CN104853397A - 一种无线传感器网络能耗控制及速率调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无线传感器网络能耗控制及速率调整方法，该方法包括：S1、节点Vi向预设的数据管理中心上传自身的状态信息，并从预设的数据管理中心获取预设范围内所有节点的状态信息，得到状态信息表，所述状态信息表包括所述预设范围内所有节点的ID及对应的状态信息；S2、节点Vi根据目的节点ID的位置以及所述状态信息表，确定与所述目的节点的通信路径；S3、节点Vi在接收到向所述目的节点发送消息的信号之后，根据节点传输速率、向目的节点传输数据包的大小以及所述通信路径，得到所述通信路径的能量消耗；S4、节点Vi根据通信路径的能量消耗以及预设的网络正常工作所需求的传输速率，调整节点传输速率，以减少网络能量消耗。

Description

一种无线传感器网络能耗控制及速率调整方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无线传感器网络能耗控制及速率调整方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)由具有感知、计算和通信能力的无线传感器节点(简称节点)组成，所有节点通过自组织的方式组成一对多或者多对一的通信网络，把采集到的信息经过一跳或者多跳的方式发送到基站。无线传感器网络在高速铁路运营环境监测中具有广阔的应用前景。但是由于节点能量受限及更换电池不方便等，因此节点使用寿命及无线传感器网络的生命周期在一定程度上制约着无线传感器网络服务质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有节点使用寿命及无线传感器网络的生命周期受限影响无线传感器网络服务质量的问题。
为此目的，本发明提出一种无线传感器网络能耗控制及速率调整方法，所述方法包括：
S1、节点Vi向预设的数据管理中心上传自身的状态信息，并从预设的数据管理中心获取预设范围内所有节点的状态信息，得到状态信息表，所述状态信息表包括所述预设范围内所有节点的ID及对应的状态信息；
S2、节点Vi根据目的节点ID的位置以及所述状态信息表，确定与所述目的节点的通信路径；
S3、节点Vi在接收到向所述目的节点发送消息的信号之后，根据节点传输速率、向目的节点传输数据包的大小以及所述通信路径，得到所述通信路径的能量消耗；
S4、节点Vi根据所述通信路径的能量消耗以及预设的网络正常工作所需求的传输速率，调整节点传输速率，以减少网络能量消耗。
可选的，所述步骤S2，包括：
节点Vi在接收到发送第一消息的信号之后，从所述第一消息中获取目的节点的ID，并根据所述状态信息表，选择下一跳节点Vi+1，并将所述第一消息发送到所述节点Vi+1，以使所述节点Vi+1根据所述第一消息，选择下一跳节点Vi+2，直至所述第一消息发送至目的节点。
可选的，在所述步骤S1中，所述状态信息，包括：通信连接关系。
可选的，在所述步骤S2中，所述节点Vi在接收到发送第一消息的信号之后，从所述第一消息中获取目的节点的ID，并根据所述状态信息表，选择下一跳节点Vi+1，具体包括：
节点Vi在接收到发送第一消息的信号之后，从所述第一消息中获取目的节点的ID；
节点Vi根据所述状态信息表中的通信连接关系，确定邻居节点集合，所述邻居节点集合为节点Vi的下一跳节点的集合；
节点Vi以预设最大发射功率向所述邻居节点集合中的所有节点广播第二消息，所述第二消息包括节点ID以及位置坐标；
节点Vi在接收到第三消息之后，得到第三消息集合，所述第三消息为邻居节点集合中的节点发送的第三消息，所述第三消息包括节点ID、位置坐标及节点剩余能量；
节点Vi根据所述第三消息集合，将满足预设条件的第三消息对应的节点选择为下一跳节点Vi+1。
可选的，所述节点剩余能量通过以下步骤得到：
根据预设初始能量及数据处理能耗，得到节点剩余能量，所述节点剩余能量＝预设初始能量-数据处理能耗。
可选的，所述数据处理能耗通过以下步骤得到：
根据已转发数据的大小以及节点传输速率，确定数据处理时长；
根据已转发数据的大小以及预设的处理kbit数据的能耗E_elec，得到已转发数据消耗的能量，所述已转发数据消耗的能量＝(E_elec)×(转发数据的大小/kbit)；其中，k为预设值；
根据所述数据处理时长、预设的单位时间内放大器功放能耗E_amp，得到放大器功放能耗，所述放大器功放能耗＝(E_amp)×数据处理时长；
根据所述已转发数据消耗的能量及所述放大器功放能耗，得到数据处理能耗。
可选的，所述节点Vi根据所述第三消息集合，将满足预设条件的第三消息对应的节点选择为下一跳节点Vi+1，具体包括：
节点Vi查看所述第三消息集合中的节点剩余能量，在确定所述第三消息中的节点剩余能量大于或等于预设节点能量值之后，则根据第三消息中的位置坐标，将第三消息对应的节点与节点Vi之间距离最短的节点选择为下一跳节点Vi+1。
可选的，所述节点Vi根据所述第三消息集合，将满足预设条件的第三消息对应的节点选择为下一跳节点Vi+1的步骤之后，还包括以下步骤：
节点Vi查看所述第三消息集合中的节点剩余能量，在确定所述第三消息集合中的节点剩余能量小于预设节点能量值之后，则将第三信息发送到预设的数据管理中心。
可选的，所述步骤S3，包括：
节点Vi在接收到向所述目的节点发送消息的信号之后，根据节点传输速率、向目的节点传输数据包的大小以及所述通信路径，计算所述通信路径中每个节点的数据处理能耗，并将每个节点的数据处理能耗求和得到所述通信路径的能量消耗。
可选的，所述数据处理能耗通过以下步骤得到：
根据向目的节点传输数据包的大小以及节点传输速率，确定数据包处理时长；
根据向目的节点传输数据包的大小以及预设的处理kbit数据的能耗E_elec，得到向目的节点传输数据包的能耗，所述向目的节点传输数据包的能耗＝(E_elec)×(向目的节点传输数据包的大小/kbit)；其中，k为预设值；
根据所述数据包处理时长、预设的单位时间内放大器功放能耗E_amp，得到放大器功放能耗，所述放大器功放能耗＝(E_amp)×数据包处理时长；
根据所述向目的节点传输数据包的能耗及所述放大器功放能耗，得到数据处理能耗。
相比于现有技术，本发明的无线传感器网络能耗控制及速率调整方法，可应用于基于WSN的高速铁路防灾监控系统，通过调整传输速率来延长节点使用寿命及无线传感器网络的生命周期，解决节点能量受限及更换电池不方便的问题，以提高无线传感器网络服务质量。
附图说明
图1示出了一种无线传感器网络能耗控制及速率调整方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例公开一种无线传感器网络能耗控制及速率调整方法，所述方法可包括：
S1、节点Vi向预设的数据管理中心上传自身的状态信息，并从预设的数据管理中心获取预设范围内所有节点的状态信息，得到状态信息表，所述状态信息表包括所述预设范围内所有节点的ID及对应的状态信息；
S2、节点Vi根据目的节点ID的位置以及所述状态信息表，确定与所述目的节点的通信路径；
S3、节点Vi在接收到向所述目的节点发送消息的信号之后，根据节点传输速率、向目的节点传输数据包的大小以及所述通信路径，得到所述通信路径的能量消耗；
S4、节点Vi根据所述通信路径的能量消耗以及预设的网络正常工作所需求的传输速率，调整节点传输速率，以减少网络能量消耗。
本实施例中，所述步骤S2，包括：
节点Vi在接收到发送第一消息的信号之后，从所述第一消息中获取目的节点的ID，并根据所述状态信息表，选择下一跳节点Vi+1，并将所述第一消息发送到所述节点Vi+1，以使所述节点Vi+1根据所述第一消息，选择下一跳节点Vi+2，直至所述第一消息发送至目的节点。
本实施例中，在所述步骤S1中，所述状态信息，包括：通信连接关系。
本实施例中，在所述步骤S2中，所述节点Vi在接收到发送第一消息的信号之后，从所述第一消息中获取目的节点的ID，并根据所述状态信息表，选择下一跳节点Vi+1，具体包括：
节点Vi在接收到发送第一消息的信号之后，从所述第一消息中获取目的节点的ID；
节点Vi根据所述状态信息表中的通信连接关系，确定邻居节点集合，所述邻居节点集合为节点Vi的下一跳节点的集合；
节点Vi以预设最大发射功率向所述邻居节点集合中的所有节点广播第二消息，所述第二消息包括节点ID以及位置坐标；
节点Vi在接收到第三消息之后，得到第三消息集合，所述第三消息为邻居节点集合中的节点发送的第三消息，所述第三消息包括节点ID、位置坐标及节点剩余能量；
节点Vi根据所述第三消息集合，将满足预设条件的第三消息对应的节点选择为下一跳节点Vi+1。
本实施例中，所述节点剩余能量通过以下步骤得到：
根据预设初始能量及数据处理能耗，得到节点剩余能量，所述节点剩余能量＝预设初始能量-数据处理能耗。
本实施例中，所述数据处理能耗通过以下步骤得到：
根据已转发数据的大小以及节点传输速率，确定数据处理时长；
根据已转发数据的大小以及预设的处理kbit数据的能耗E_elec，得到已转发数据消耗的能量，所述已转发数据消耗的能量＝(E_elec)×(转发数据的大小/kbit)；其中，k为预设值；
根据所述数据处理时长、预设的单位时间内放大器功放能耗E_amp，得到放大器功放能耗，所述放大器功放能耗＝(E_amp)×数据处理时长；
根据所述已转发数据消耗的能量及所述放大器功放能耗，得到数据处理能耗。
本实施例中，所述节点Vi根据所述第三消息集合，将满足预设条件的第三消息对应的节点选择为下一跳节点Vi+1，具体包括：
节点Vi查看所述第三消息集合中的节点剩余能量，在确定所述第三消息中的节点剩余能量大于或等于预设节点能量值之后，则根据第三消息中的位置坐标，将第三消息对应的节点与节点Vi之间距离最短的节点选择为下一跳节点Vi+1。
本实施例中，所述节点Vi根据所述第三消息集合，将满足预设条件的第三消息对应的节点选择为下一跳节点Vi+1的步骤之后，还包括以下步骤：
节点Vi查看所述第三消息集合中的节点剩余能量，在确定所述第三消息集合中的节点剩余能量小于预设节点能量值之后，则将第三信息发送到预设的数据管理中心，以便数据管理中心及时了解失效节点信息，对节点进行维护。
本实施例中，所述步骤S3，包括：
节点Vi在接收到向所述目的节点发送消息的信号之后，根据节点传输速率、向目的节点传输数据包的大小以及所述通信路径，计算所述通信路径中每个节点的数据处理能耗，并将每个节点的数据处理能耗求和得到所述通信路径的能量消耗。
本实施例中，所述数据处理能耗通过以下步骤得到：
根据向目的节点传输数据包的大小以及节点传输速率，确定数据包处理时长；
根据向目的节点传输数据包的大小以及预设的处理kbit数据的能耗E_elec，得到向目的节点传输数据包的能耗，所述向目的节点传输数据包的能耗＝(E_elec)×(向目的节点传输数据包的大小/kbit)；其中，k为预设值；
根据所述数据包处理时长、预设的单位时间内放大器功放能耗E_amp，得到放大器功放能耗，所述放大器功放能耗＝(E_amp)×数据包处理时长；
根据所述向目的节点传输数据包的能耗及所述放大器功放能耗，得到数据处理能耗。
实施例中的无线传感器网络能耗控制及速率调整方法用于解决由自身所携带的有限的传感器节点组成的无线传感器网络的能量消耗问题以及节点能耗问题，属于无线传感器网络控制技术领域。通过对无线传感器网络节点传输速率进行控制，使整个无线传感器网络在规定跳数范围(即无线传感器网络预设的跳数范围)内保持连通状态的同时，使无线传感器网络能耗最小。该能耗控制系统不仅可用于对无线传感器网络的能耗控制、无线传感器网络协议算法的验证和改进、节点的部署设计，也可用作未来服务质量进行在线评估，具有很好的推广应用前景。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络能耗控制及速率调整方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、节点Vi向预设的数据管理中心上传自身的状态信息，并从预设的数据管理中心获取预设范围内所有节点的状态信息，得到状态信息表，所述状态信息表包括所述预设范围内所有节点的ID及对应的状态信息；
S2、节点Vi根据目的节点ID的位置以及所述状态信息表，确定与所述目的节点的通信路径；
S3、节点Vi在接收到向所述目的节点发送消息的信号之后，根据节点传输速率、向目的节点传输数据包的大小以及所述通信路径，得到所述通信路径的能量消耗；
S4、节点Vi根据所述通信路径的能量消耗以及预设的网络正常工作所需求的传输速率，调整节点传输速率，以减少网络能量消耗。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2，包括：
节点Vi在接收到发送第一消息的信号之后，从所述第一消息中获取目的节点的ID，并根据所述状态信息表，选择下一跳节点Vi+1，并将所述第一消息发送到所述节点Vi+1，以使所述节点Vi+1根据所述第一消息，选择下一跳节点Vi+2，直至所述第一消息发送至目的节点。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述状态信息，包括：通信连接关系。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述节点Vi在接收到发送第一消息的信号之后，从所述第一消息中获取目的节点的ID，并根据所述状态信息表，选择下一跳节点Vi+1，具体包括：
节点Vi在接收到发送第一消息的信号之后，从所述第一消息中获取目的节点的ID；
节点Vi根据所述状态信息表中的通信连接关系，确定邻居节点集合，所述邻居节点集合为节点Vi的下一跳节点的集合；
节点Vi以预设最大发射功率向所述邻居节点集合中的所有节点广播第二消息，所述第二消息包括节点ID以及位置坐标；
节点Vi在接收到第三消息之后，得到第三消息集合，所述第三消息为邻居节点集合中的节点发送的第三消息，所述第三消息包括节点ID、位置坐标及节点剩余能量；
节点Vi根据所述第三消息集合，将满足预设条件的第三消息对应的节点选择为下一跳节点Vi+1。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述节点剩余能量通过以下步骤得到：
根据预设初始能量及数据处理能耗，得到节点剩余能量，所述节点剩余能量＝预设初始能量-数据处理能耗。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数据处理能耗通过以下步骤得到：
根据已转发数据的大小以及节点传输速率，确定数据处理时长；
根据已转发数据的大小以及预设的处理kbit数据的能耗E_elec，得到已转发数据消耗的能量，所述已转发数据消耗的能量＝(E_elec)×(转发数据的大小/kbit)；其中，k为预设值；
根据所述数据处理时长、预设的单位时间内放大器功放能耗E_amp，得到放大器功放能耗，所述放大器功放能耗＝(E_amp)×数据处理时长；
根据所述已转发数据消耗的能量及所述放大器功放能耗，得到数据处理能耗。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述节点Vi根据所述第三消息集合，将满足预设条件的第三消息对应的节点选择为下一跳节点Vi+1，具体包括：
节点Vi查看所述第三消息集合中的节点剩余能量，在确定所述第三消息中的节点剩余能量大于或等于预设节点能量值之后，则根据第三消息中的位置坐标，将第三消息对应的节点与节点Vi之间距离最短的节点选择为下一跳节点Vi+1。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述节点Vi根据所述第三消息集合，将满足预设条件的第三消息对应的节点选择为下一跳节点Vi+1的步骤之后，还包括以下步骤：
节点Vi查看所述第三消息集合中的节点剩余能量，在确定所述第三消息集合中的节点剩余能量小于预设节点能量值之后，则将第三信息发送到预设的数据管理中心。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：
节点Vi在接收到向所述目的节点发送消息的信号之后，根据节点传输速率、向目的节点传输数据包的大小以及所述通信路径，计算所述通信路径中每个节点的数据处理能耗，并将每个节点的数据处理能耗求和得到所述通信路径的能量消耗。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述数据处理能耗通过以下步骤得到：
根据向目的节点传输数据包的大小以及节点传输速率，确定数据包处理时长；
根据向目的节点传输数据包的大小以及预设的处理kbit数据的能耗E_elec，得到向目的节点传输数据包的能耗，所述向目的节点传输数据包的能耗＝(E_elec)×(向目的节点传输数据包的大小/kbit)；其中，k为预设值；
根据所述数据包处理时长、预设的单位时间内放大器功放能耗E_amp，得到放大器功放能耗，所述放大器功放能耗＝(E_amp)×数据包处理时长；
根据所述向目的节点传输数据包的能耗及所述放大器功放能耗，得到数据处理能耗。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20150819

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