减少其数据在该链路上的传输量，同时，选择其另外的父节点所在的能耗比较小的链路加入；

步骤13)分别设置边沿节点、中继节点、簇头节点的数据压缩与传输方式，进一步平衡簇内各类型节点的能量消耗，解决簇头附近节点能量消耗过快问题；

步骤14)建立簇内最优化传输主干路径；

步骤15)建立簇间最优化传输主干路径；

步骤16)各簇头节点定期通过簇内主干路径和簇间主干路径，向基站节点报告其剩余能量，以便于基站对其数据传送周期动态调整；

步骤17)当簇头节点的剩余能量低于其可工作的最小剩余能量时，该簇头节点消亡，同时，将立刻向基站节点进行通告，并选举新的簇头；

步骤18)新的簇头节点按照步骤14)和步骤15)，重新建立簇内与簇间主干传输路径，并通过该路径，向基站节点进行通告；

步骤19)当网络中的某一簇头节点失效，且该簇内已经无法选取出新的簇头节点，或者新的簇头节点无法和基站连通时，该无线传感器网络的生命期结束。

有益效果：作为无线传感器网络中的一种有效的能耗平衡与能量节约方法，本发明具有以下一些有益成果：

1.建簇过程简单有效：网络中的所有节点按照其所感知的事件类型，加入不同的簇，不需要节点获取详细的网络拓扑与连接信息，也不需要与邻居进行大量的数据交互。同时，由于簇内的节点传感的是同一类型的事件，更有针对性，大大提高了其数据融合效率和节点间的相互协作性；

2.簇头选择快速高效：本发明以各节点的感知测量值为标准，对簇内各节点进行必要的分层，建立其归属关系，并以此为基础，选取簇头节点。选择的过程方便、快速、灵活。

3.平衡簇内传输路径能耗：本发明以能耗平衡为目标，在层次式的簇结构的基础上，选择了灵活的数据传输路径，分担了负载过重的中继节点的能耗负担，并通过渐变的数据传输转移方法，平衡了各传输路径的负载与能量消耗。

4.平衡了簇内各节点的能耗：本发明针对无线传感器网络中普遍存在的节点能耗不均的情况，按照各节点类型和作用，以及其与簇头节点间的距离大小，进行不同的任务分配。采用边沿节点初步压缩，中继节点二次压缩的数据传输与中转方法，同时，关闭簇头节点的传感功能，平衡了各类型节点的能耗。

5.降低了簇间传输能耗：本发明通过建立簇内传输路径、备选簇内传输路径、以及簇间传输路径，建立起各簇头节点到基站的最优传输通道，最大化减少了簇间的数据传输能耗。

6.平衡了网络中各个簇的总体能耗：本发明中的基站节点将根据各个簇头的剩余能量，动态调整其数据传送周期，延长剩余能量较小的簇头节点向基站传输数据的时间间隔，以节约其能量，平衡了网络中各个簇之间的能量消耗。

附图说明

图1是本发明所面向的无线传感器网络的总体结构示意图，

图2是各个节点在完成了感知测量值大小判断、节点层次划分及其相互归属关系判断和簇头选择后，所建立的簇结构的示意图，

图3是本发明所建立的最优化簇内主干路径和簇间主干路径的示意图，

图4是本发明中节点的运行流程图。

具体实施方式

图1是本发明所面向的无线传感器网络的总体结构。基站节点位于网络边缘；无线传感器节点密集部署于网络环境中；传感事件在网络内各处随机发生。

图2是各个节点在完成了感知测量值大小判断、节点层次划分及其相互归属关系判断和簇头选择后，所建立的簇结构。并在此基础上，为平衡簇内各路径的传输能量消耗，节点所选择的下一跳数据传输节点以及数据转发路径。

图3是本发明所建立的最优化簇内主干路径和簇间主干路径，保证了由簇头节点到其边缘节点的传输能耗以及由各簇头节点到基站节点的传输能耗最小化。

图4是本发明中节点的运行流程图，说明了传感器网络中的节点由启动到能量耗尽而消亡的全过程。

本发明提供一种无线传感器网络的能耗平衡方法。该方法以网络布署环境内所发生的感知事件为依托，构建多个以簇头节点为中心的分层传感集合，并根据传感集合中各节点所在的层次、剩余能量以及集合中各传输链路的具体负载情况，开展相应的任务调度，以平衡各节点能量。同时，以基站节点为中心，建立传感集合之间的最优化数据传输路径，以进一步平衡全网能耗，延长网络生存期。其具体实施方式为：

1)在无线传感器网络中，均匀撒播m个具有相同初始能量、相同通信能力与传感能力的无线传感器网络节点；

2)在无线传感器网络边沿，布署一个具备较强通信能力与计算能力的基站节点，如图1所示；

3)各节点对其传感范围内发生的事件进行精确传感，并可获得一个关于该事件的感知数据测量值，该值表示为S_i，k(1≤i≤m，0≤k≤n)。其中，i表示网络中的节点号，k表示事件编号。节点距离事件发生的地点越近，其所获得的感知测量值也就越大。若在节点的感知范围内没有任何事件发生，则该节点的感知数据测量值为0。若一个节点可同时感知到多个事件，则其将用有多个不同类型的感知数据测量值；

4)网络中所有感知测量值不为0的节点广播包含其感知测量值、感知事件类型和自身标识的数据包。同时，将接收来自邻居节点的相同类型的数据包，并对其感知事件类型进行判断。节点只接收拥有同样事件感知类型的邻居节点的数据包；

5)定义P_i，j，k(1≤i≤m，1≤j≤m，i≠j，0≤k≤n，)为感知数据差异门限。当节点i和节点j对同一事件k的感知测量值小于P_i，j，k时，可认为两者的感知测量值相近，否则，则认为其相异；

6)网络中任意一个节点i在接收到了其邻居节点j的感知数据包后，将进行如下判断，实现各节点所属层次的划分：

(1)若节点i和j的感知测量值相近，则节点i和节点j成为兄弟节点；

(2)若节点i和j的感知测量值相异，且S_i，k≥S_j，k，则j成为i的子节点；

(3)若节点i和j的感知测量值相异，且S_i，k≤S_j，k，则j成为i的父节点；

7)当网络中所有节点完成了层次归属后，将各节点进行类型划分。其具体执行过程如下：

(1)对于网络中任意节点i，若其只有子节点而没有父节点，则其成为候选簇头节点；

(2)若节点i只有父节点而没有子节点，则其成为边沿节点；

(3)若节点i既有父节点又有子节点，则其将成为簇内的中继节点；

8)判定候选簇头节点有无兄弟节点，若存在兄弟节点，则从该节点和其所有兄弟节点中选择剩余能量最大的一个作为簇头节点；若不存在，则该候选簇头节点即成为簇头节点。步骤8)可以保证以该簇头节点为中心的簇，对其所在区域的感知事件进行全面精确传感；

9)当网络中任意一个节点当选为簇头节点后，均需要向全网广播通告，和该节点拥有相同感知事件的节点随即加入该簇。若某节点可同时感知多个事件，则选择其感知测量值最大的一个事件所在的簇加入。完成建簇之后的网络结构如图2所示；

10)簇内的所有节点对发生在该簇内的传感事件进行传感与测量。其中，边沿节点将其传感数据传输至其父节点；中继节点接收来自其一个或多个子节点的传感数据，并与其自身的传感数据进行有效融合后，传输至其父节点；簇头节点接收来自其各个子节点的、经过了融合和初步处理的传感数据；

11)为平衡簇内各路径的传输能量消耗，平衡各中继节点的数据处理与传输负载，当簇内任意节点i拥有多个父节点时，将选择其中拥有子节点数目最少的一个父节点作为其传感数据传输的下一跳节点。步骤11)保证了簇中的任意一个拥有多个子节点的中继节点不会消耗过多的数据转发能耗，如图2所示；

12)当簇内某一条链路的能量消耗过大时，拥有多个父节点的节点可逐渐减少其数据在该链路上的传输量，同时，选择其另外的父节点所在的能耗比较小的链路加入，将该父节点也作为自身的下一跳节点，并将其传感数据逐渐转移至该链路来传输，以进一步平衡各链路能耗；

13)设置边沿节点对其传感信息进行初步压缩，以减少中继节点的数据融合计算量和数据传输能耗；设置自身剩余能量大于固定门限的中继节点对其融合后的传感数据进行二次压缩，以减少其数据传输量与传输能耗；设置簇头节点的所有子节点只负责融合与转发其它节点的传感数据，节点本身并不参与对感知事件的传感。步骤13)进一步平衡了簇内各类型节点的能量消耗，解决了簇头附近节点能量消耗过快的问题；

14)建立簇内主干路径。当簇头节点通过一定传输路径，将本簇内的经过融合后的传感数据包向基站发送时，定义该路径中从簇头到该簇的边沿节点的部分路径称为簇内主干路径。如图3。其具体建立过程为：

(1)簇头节点向其所有子节点发送建立簇内路径的请求数据包，数据包中包含了簇头节点的ID号、剩余能量信息和路径跳数，初始跳数为0；

(2)各子节点在该请求数据包中加入自身ID号与剩余能量，并将跳数值加一后，发送至其下一层子节点；

(3)当请求数据包到达该簇的边缘节点时，停止转发；

(4)各边沿节点根据其接收的请求数据包中的节点个数、平均剩余能量以及数据包跳数等信息，选择最优的一条传输路径作为簇内主干路径，并设定次优的一条传输路径作为侯选簇内主干路径；

15)建立簇间主干路径：各个簇的簇内主干路径上的边沿节点之间，通过网络中其它节点的中继作用，形成互联，实现了相邻簇之间的互通，即构造实现了簇间主干路径。如图3所示。同时，所有簇头节点都可以通过直接或间接数据转发方式，实现和基站的通信；

16)各簇头节点定期通过簇内主干路径和簇间主干路径，向基站节点发送包含自身剩余能量、本簇内的经过融合的传感数据等内容的信息包。基站节点将根据各个簇头的剩余能量，动态调整其数据传送周期，延长剩余能量较小的簇头节点向基站传输数据的时间间隔，以节约其能量。步骤16)平衡了网络中各个簇之间的能量消耗；

17)当簇头节点的剩余能量低于其可工作的最小剩余能量时，该簇头节点消亡，同时，将立刻向基站节点进行通告。若该节点有兄弟节点，则从其兄弟节点中选择剩余能量最大的一个作为该簇的新的簇头节点，同时，原簇头节点的各子节点作为该新簇头的子节点；否则，在原簇头节点的所有子节点中，选择剩余能量最大的一个节点作为簇头节点；

18)新的簇头节点按照步骤14)和步骤15)，重新建立簇内与簇间主干传输路径，并通过该路径，向基站节点进行通告；

19)当网络中的某一簇头节点失效，且该簇内已经无法选取出新的簇头节点，或者新的簇头节点无法和基站连通时，该无线传感器网络的生命期结束。

Claims (1)

1.一种面向感知事件的无线传感器网络分层能耗平衡方法，其特征在于其基本系统组成包括：密集部署的无线传感器网络节点、通过选举策略确定的簇头节点、部署于网络边缘的基站节点；该方法的步骤为：

步骤1)在无线传感器网络中，均匀撒播若干个具有相同初始能量、相同通信能力与传感能力的无线传感器网络节点；

步骤2)在无线传感器网络边缘，布署一个具备较强通信能力与计算能力的基站节点；

步骤3)各节点对其传感范围内发生的事件进行精确传感，并可获得一个关于该事件的感知数据测量值；节点距离事件发生的地点越近，其所获得的感知测量值也就越大；若在节点的感知范围内没有任何事件发生，则该节点的感知数据测量值为0，若一个节点可同时感知到多个事件，则其将拥有多个不同类型的感知数据测量值；

步骤4)网络中所有感知测量值不为0的节点广播包含其感知测量值、感知事件类型和自身标识的数据包；同时，将接收来自邻居节点的相同类型的数据包，并对其感知事件类型进行判断，节点只接收拥有同样事件感知类型的邻居节点的数据包；

步骤5)定义感知数据差异门限，当两个相邻节点的感知测量值小于感知数据门限差异时，可认为两者的感知测量值相近，否则，则认为其相异；

步骤6)网络中任意一个节点在接收到了其邻居节点的感知数据包后，将进行相互关系判断，以确定其兄弟关系、父子关系等；

步骤7)当网络中所有节点完成了层次归属后，将各节点进行类型划分，具体可划分为侯选簇头节点、边缘节点和中继节点；

步骤8)判定候选簇头节点有无兄弟节点，若存在兄弟节点，则从该节点和其所有兄弟节点中选择剩余能量最大的一个作为簇头节点；若不存在，则该候选簇头节点即成为簇头节点；

步骤9)当网络中任意一个节点当选为簇头节点后，均需要向全网广播通告，和该节点拥有相同感知事件的节点随即加入该簇；若某节点可同时感知多个事件，则选择其感知测量值最大的一个事件所在的簇加入；

步骤10)簇内的所有节点对发生在该簇内的传感事件进行传感与测量，其中，边缘节点将其传感数据传输至其父节点；中继节点接收来自其一个或多个子节点的传感数据，并与其自身的传感数据进行有效融合后，传输至其父节点；簇头节点接收来自其各个子节点的、经过了融合和初步处理的传感数据；

步骤11)为平衡簇内各路径的传输能量消耗，平衡各中继节点的数据处理与传输负载，当簇内任意节点拥有多个父节点时，将选择其中拥有子节点数目最少的一个父节点作为其传感数据传输的下一跳节点；

步骤12)当簇内某一条链路的能量消耗过大时，拥有多个父节点的节点逐渐减少其数 据在该链路上的传输量，同时，选择其另外的父节点所在的能耗比较小的链路加入，将该父节点也作为自身的下一跳节点，并将其传感数据逐渐转移至该链路来传输，以进一步平衡各链路能耗；

步骤13)设置边缘节点对其传感信息进行初步压缩，以减少中继节点的数据融合计算量和数据传输能耗；设置自身剩余能量大于固定门限的中继节点对其融合后的传感数据进行二次压缩，以减少其数据传输量与传输能耗；设置簇头节点的所有子节点只负责融合与转发其它节点的传感数据，簇头节点的所有子节点本身并不参与对感知事件的传感；

步骤14)建立簇内主干路径，当簇头节点通过一定传输路径，将本簇内的经过融合后的传感数据包向基站发送时，定义该路径中从簇头到该簇的边缘节点的部分路径称为簇内主干路径；

步骤15)建立簇间主干路径，各个簇的簇内主干路径上的边缘节点之间，通过网络中其它节点的中继作用，形成互联，实现了相邻簇之间的互通，即构造实现了簇间主干路径；

步骤16)各簇头节点定期通过簇内主干路径和簇间主干路径，向基站节点发送包含自身剩余能量、本簇内的经过融合的传感数据等内容的信息包，基站节点将根据各个簇头的剩余能量，动态调整其数据传送周期，延长剩余能量较小的簇头节点向基站传输数据的时间间隔，以节约其能量；

步骤17)当簇头节点的剩余能量低于其可工作的最小剩余能量时，该簇头节点消亡，同时，将立刻向基站节点进行通告，若该节点有兄弟节点，则从其兄弟节点中选择剩余能量最大的一个作为该簇的新的簇头节点，同时，原簇头节点的各子节点作为该新簇头的子节点；否则，在原簇头节点的所有子节点中，选择剩余能量最大的一个节点作为簇头节点；

步骤18)新的簇头节点按照步骤14)和步骤15)，重新建立簇内与簇间主干传输路径，并通过该路径，向基站节点进行通告；

步骤19)当网络中的某一簇头节点失效，且该簇内已经无法选取出新的簇头节点，或者新的簇头节点无法和基站连通时，该无线传感器网络的生命期结束；

所述的感知事件是指发生在无线传感器网络环境中的、可被一定数量的节点观测与传感到的、具有一定持续时间的事件。 

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