CN102811461B - 基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法 - Google Patents

基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法，该方法的主要内容为：在传感网与蜂窝网融合的系统中，作为传感网网关的移动终端周期性的向基站汇报自身当前的负载信息；基站将全部移动终端周期性上传的负载信息维护成负载能力映射表。本发明所述的基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法不但可以减少传感网之间的能量消耗及信令消耗，延长WSN网络的生命周期，增加能量使用效率，而且避免了由于服务中断造成的数据及业务丢失。

Description

基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法
技术领域
本发明属于移动无线通信技术领域，涉及一种基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法。
背景技术
无线传感器网络是一种新兴的、极具发展潜力的网络技术，这种网络可以将大量简单的节点大冗余地随机部署在某个地区，节点之间通过自组织地组网，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种复杂环境或监测对象的信息，并对这些信息进行网内处理，从而获得详尽且准确的信息，并传送给后台骨干网服务器或者相关观测者。
如图1所示，大多数无线传感网络应用中，传感节点将所采集的数据传输到距离最近的汇聚节点(Sink)，从而形成“多对一”的汇聚型传输。传统算法的数据流向多表现为“多对一”的特征，Sink的邻居节点将充当大数据量的转发节点功能。因此，随着网络规模的扩大，将不可避免地在Sink邻居节点处形成瓶颈节点，导致网络性能下降，甚至直接导致网络瘫痪，因此在负载均衡场景下，首先使用移动终端作为网关节点提供簇内节点接入，当有新的网关节点移入后，能对传感节点进行负载均衡。
如果节点由于突发业务等原因通过sink下方的簇头节点持续向Sink节点发送数据，突显传感节点多跳传输转发数据分布的不均衡性，将会导致Sink节点附近某些节点负载过重，长时间处于传输数据状态将导致这些节点的能量耗尽，过早死亡，缩短网络寿命。在UE可充当网关的环境下，为了延长网络寿命，在多个UE接入点的情况下提出一种BS辅助下的负载均衡机制。此算法不仅考虑了各个UE间的负载均衡，同时也考虑了局部区域的负载均衡。
在蜂窝网与传感网融合的架构下，移动网关的引入将有助于在蜂窝网协助下，提高传感网的性能。在此融合网络架构下，移动终端进入传感网区域，作为移动网关为传感网节点提供服务，移动终端之间如何实现负载均衡，是融合网络中关键技术之一，其基本场景如图2所示。
传统的无线传感器网络中，数量庞大的节点之间往往采用多跳、自组织的无线通信方式完成网络的初始化任务。而这种基于自组织的网络存在着节点能量损耗不均匀、数据传输效率低、部署缺乏灵活性，极易产生负载不均衡，在某些热点地区出现传输瓶颈节点等固有问题，往往导致其整体网络性能劣化。
传统的无线传感网络体系中，感知数据由源节点以自组织方式经过多跳传递到远端Sink节点。通常情况下，这些节点具备类似的能量、储存、计算和传输能力，即节点是同构的。其数据流向多表现为“多对一”的特征。随着网络规模的扩大，将不可避免地在Sink邻居节点处形成瓶颈节点，各个sink网关负载的不平衡导致网络性能下降，甚至直接导致网络瘫痪。
为了解决此问题，可以在使用了移动手机终端作为移动网关提供接入服务的前提下，移动网关之间可以在蜂窝网络BS控制下进行接入节点的负载均衡控制。传统的使用网关进行负载均衡的做法是：
1、当有新传感节点入网时，直接由其父节点进行控制，如果没有达到父节点的负载阈值，允许此节点进行接入的请求。
2、各个sink网关及簇头节点之间的负载并不均衡，有的负载节点较多，而有些邻居节点则较少，无法真正意义上实现负载均衡和能量消耗的平均，从而造成某些中间节点区域因能量耗尽而提前死亡。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法，该方法保证了即使是在负载很重的情况下网关也能做出快速响应。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法，在传感网与蜂窝网融合的系统中，作为传感网网关的移动终端周期性的向基站汇报自身当前的负载信息；基站将全部移动终端周期性上传的负载信息维护成负载能力映射表。
作为本发明的一种优选方式，所述负载均衡方法包括以下步骤：
步骤一，基站通过查找负载能力映射表，为负载过重的移动终端网关UE1选择一些参与负载均衡的邻居候选网关UEi，并将相关信息通知所述负载过重的移动终端网关UE1；
步骤二，当负载过重的移动终端网关UE1获得邻居候选网关UEi的相关信息后，计算各个邻居候选网关UEi的负载能力，并选择出负载能力最好的邻居移动终端网关UE2来参与负载均衡；
步骤三，移动终端网关UE1向基站汇报选择邻居移动终端网关UE2来参与负载均衡；
步骤四，基站发送确定消息给移动终端网关UE1，并向邻居移动终端网关UE2发送传感节点准备加入请求；
步骤五，移动终端网关UE1向要分割出去的传感节点发送释放请求；
步骤六，收到释放请求的传感器节点向邻居移动终端网关UE2发起接入请求，触发接入过程；
步骤七，完成接入过程后，邻居移动终端网关UE2把结果上报给基站。
作为本发明的另一种优选方式，所述负载均衡能力Clb为：Clb＝F{Cp，Np，Cp-avrg，Cdiff，Nsplit，Cres，Nremaind，Nmax，}，其中，Cp，Np，Cp-avrg，Cdiff，Nsplit，Cres，Nremaind，Nmax∈VUE1-UEi；VUE1-UEi定义为两个通信半径分别为R1和Ri的移动终端网关UE1和UEi通信范围的重叠区域；Cp定义为重叠区域内移动终端网关UE1服务的传感节点的业务总流量；Np定义为重叠区域内传感节点及其所有子节点的总数；Cp-avrg定义为重叠区域内的节点平均流量，等于重叠区域的总流量除以总节点数目；Cdiff定义为移动终端网关UE1和UEi所负载的流量差；Cres定义为邻居候选网关UEi还能为负载过重的移动终端网关UE1分担的负载量；Nmax定义为邻居候选网关UEi能够负载的最大节点数；Nsplit定义为邻居候选网关UEi能为负载过重的移动终端网关UE1提供接入服务的节点数；Nremaind定义为将被分割到参与负载均衡的邻居移动终端网关UEi的节点个数。
作为本发明的再一种优选方式，所述释放请求中包含邻居移动终端网关UE2的ID信息。
作为本发明的再一种优选方式，要分割出去的传感节点的选择方式为：在重叠区域内，以簇头为单位整个簇分割出去，由邻居移动终端网关UE2提供接入服务。
作为本发明的再一种优选方式，要分割出去的传感节点的选择方式为：在重叠区域内，根据节点到邻居移动终端网关UE2的距离选择最近距离的传感节点分割出去。
作为本发明的再一种优选方式，要分割出去的传感节点的选择方式为：在重叠区区域内，随机选择并释放规定数量的传感节点。
本发明的有益效果在于：本发明所述的基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法不但可以减少传感网之间的能量消耗及信令消耗，延长WSN网络的生命周期，增加能量使用效率，而且避免了由于服务中断造成的数据及业务丢失。
附图说明
图1为无线传感网的通信场景示意图；
图2为传统的传感网与蜂窝网融合系统中移动网关的通信场景示意图；
图3为本发明所述的基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法的流程示意图；
图4为基于簇头的节点分割法的场景示意图；
图5为基于距离的节点分割法的场景示意图；
图6为随机节点分割法的场景示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于无线传感器网(WirelessSensorNetworks，WSNs)与蜂窝网融合的负载均衡方法，该方法可应用于无线传感器自组织网络系统。当手机为双模且具有蜂窝网络和传感网络通信模块时，该手机可以作为移动网关使用。传感器节点通过手机移动网关将检测到的数据通过手机网络发送给后台服务器，实现实时监测、感知和采集各种监测环境和对象的信息，在军用和民用领域有着广泛的应用。
本发明首先定义了一个重要参数负载能力映射表，它是描述在蜂窝网与传感网融合架构下，移动终端成为移动网关后接入的WSN节点负载情况，并提供相关负载详细信息。当某个移动网关由于实时业务负载过重或者超负载时，该移动网关根据自身相关信息及邻居负载信息选择一个最优网关来为自身服务的节点提供接入服务。通过基站(BaseStation，BS)提供负载信息表，负载过重的移动网关根据各个邻居网关的负载能力、通信覆盖范围等选择合适的网关来进行负载均衡，不仅可以减少传感网之间的能量消耗及信令消耗，延长WSN网络的生命周期，增加能量使用效率；而且避免了由于服务中断造成的数据及业务丢失，降低了路由重建中的能量损耗和不必要的信令交互。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例一
本实施例提供一种基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法，该方法的主要内容为：首先定义一个重要参数——负载能力映射表。所述重要参数负载能力映射表是描述在蜂窝网与无线传感网融合架构下，移动终端成为移动网关后提供接入服务的WSN节点负载情况，并提供相关负载详细信息。当某个移动网关由于实时业务负载过重或者超负载时，该移动网关根据自身相关信息及邻居负载信息选择一个最优网关来为自身服务的节点提供接入服务。负载过重的移动网关根据基站提供负载信息表计算各个邻居网关的负载能力和通信覆盖范围等，选择合适的网关来进行负载均衡，延长WSN网络的生命周期，增加能量使用效率。
所述基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法的具体实现过程为：
1.负载能力映射表
所述负载能力映射表是描述在无线传感器网络(WSN)和移动网络融合的系统中，作为传感网网关的移动终端要周期性的向基站汇报自身当前的负载信息。基站维护所述负载能力映射表，或者各个网关负载信息，从而得知哪个网关高负荷，需要实施负载均衡。
2.负载均衡能力
基站通过查找负载能力映射表，为负载过重的移动终端网关选择一些参与负载均衡的候选邻居网关，并将相关信息通知所述负载过重的移动终端网关。当负载过重的移动终端网关UE1获得邻居候选网关UEi的相关信息后，将计算各个候选网关的负载能力，即其能为多少属于自己的节点提供接入服务。负载平衡能力的具体参数包括但不限于以下内容：
重叠区VUE1-UEi，它定义为两个通信半径分别为R1和Ri的移动终端网关UE1和UEi通信范围的重叠区域。
流量Cp，它定义为重叠区域内，UE1服务的传感节点的业务总流量。
节点数Np，它定义为重叠区域内传感节点及其所有子节点的总数。
平均流量Cp-avrg，它定义为重叠区域的节点平均流量，等于重叠区域的总流量除以节点数目。
相对流量Cdiff，它定义为移动终端网关UE1和UEi所负载的流量差。
剩余负载Cres，它定义为邻居候选网关UEi还能为负载过重的移动终端网关UE1分担的负载量。
节点最大数Nmax，它定义为邻居候选网关UEi能够负载的最大节点数。
分割节点数Nsplit，它定义为邻居候选网关UEi能为负载过重的移动终端网关UE1提供接入服务的节点数。
剩余节点数Nremaind，它定义为将被分割到参与负载均衡的邻居移动网关UEi的节点个数。
Clb＝F{Cp，Np，Cp-avrg，Cdiff，Nsplit，Cres，Nremaind，Nmax，}；
Cp，Np，Cp-avrg，Cdiff，Nsplit，Cres，Nremaind，Nmax∈VUE1-UEi(1)
3.负载均衡过程
基站通过查找负载能力映射表，为负载过重的移动终端网关选择一些适合参与负载均衡的候选邻居网关，具体选择步骤如下所示：
基站发送参与负载均衡的候选邻居网关的相关信息给移动终端网关UE1，所述相关信息包括负载能力映射表中所述候选邻居网关的负载相关信息；
移动终端网关UE1收到所述相关信息后，计算各个候选邻居网关参与负载均衡的的能力，并选择出一个负载能力最好的邻居移动终端网关UE2来参与负载均衡；
移动终端网关UE1向基站汇报选择邻居移动终端网关UE2来参与负载均衡；
基站发送确定消息给移动终端网关UE1，并向邻居移动终端网关UE2发送传感节点准备加入请求；
移动终端网关UE1向要分割出去的节点(即将由邻居移动终端网关UE2为其提供接入服务的节点)发送释放请求，所述释放请求中包含邻居移动终端网关UE2的ID信息；
收到释放请求的传感器节点向邻居移动终端网关UE2发起接入请求，触发接入过程；
完成接入过程后，邻居移动终端网关UE2把结果上报给基站。
本发明所述的基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法不但可以减少传感网之间的能量消耗及信令消耗，延长WSN网络的生命周期，增加能量使用效率，而且避免了由于服务中断造成的数据及业务丢失。
实施例二
本实施例提供一种基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法的实际应用情况。本实施例考虑的适用场景是在人员相对比较集中的城市热点地区，及传感网及蜂窝网覆盖相对密集区域。在该区域中，有大量的传感节点和大量成为移动网关的移动终端存在，并且在该区域中，传感网具有负载大，业务量大等特点。因此，本发明能在更好的完成移动网关的负载均衡功能的同时，有效的减少传感网的业务丢失及能耗。
本实施例首先定义了一个重要参数——负载能力映射表，所述负载能力映射表描述的是：在无线传感器网络(WSN)和移动网络融合系统中，作为传感网网关的移动终端要周期性的向基站汇报自身当前的负载信息。基站负责维护负载能力映射表或/和各个网关的负载信息，从而得知哪个网关高负荷，需要实施负载均衡。所述负载能力映射表包括但不限于以下参数：
网关GW-ID，是网关的标识，它定义为移动终端网关的ID；
负载节点数N，它定义为移动终端能够为传感节点提供网关功能服务的节点个数；
流量C，它定义为移动终端网关的当前业务量及流量；
通信半径R，它定义为移动终端能够为传感节点提供网关功能服务的传感网通信范围，即移动终端网关与最远节点的距离加上最远节点的通信半径。
位置L，它定义为移动终端网关的位置信息。
在城市热点区域中，移动终端要周期性的向基站汇报各自当前的负载信息。在蜂窝基站侧，基站保存其覆盖区域中的所有传感网络网关的负载参数。如果移动终端网关UE1的负载超过负载阈值Tth，移动终端网关UE1则会将过负载状况上报给基站。基站通过查找负载能力映射表，为移动终端网关UE1选择一些参与负载均衡的候选邻居网关，并将相关信息通知移动终端网关UE1。移动终端网关UE1获得邻居候选网关UEi的相关信息后，将计算各个候选网关的负载均衡能力，即其能为多少属于自己的节点提供接入服务。
负载均衡能力的具体参数包括但不限于以下内容：
重叠区VUE1-UEi，它定义为两个通信半径分别为R1和Ri的移动终端网关UE1和UEi通信范围的重叠区域；
流量Cp，它定义为重叠区域内，UE1服务的传感节点的业务总流量；
节点数Np，它定义为重叠区域内节点的数目及其所有子节点的总数；
平均流量Cp-avrg，它定义为重叠区域的节点平均流量，等于重叠区域的总流量除以节点数目；
相对流量Cdiff，它定义为移动终端网关UE1和邻居候选网关UEi所负载的流量差；
剩余负载Cres，它定义为邻居候选网关UEi还能为负载过重的移动网关UE1分担的负载量；
节点最大数Nmax，它定义为邻居候选网关UEi能够负载的最大节点数；
分割节点数Nsplit，它定义为邻居候选网关UEi能为负载过重的移动网关UE1提供接入服务的节点数；
剩余节点数Nremaind，它定义为将被分割到参与负载均衡的邻居移动网关UEi的节点个数。
Clb＝F{Cp，Np，Cp-avrg，Cdiff，Nsplit，Cres，Nremaind，Nmax，}；
Cp，Np，Cp-avrg，Cdiff，Nsplit，Cres，Nremaind，Nmax∈VUE1-UEi
邻居候选移动网关的负载均衡能力可以由上述函数通过加权或者层次分析法计算得到。通过移动网关自身的计算与判断选择合适的邻居网关来参与负载均衡，减少了相关信令的交互及基站的负载，更好的实现了网关功能与特性。在将来的工作设计中，可以通过调节上述函数中相关参数的加权因子或者比重，以达到对各个环境下的适用性，这样的改变是极其容易的，并能大大提高蜂窝网与传感网融合架构下，网关负载均衡的性能。
下面在城市热点区域，结合各个移动网关相关信息，详细描述移动网关的负载均衡过程，详细流程如图3所示，包括以下内容：
在传感网与蜂窝网架构下，作为传感网的移动终端网关周期性的向基站汇报自身当前的负载情况，基站负责维护一个负载能力映射表；当移动终端网关UE1的负载超过负载阈值Tth时，其上报给基站；基站通过查找负载能力映射表，为所述移动终端网关UE1选择一些适合参与负载均衡的候选邻居网关，具体选择步骤为：
1)基站发送参与负载均衡的候选邻居网关的相关信息给移动终端网关UE1，所述候选邻居网关的相关信息包括负载能力映射表中候选邻居网关的负载信息；
2)移动终端网关UE1收到所述候选邻居网关的相关信息后，计算各个候选邻居网关参与负载均衡的能力，并选择出一个最好的邻居移动终端网关UE2来参与负载均衡；
3)移动终端网关UE1向基站汇报选择邻居移动终端网关UE2来参与负载均衡；
4)基站发送确定消息给移动终端网关UE1，并向邻居移动终端网关UE2发送传感节点准备加入请求；
5)移动终端网关UE1向要分割出去由邻居移动终端网关UE2为其提供接入服务的节点发送释放请求，所述释放请求中包含邻居移动终端网关UE2的ID信息；
6)收到释放请求的传感器节点向邻居移动终端网关UE2发起接入请求，触发接入过程；
7)完成接入过程后，邻居移动终端网关UE2把结果上报给基站。
移动终端网关UE1根据基站提供的各个候选邻居移动网关的相关信息计算各个候选邻居移动网关能为其分担的负载能力，选择一个最好的邻居移动终端网关UE2参与负载均衡。然后移动终端网关UE1根据自身及邻居移动终端网关UE2的位置及负载信息，选择分割的传感节点。移动终端网关UE1可以通过以下三种方法选择将要被分割出去的节点：
第一种方法是基于簇头的节点分割法，如图4所示，即在重叠区域内，以簇头为单位整个簇分割出去，由邻居移动终端网关UE2提供接入服务。这种方法能使网络拓扑结构不会发生变化，不用进行后续的修正。
第二种方法是基于距离的节点分割法，如图5所示，即在重叠区域内，根据节点到邻居移动终端网关UE2的距离选择最近距离的传感节点分割出去。
第三种方法是最简单的节点分割法，如图6所示，即在重叠区区域内，随机选择并释放规定数量的传感节点。这种方法将带来网络局部重组，消耗信令及能量。
上述方法只在原则上负载均衡带来的路由切换的例子。在这个方案中，基站具有更多的责任，它决定是否以及何时进行网关负载平衡，然后根据负载能力映射表选择一些候选邻居网关并提供相关信息的。
本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (6)

1.一种基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法，其特征在于：在传感网与蜂窝网融合的系统中，作为传感网网关的移动终端周期性的向基站汇报自身当前的负载信息；基站将全部移动终端周期性上传的负载信息维护成负载能力映射表；所述负载均衡方法包括以下步骤：
步骤一，基站通过查找负载能力映射表，为负载过重的移动终端网关UE1选择一些参与负载均衡的邻居候选网关UEi，并将相关信息通知所述负载过重的移动终端网关UE1；
步骤二，当负载过重的移动终端网关UE1获得邻居候选网关UEi的相关信息后，计算各个邻居候选网关UEi的负载均衡能力，并选择出负载均衡能力最好的邻居移动终端网关UE2来参与负载均衡；
步骤三，移动终端网关UE1向基站汇报选择邻居移动终端网关UE2来参与负载均衡；
步骤四，基站发送确定消息给移动终端网关UE1，并向邻居移动终端网关UE2发送传感节点准备加入请求；
步骤五，移动终端网关UE1向要分割出去的传感节点发送释放请求；
步骤六，收到释放请求的传感器节点向邻居移动终端网关UE2发起接入请求，触发接入过程；
步骤七，完成接入过程后，邻居移动终端网关UE2把结果上报给基站。
2.根据权利要求1所述的基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法，其特征在于，所述负载均衡能力Clb为：
Clb＝F{Cp,Np,Cp-avrg,Cdiff,Nsplit,Cres,Nremaind,Nmax,}
其中，Cp,Np,Cp-avrg,Cdiff,Nsplit,Cres,Nremaind,Nmax∈VUE1-UEi；VUE1-UEi定义为两个通信半径分别为R1和Ri的移动终端网关UE1和UEi通信范围的重叠区域；Cp定义为重叠区域内移动终端网关UE1服务的传感节点的业务总流量；Np定义为重叠区域内传感节点及其所有子节点的总数；Cp-avrg定义为重叠区域内的节点平均流量，等于重叠区域的总流量除以总节点数目；Cdiff定义为移动终端网关UE1和UEi所负载的流量差；Cres定义为邻居候选网关UEi还能为负载过重的移动终端网关UE1分担的负载量；Nmax定义为邻居候选网关UEi能够负载的最大节点数；Nsplit定义为邻居候选网关UEi能为负载过重的移动终端网关UE1提供接入服务的节点数；Nremaind定义为将被分割到参与负载均衡的邻居移动终端网关UEi的节点个数。
3.根据权利要求1所述的基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法，其特征在于：所述释放请求中包含邻居移动终端网关UE2的ID信息。
4.根据权利要求1所述的基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法，其特征在于，要分割出去的传感节点的选择方式为：在重叠区域内，以簇头为单位整个簇分割出去，由邻居移动终端网关UE2提供接入服务。
5.根据权利要求1所述的基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法，其特征在于，要分割出去的传感节点的选择方式为：在重叠区域内，根据节点到邻居移动终端网关UE2的距离选择最近距离的传感节点分割出去。
6.根据权利要求1所述的基于传感网与蜂窝网融合的负载均衡方法，其特征在于，要分割出去的传感节点的选择方式为：在重叠区域内，随机选择并释放规定数量的传感节点。
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