CN104883691B - 无线传感器网络中自适应动态子网划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络中自适应动态子网划分方法，包括以下步骤：无线传感器网络以距离为依据将无线传感器划分为若干个独立子网，并以此为基础建立路由表，启动数据传输；在数据通信过程中，以时间T为间隔记录每个节点发起的数据请求次数n和数据请求交换的总数据量c，然后以此为参数计算出在时间T内某个节点的当前繁忙程度f_c；最后以节点个数和繁忙程度为依据，动态调整各个传感器子网，使得每个子网中的传感器节点个数和子网内所有节点的繁忙程度之和达到最大近似。通过建立整个传感器网络的繁忙程度表F来动态调整子网，从而提高网络利用率，节约网络资源，使得每个传感器节点都尽可能实时的通信。

Description

无线传感器网络中自适应动态子网划分方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及一种无线传感器网络中自适应动态子网划分方法。

背景技术

无线传感器网络由于其低功耗、分布式、自组织、易扩展等优点，正逐渐取代传统的有线传感器网络，越来越多的应用到自动控制领域当中。与互联网相比，无线传感器网络有其自特点，比如无线传感器网络数据量小、数据请求频率高等、网络节点少、网络协议简单、对实时性和稳定性要求高等。然而现有的传感器网络拓扑结构是从互联网网络拓扑演变而来，这种网络拓扑是以距离作为子网划分的依据，是一种静态结构，子网划分一旦完成，之后就固定不变，无法根据网络负载实时调整子网结构，因此很容易造成网络不均衡现象，无法充分利用网络资源。因此如何利用无线传感器网络自身特点，开发出一种能够自适应动态调整子网结构的组网方法，更好的满足无线传感器网络的需要，是当前比较迫切的问题。

发明内容

针对现有无线传感器网络中静态子网结构导致的传感器网络负载不均衡、网络资源利用率低、实时性差、扩展性弱等现象，本发明目的是：提供一种无线传感器网络中自适应动态子网划分方法，通过建立整个传感器网络的繁忙程度表F来动态调整子网，从而提高网络利用率，节约网络资源，使得每个传感器节点都尽可能实时的通信。

本发明的技术方案是：

一种无线传感器网络中自适应动态子网划分方法，包括以下步骤：

（1）无线传感器网络以距离为依据将无线传感器划分为若干个独立子网，并以此为基础建立路由表，启动数据传输；

（2）在数据通信过程中，以时间T为间隔记录每个节点发起的数据请求次数n和数据请求交换的总数据量c，然后以此为参数计算出在时间T内某个节点的当前繁忙程度f_c=e^kn+c，其中e为自然对数，k为加权系数。

（3）最后以节点个数和繁忙程度为依据，动态调整各个传感器子网，使得每个子网中的传感器节点个数和子网内所有节点的繁忙程度之和达到最大近似。

优选的，将计算出的节点当前繁忙程度与传感器的上一时间段的繁忙程度f’作加权平均，即节点繁忙程度f = af’ + f_c，其中a为加权系数，得到整个网络中所有传感器节点的繁忙程度表F_{t =} F(f₁, f₂, f₃…)，其中f₁为节点1的繁忙程度，f₂为节点2的繁忙程度，以此类推。

优选的，当需要在传感器网络中加入一个新的传感器节点时，包括以下步骤：

根据繁忙程度表F_t,计算传感器网络中节点的平均繁忙程度F’= (f₁+ f₂+ f₃+…)/N，其中N为传感器网络节点总数，将平均繁忙程度F’作为新加入节点的初始繁忙程度，从而得到新的繁忙程度表F(f₁, f₂, f₃…, F’)，再根据此表动态调整子网结构，其中f₁为节点1的繁忙程度，f₂为节点2的繁忙程度，以此类推。

优选的，当需要在传感器网络中删除一个传感器节点时，删除为此传感器节点分配的资源，在下一次更新繁忙程度表时，自动过滤到此节点的繁忙程度，并再次调整子网结构，动态划分子网。

通过建立整个传感器网络的繁忙程度表F来动态调整子网，从而提高网络利用率，节约网络资源，使得每个传感器节点都尽可能实时的通信。

本发明的优点是：

1. 采用动态子网结构代替静态子网结构能够更加客观、实时的反映当前传感器网络的负载状态，从而最大程度利用网络资源，避免网络堵塞。

引入一种计算传感器节点繁忙程度的数学模型，从而能够更加精确的估算传感器节点的繁忙程度。

引入繁忙程度表来实时记录整个传感器网络的繁忙程度，动态反映整个传感器网络的繁忙程度。

以平均繁忙程度作为新加入节点的繁忙程度，从而避免由于新加入节点导致网络大幅度调整，使网络产生短暂性通信风暴，致使网络拥堵。

删除传感器节点不需要额外处理，从而避免网络震荡，节约网络资源。

附图说明

图1是无线传感器网络自适应动态子网划分结构图；

图2是本发明的动态子网划分流程图。

其中：1、无线传感器网络服务器，2、无线传感器网络子网网关，3、无线传感器网络节点，4、无线传感器网络手持设备服务器，5、互联网。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

一种无线传感器网络自适应动态子网划分方法，包括：

初始状态，无线传感器网络以距离为依据将无线传感器划分为若干个独立子网，并以此为基础建立路由表，启动数据传输。在数据通信过程中，以时间T为间隔记录每个节点发起的数据请求次数n和据请求交换的总数据量c，然后以此为参数计算出在时间T内某个节点的当前繁忙程度f_c= e^kn+c(其中e为自然对数，k为加权系数)。

由于某个节点的繁忙程度可能是短暂的，为了能够更好的反应每个传感器节点的繁忙程度，将计算出的节点当前繁忙程度与传感器的上一时间段的繁忙程度作加权平均，即f = af’+ f_c,(其中a为加权系数)，从而得到整个网络中所有传感器节点的繁忙程度表F_{t =} F(f₁, f₂, f₃…)，最后以节点个数和繁忙程度为依据，动态调整各个传感器子网，使得每个子网中的传感器节点个数和子网内所有节点的繁忙程度之和达到最大近似，从而最大程度利用网络资源，避免网络堵塞。

当需要在传感器网络中加入一个新的传感器节点时，包括以下几个步骤：

根据繁忙程度表F, 计算传感器网络中节点的平均繁忙程度F’ = (f₁+ f₂+ f₃+…)/N,其中N为传感器网络节点总数，将平均繁忙程度F’作为新加入节点的初始繁忙程度，从而得到新的繁忙程度表F(f₁, f₂, f₃…, F’)，再根据此表动态调整子网结构。

当需要在传感器网络中删除一个传感器节点时，只需要删除为此传感器节点分配的资源，不需要特殊操作，因为在下一次更新繁忙程度表时，会自动过滤到此节点的繁忙程度，并再次调整子网结构，动态划分子网。

综上所述，通过建立整个传感器网络的繁忙程度表F来动态调整子网，从而提高网络利用率，节约网络资源，使得每个传感器节点都尽可能实时的通信。

如图1所示，该无线传感器网络拓扑共分为四层：无线传感器网络节点3，无线传感器网络子网网关2、无线传感器网络服务器1、互联网5。多个无线传感器网络节点3形成一个无线传感器子网，子网内部的无线传感器网络节点3通过无线传感器网络子网网关2与无线传感器网络服务器1通信，网络服务器1用于管理整个无线传感器网络，负责建立和维护无线传感器网络繁忙程度表，网络服务器1一边连接至无线传感器网络，与无线传感器网络内节点3通信，另一边与互联网5相连，用户可通过互联网连接至无线传感器服务器。

下面结合图2介绍动态子网划分的实施过程，上电后，无线传感器网络服务器通过发送广播信息获得所有网关信息，初始化网关，然后以网关为核心向外搜索邻近无线传感器节点，并以此作为初始划分子网的依据，待整个系统开始正常工作以后，以时间T为单位，记录在时间段T内所有传感器节点的繁忙程度，并生成繁忙程度表，最后根据繁忙程度表将整个无线传感器网络划分为传感器节点和繁忙程度之和近似相等的若干个子网。不断重复此过程，维持所有子网内的传感器节点和子网繁忙程度大致相等，从而维持网络负载均衡。

在系统启动初期的几个周期T内，子网的动态调整可能比较频繁，但在经过若干个周期T的训练之后，子网的结构就会趋于稳定，基本上不会大幅度的调整，因此本方案不会对无线传感器网络系统本身造成太大的负担。而且本方案将平均繁忙程度作为新加入传感器节点的初始繁忙程度，进一步避免由于新加入传感器节点导致子网大幅度调整，保持网络稳定。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络中自适应动态子网划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）无线传感器网络以距离为依据将无线传感器划分为若干个独立子网，并以此为基础建立路由表，启动数据传输；

（2）在数据通信过程中，以时间T为间隔记录每个传感器节点发起的数据请求次数n和数据请求交换的总数据量c，计算在时间T内某个传感器节点的当前繁忙程度f_c= e^kn+c，其中e为自然对数，k为加权系数；

（3）最后以传感器节点个数和繁忙程度为依据，动态调整各个传感器子网，使得每个子网中的传感器节点个数和子网内所有传感器节点的繁忙程度之和达到最大近似，所述传感器节点的繁忙程度为传感器节点当前繁忙程度和上一时间段的繁忙程度f’的加权平均，即节点繁忙程度f = af’ + f_c，其中a为加权系数。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中自适应动态子网划分方法，其特征在于，根据节点繁忙程度得到整个网络中所有传感器节点的繁忙程度表F_{t =} F(f₁, f₂, f₃…)，其中f₁为节点1的繁忙程度，f₂为节点2的繁忙程度，以此类推。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络中自适应动态子网划分方法，其特征在于，当需要在传感器网络中加入一个新的传感器节点时，包括以下步骤：

根据繁忙程度表F_t,计算传感器网络中节点的平均繁忙程度F’ = (f₁+ f₂+ f₃+ …)/N，其中N为传感器网络节点总数，将平均繁忙程度F’作为新加入传感器节点的初始繁忙程度，从而得到新的繁忙程度表F(f₁, f₂, f₃…, F’)，再根据此表动态调整子网结构，其中f₁为传感器节点1的繁忙程度，f₂为传感器节点2的繁忙程度，以此类推。

4.根据权利要求2所述的无线传感器网络中自适应动态子网划分方法，其特征在于，当需要在传感器网络中删除一个传感器节点时，删除为此传感器节点分配的资源，在下一次更新繁忙程度表时，自动过滤掉此传感器节点的繁忙程度，并再次调整子网结构，动态划分子网。