CN103200692A - 一种用于异构传感器网络的节点调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于异构传感器网络的节点调度方法，研究了网络覆盖率和工作节点之间的关系，在满足覆盖率要求的最大分组数的条件下，采用基于网格的方法对覆盖区域进行划分，每个网格中的节点分为不同的分组进行调度，解决了由于节点高密度部署而造成的冗余，延长了网络的生存周期。因此，本发明的有益效果包括增加了节点调度方法研究的范围，保证了目标网络的覆盖率，实现了提高网络生命周期的目的。

Description

一种用于异构传感器网络的节点调度方法

技术领域

本发明涉及一种新型的节点休眠的方法,属于异构传感器网络中节点调度的领域,特别涉及一种以覆盖率作为优化目标，采用分而治之的基于网格划分的节点分类调度算法。

背景技术

近些年来，随着微电子技术、计算技术、无线通信和低功耗多功能传感器等技术迅速发展，出现了一种新型的网络----无线传感器网络。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量廉价的微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的动态性网络。

传感器节点主要依靠自身来进行供电，但由于传感器节点体积微小，电池能量有限且难以补充和更换。此外，由于无线传感器网络的节点规模庞大，分布密集，分散范围广，工作周期长，对传感器网络的维护和电池补充工作难以实现。因此，对于无线传感器网络来说，如何通过减少节点的能量损耗，平衡网络的能量负载，将网络资源分配最优化，从而最大化整个网络的生存期的问题十分重要。

如何在不影响网络的性能的情况下延长整个网络的生存期，通常使用的方法是通过不同的算法对节点进行分组调度，让一部分节点进入休眠状态，从而减少能量消耗，达到提高服务质量并延长网络寿命的目的。

节点调度算法的设计应充分考虑具体应用的具体要求，针对不同的覆盖要求，做出相应的解决方案。同时考虑传感器网络节点资源受限，尤其是能量受限的特点，在设计节点调度策略时应该考虑以下特性：

（1）低开销：在一个调度时间片内，调度的时间要占相对较小的比例，节点调度的复杂度也要尽量地低，调度策略带来的额外的通信和计算开销要尽量低，尽可能减少节点的能耗；

（2）能量均衡性：在传感器网络中，部分区域通信或计算频率较快，节点的能量消耗较快，节点因能量耗尽而失效，这会造成感知覆盖的空洞，并影响通信网络的连通性。因此，节点调度策略要考虑节点负载的平衡，最优化网络资源分配。

（3）健壮性：传感器网络通常布置在户外，受环境条件影响较大，节点失效是常见的现象。传感器网络的节点调度策略要考虑无法预料的意外导致的节点失效，尽量保证在网络发生意外时能够保持正常工作。

（4）可扩展性。无线传感器网络经常由于新节点的加入或旧节点的失效而造成网络的拓扑变化，节点数量也会随着应用的需求而发生变化，因此，节点策略应能够适应网络频繁的变化，具有一定的可扩展性。

（5）分布式实现，传感器网络中的节点可以完全独立地或者仅通过与邻近节点的局部通信，决定其是否休眠；与集中式的策略相比，分布式的调度策略更易于实现，对网络部署密度变化有较好的适应性和可扩展性。

这些问题的解决能够使整个传感器网络以最小的能量代价来监测目标，从而达到延长网络生存期的目的。

无线传感器网络根据节点传感半径是否相同可以分为同构网络和异构网络。

目前，对于无线传感器网络节点调度算法的研究大多数都集中在同构的网络上，通常只研究单一节点类型的传感器网络，而在实际的传感器应用中，由于监测区域的形状和实际医疗环境等条件的限制，异构网络往往能取得更好的监测效果。所以本专利主要介绍了一种异构传感器网络中节点调度的方法。

发明内容

  技术问题：本发明的目的是提出一种用于异构传感器网络的节点调度方法

，从而有效地延长网络的生命周期，均衡网络中的覆盖率。

技术方案：本发明的用于异构传感器网络的节点调度方法为：在异构的传感器网络中，假设共有n个节点，半径类型有r种，分别为                                                

、……，每种半径的个数一样，根据上式可知，异构传感器网络中满足  ，其中k为分组个数，a、b为指定监测的长方形区域的长和宽，

为指定的覆盖率；

则满足条件的分组数为

；

将整个指定的目标区域划分为许多个小的网格区域，由前文可知网络划分的数目由节点总数n和分组数k值所决定，根据计算可知网格数目为

；因此，在x，y轴方向上以间距

对目标区域进行网格划分；

对每个网格中的节点进行分组，节点分组的具体步骤如下：

1) 对目标区域进行网格划分，网格数

；

2) 对于每个网格区域，依次遍历查找其中的每个传感器节点，设置计数器count=1；

3) 将查找到的节点分别分配到第count组，并将count加1；

4) 若count的值超出k的范围，count回1；

5) 重复执行步骤3)，直到该网格区域中的传感器节点全部遍历完毕；

6) 重复执行步骤2)，直至遍历完所有的网格区域；

    分组调度：

   根据节点分组的规则将节点分为k组，该无线传感器网络在每一个时间片内仅且只调度一个分组内的节点，从而将网络的寿命延长了k倍。

有益效果：本发明涉及一种新型的异构无线传感器网络中分组的方法和节点调度的算法来实现异构无线传感器网络节点调度，这种节点调度的方法能有效的延长网络的生命周期，同时也能保证一定的网络覆盖率。在过去的大部分对于传感器网络的调度算法的研究中，我们都只关注同构网络中节点调度的情况。本专利首次将研究重点放在异构网络中，研究异构网络中节点调度的情况。在一般的同构网络中，我们使用随机调度的方法人为进行节点休眠/活动的状态转换，而本专利中，使用了一种新的分组方法来得到分组数k值，在异构网络中进行节点调度。

因此，本发明的有益效果包括增加了节点调度方法研究的范围，保证了目标网络的覆盖率，实现了提高网络生命周期的目的。

附图说明

    图1是节点调度周期的示意图。

    图2是节点状态转换的示意图。

    图3是网格划分的示意图。

    图4是节点分类的流程图。

具体实施方式

针对传统的同构网络中覆盖节点的调度方法，本发明提出了一中异构无线传感器网络中的节点调度的方法。该方法是根据网络覆盖率的约束条件，将目标区域的节点划分为多个不相交的集合，网络在不同时间内对这些集合进行切换。同时，相对于传统的随机调度算法，该算法能均衡覆盖率，有效防止覆盖盲点的出现。

本发明的一种基于异构网络的节点调度方法，采取了基于网格划分的方法对节点进行分组和调度。

一、时间片调度：

定义1：轮（round）。每个节点的工作过程都分为周期为T的轮，见图1。节点在每一轮开始时进行节点调度，首先进行算法判断，决定哪些节点进入工作状态，哪些节点进入睡眠状态，然后每个节点按照之前的判断进行状态变化，如图2，直到下一轮时间片的到来。

定义2：工作子集。相同时刻处于相同状态（工作或休眠）的传感器节点即属于同一工作子集。在同一时刻，仅且只有一个工作子集的传感器节点处于工作状态。

在随机部署的无线传感器网络中，传感器节点有工作和休眠两种状态。当节点处于工作状态时，开启包括通信模块、信息感知模块和时间模块在内的所有的功能模块，同时承担感知和通讯的工作；而当节点处于休眠状态时，传感器节点关闭自身的通信模块和信息感知模块，不承担任何工作，仅仅留有非常低的能量在下一个时间片到来时唤醒自己。每种节点能且只处于一种状态。

本专利中提出的节点调度算法是指将整个调度时间分成若干个相等的时间片周期，每经过一个时间片周期，传感器网络进行一次工作子集的切换，即将原处于工作状态的节点转为睡眠状态，并将处在睡眠状态的其中一个工作子集的传感器节点转为工作状态。通过工作子集的切换将多余的节点置为睡眠状态，以平衡节点间的能量负载，节省它们的能量，由处于工作状态的节点来完成整个网络的功能需求。

二、基于网格的调度算法：

基于网格划分的节点调度覆盖算法的基本思想是指用“分而治之”的思想来确定工作子集，即将整个区域网格化，每个网格中的节点分属不同的工作子集。如图3所示，假设一个小格之内有且仅随机均匀分布有k个节点，则这k个节点中任意一个节点就属于一个分组，因此，整个目标区可以分成n/k个小的网格。因此，区域认为被分成了k个分组，每个分组包含每个网格中的一个节点。本文的节点调度算法就对这k个分组进行轮换调度，从而将网络周期延长为原来的k倍。

三、K值的确定：

定义3：覆盖率：调度算法的覆盖率是指调度算法运行后网络的覆盖率区域和调度算法运行前的网络覆盖区域的比值，记为F。当节点均匀分布在长为a，宽为b的长方形区域时，其覆盖率为

，其中p为每个传感器节点覆盖一个给定区域的概率，k为分组数。由上文可知，k值越大表示分组数越多，即网络的生存周期越长，所以，在保证一定的覆盖率的前提下，使用尽可能少的节点对目标区域进行覆盖，则能使分组数目越大，提高网络的生命周期。

要使网络覆盖率满足

，其中，

为给定覆盖率下限。即满足指定范围内的覆盖率的分组满足

 。

对于异构传感器网络中，假设共有n个节点，半径分别为

、

……

r种半径，每种半径的个数一样。根据上式可知，异构传感器网络中满足  

。

则满足条件的分组数为

。

为了方便描述，我们假定有如下应用实例。在指定的

的区域中，随机部署200个节点，节点感应半径分别为

、

……

的r种半径，节点的感

应范围为以节点为圆心，感应半径为半径的圆。节点的传输半径均为

。

初始阶段：

    在指定的区域内部署无线传感器网络节点，节点自组织成网后，就进行初始阶段的设置，在初始阶段，通过节点与节点之间的通信，每个节点都能得知自己的位置信息以及各个邻居节点的信息。节点根据调度算法，决定是进入工作状态还是休眠状态。一轮调度结束后，工作状态的节点转入休眠状态，其他节点根据调度算法进行新一轮判断。

网格划分阶段：

    网格划分是指将整个指定的目标区域划分成许多个小的网格区域，由前文可知网络划分的数目由是节点总数n和分组数k值所决定，根据计算可知网格数目为

。因此，我们在x，y轴方向上以间距

对目标区域进行网格划分。

节点分组：

在分组时，我们采用轮询的方法按顺序依次搜索每个网格中的节点，将搜索到的节点分配到各个分组中去，代码见图4。该算法流程表示如下：

(1) 对目标区域进行网格划分，网格数

；

(2)依次遍历查找每个网格区域的每个传感器节点，

(3) 设置计数器count=1，将查找到的每个节点分别分配到第count组，并将count加1；

(4) 若count的值超出k的范围，count回1；

(5) 重复执行步骤(3)，直到该网格区域中的传感器节点全部遍历完毕；

(6)重复执行步骤(2)，直至遍历完所有的网格区域。

分组调度：

   根据节点分组的规则将节点分为k组，该无线传感器网络在每一个时间片内仅且只调度一个分组内的节点，从而将网络的寿命延长了k倍。

Claims (1)

1.一种用于异构传感器网络的节点调度方法，其特征为在异构的传感器网络中，假设共有n个节点，半径类型有r种，分别为                                                

、

……

，每种半径的个数一样，异构传感器网络的网络覆盖率满足 

 ，其中k为分组个数，a、b为指定监测的长方形区域的长和宽，

为指定的覆盖率；

根据网络覆盖率的公式计算

可计算出满足条件的分组数为；

网格划分首先要确定的是能够将整个区域划分成多少个网格区域，这由节点总数目n和k值所决定，网格数目为

；覆盖率的网络节点分组数k必须满足

，因此，在x，y轴方向上以间距

进行网格划分；

对每个网格中的节点进行分组，节点分组的具体步骤如下：

1) 对目标区域进行网格划分，网格数

；

2) 对于每个网格区域，依次遍历查找其中的每个传感器节点，设置计数器count=1；

3) 将查找到的节点分别分配到第count组，并将count加1；

4) 若count的值超出k的范围，count回1；

5) 重复执行步骤3)，直到该网格区域中的传感器节点全部遍历完毕；

6) 重复执行步骤2)，直至遍历完所有的网格区域；

    分组调度：

   根据节点分组的规则将节点分为k组，该无线传感器网络在每一个时间片内仅且只调度一个分组内的节点，从而将网络的寿命延长了k倍。

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