CN105072674A - 无线传感网中的分布式招募调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明是在正六边形覆盖模型基础上，结合分布式思想，提出一种无线传感网中基于测距的分布式招募调度方法(RBDRS)，目的是为减少工作节点数目，提高网络覆盖率，均衡网络能耗，延长网络生命周期。该方法基于正六边形节点覆盖模型，考虑到招募节点在调度方法执行过程中能量消耗过高而导致节点快速死亡的情况，将协同节点招募的任务转移到每个新招募的协作节点上，从而使网络的能量消耗更加均衡；在协作节点选择过程中，综合考虑节点与招募节点、协作招募节点间的距离，选择最合适节点作为协作节点，使网络覆盖模型更趋近于正六边形，减少工作节点个数的同时维持了网络覆盖率。

Description

无线传感网中的分布式招募调度方法

技术领域

本发明涉及的是无线传感监测网中的一种节点调度方法。可应用于无线传感网络数据存储领域。

背景技术

无线传感器网络中，高密度、高冗余度的节点部署，保证网络的全覆盖、稳定性。如果这些高密度、高冗余度的节点没有好的调度，节点可能发送相同的信息，造成节点能量的浪费以及网络拥堵。有学者采用节点调度方法解决这些问题。节点调度通过一定的方法对网络中的节点进行分组，在不影响区域覆盖、通信质量、任务等前提下，使一部分节点处于活跃状态而另一部分节点进入休眠状态，节省节点能量，延长网络的生命周期。

节点调度方法可分为与位置相关的节点调度方法和与位置无关的节点调度方法两大类。基于地理位置的节点调度方法通过获取节点精确的地理位置信息计算节点的覆盖区域和冗余度，实现节点调度，如启发式的基于最大化互斥集合个数的方法(MCMCC)、最优地理密度控制方法(OGDC)等。此类方法通常采用全球定位系统GPS或其它的定位机制获取节点的精确位置信息，节点成本高，定位消耗能量。

与位置无关的节点调度方法中，节点的位置信息无需作为已知条件，节点通过与邻居节点交换信息，获取邻居节点个数、距离等信息判断节点是否为冗余节点。Kumar等通过研究k度覆盖、网络区域面积、节点感知半径、网络生命周期和初始部署节点数量、节点休眠概率之间的关系，提出一种随机独立休眠调度方法，可实现k度覆盖，实现简单，但所需初始节点数量较大。Wu等研究邻居节点数目与网络覆盖率之间的关系，提出一种轻量级节点调度方法。根据需求覆盖率计算所需邻居节点数目，去除多余邻居节点实现减少冗余工作节点的目的。该方法在执行过程中，节点间需要频繁交换邻居节点信息，易造成能量消耗和网络拥堵。Yen等提出一种与地理位置无关的基于测距的睡眠调度方法(RBSS)，假设网络区域中的节点均匀随机部署，节点通信半径为感知半径的倍时，RBSS方法可以通过测距在已部署节点中寻找和逼近正六边形覆盖模型，保证网络的覆盖率和连通性，但是RBSS方法未考虑节点调度过程中招募节点能耗过大，导致招募节点过早死亡，影响网络生命周期情况。

发明内容

针对RBSS方法中总是由招募节点发布协作节点招募消息，节点频繁发送和接收数据，导致能量消耗过快及网络过快失效，本发明基于分布式思想，提出基于测距的分布式招募调度方法(RBDRS)。RBDRS方法通过节点间距离，选择合适协作节点，将协作节点招募的任务转移到新招募的协作节点上，均衡网络能耗。

本发明对无线传感器网络做出如下假设：网络区域为一个二维平面上的正方形区域；网络中节点同构，节点具有相同的感知半径R_s和通信半径R_t；节点采用布尔感知模型(0-1模型)，即感知半径R_s内发生的事件以概率1感知，R_s外发生的事件不能感知，概率为0；节点可实现时间同步，可利用节点间的无线信号强度来计算邻近节点间的距离信息，节点不具备获取位置信息及移动能力；网络内的节点采用随机分布，存在大量冗余节点，不存在孤立节点。对于节点调度来说，实现正六边形覆盖问题转化为当时，如何选择中心工作节点S，以及如何围绕节点S寻找6个相距R_t的邻居工作节点C₁～C₆的问题。中心工作节点S称为招募节点、6个邻居工作节点称为协作节点，如图1所示。

RBDRS方法将网络生命周期划分为长度相同的若干轮，每轮开始时执行节点调度策略，如图2所示。假设节点S₁竞争成为招募节点，其余节点等待被招募节点招募为协作节点或满足睡眠条件进入睡眠状态。S₁发出协作节点招募消息，S₁的邻居节点判断其与S₁的距离，如果距离小于D_m(D_m＝R_t/2，两个工作节点间的最小距离)，节点在本轮进入睡眠状态；如果距离大于D_m，则节点发送协作节点响应。招募节点S₁收到协作节点响应消息后，选择距其最远的节点C₁₁作为协作节点。C₁₁发送协作节点请求消息，为S₁招募新的协作节点。只有S₁的邻居节点响应C₁₁的请求消息，收到请求消息的节点睡眠规则与节点S₁相同。依次类推，招募C₁₂～C₁₆为协作节点。如果C₁₆无法招募到协作节点，则由C₁₁发送协作节点招募消息。如果C₁₁也无法招募到协作节点，则由招募节点S₁发送协作节点招募消息。如果S₁也无法再招募到协作节点，则本轮招募结束，招募节点和协作节点都进入工作状态。

RBDRS方法将网络时间划分为相同时长的轮，每轮分为3个阶段，如图3所示。网络中每个节点拥有自己独立的ID号以及邻居节点表和工作节点表。邻居节点表用来保存当前已知邻居节点的ID号和节点距离。工作节点表用来保存当前已知招募节点和协作节点的ID号和节点距离。节点依据不同条件，其状态可以相互转换，如图4所示。RBDRS方法具体如下：

1.协作节点请求消息处理：协作节点请求阶段示意图如图5所示。假设节点S₁为招募节点或协作节点，节点C₁竞争招募节点失败，进入等待状态，等待被招募为协作节点或满足睡眠条件进入睡眠状态，为节点S₁与节点C₁之间的距离。节点S₁发送协作节点请求消息，节点C₁收到此消息后，如果则节点C₁进入睡眠状态。若判断节点C₁是否属于节点S₁的招募节点的邻居节点，如果不是，丢弃该消息；否则延时T_r后，节点C₁向节点S₁发送协作节点响应消息。

T_r用于避免在发送协作节点响应时，各节点之间的消息竞争。假设S₁为招募节点，C₁为S₁的协作节点，C₂为S₁的邻居节点，节点位置示意图如图6所示。节点C₂收到节点C₁的协作节点请求消息后，计算T_r如公式(1)所示。

$T_r=2\×D\left(d_{C_1,C_2}\right)+D\left(d_{C_2,S_1}\right)---\left(1\right)$

其中，函数D(x)定义如公式(2)所示。

$D\left(x\right)=(1-\exp (\frac{x}{R_t}-1))---\left(2\right)$

显然，D(x)与x成反比例关系。当x趋近于R_i时，D(x)趋近于0；当x趋近于0时，D(x)取得最大值。当节点C₂分别距离节点C₁和节点S₁距离最远时，T_r取得最小值，节点C₂最早发出协作节点响应消息。因此，在协作节点选择过程中，优先选择距离招募节点距离更远的节点。

2.协作节点响应消息待发送处理：协作节点响应阶段如图7所示。节点C₂为节点S₁的邻居节点，节点S₂也为招募节点(不同与节点S₁)。节点C₁进入T_r延时后，协作节点响应消息进入待发送状态；T_r延时结束后，节点C₁将向节点S₁发送协作节点响应消息。如果在T_r延时结束前，节点C₁侦听到节点C₂发送给节点S₁的协作节点响应消息，则节点C₁比较其与节点C₂的距离信息，如果则节点C₁继续执行T_r延时，延时结束后发送协作节点响应；否则，说明节点C₂比节点C₁更适合作为节点S₁的协作节点，因此节点C₁停止T_r延时，退出协作节点响应消息待发送状态，更新其邻居节点表，将节点C₂的ID号添加到其邻居节点表，重新进入等待状态。

节点C₁在协作节点响应消息待发送状态，也有可能接收到来自其它节点的协作节点请求消息。如图7所示，如果节点C₁接收到来自节点S₂的协作节点请求消息，节点C₁首先停止T_r延时，退出协作节点响应消息待发送状态，避免节点C₁向节点S₁发送协作节点响应消息。然后节点C₁重新从等待状态处理节点S₂的协作节点请求消息，决定节点C₁进入睡眠状态，或者更新延迟时间T_r，节点C₁进入节点S₂的协作节点响应待发送状态。为了避免增加冗余协作节点和方法复杂度，节点不同时响应多个节点的协作节点请求，只处理最新的协作节点请求消息。显然，节点处于协作节点响应消息待发送状态的时间更长，让节点有可能接收到更多的协作节点请求消息，使节点有更多机会进入睡眠状态。

3.协作节点响应消息处理：招募节点或协作节点S₁接收到协作节点响应消息后，将响应消息中的距离信息与接收到的最大距离信息进行比较。如果新响应节点的距离大于之前响应节点的最大距离，则更新最大节点距离和最大距离节点ID号，否则丢弃新接收的响应消息。同时启动延时T_w，它可以保证节点接收到所有的协作节点响应消息。如果在T_w延时结束前，节点S₁没有接收到新的协作节点响应消息，则节点S₁确认当前最大距离节点为其招募节点的协作节点，发送协作节点确认消息。

4.协作节点确认消息处理：节点收到协作节点确认消息后，将消息中的节点ID号与自身节点ID比较；如果匹配，则节点作为协作节点帮助招募节点招募下一个协作节点，发送新的协作节点请求消息。

5.节点招募方向问题处理：在协作节点招募过程中，节点将按照顺时针或逆时针方向进行招募。节点招募顺序如图8所示。招募节点S₁首先招募C₁为协作节点，C₁招募C₂为协作节点，但是C₂无法招募到新的协作节点，说明在其招募方向(逆时针方向)上已经不存在合适的协作节点，需要从协作节点起始位置(节点C₁)更改招募方向，从相反方向(顺时针方向)重新招募协作节点C₃，然后再由C₃依次招募C₄、C₅为协作节点。如果更改招募方向后，再次出现无法招募到新的协作节点情况，则由招募节点发布协作节点请求消息，招募新的协作节点。如果招募节点无法招募到新的协作节点，说明该招募节点的邻居节点范围内已经不存在处于等待状态的节点，则招募节点完成协作节点招募工作，进入工作状态。

附图说明

图1正六边形部署示意图

图2RBDRS调度策略示意图

图3节点调度时间结构图

图4节点状态转换图

图5协作节点请求阶段示意图

图6节点位置示意图

图7协作节点响应阶段示意图

图8节点招募顺序图

图9工作节点数目随节点总数变化曲线

图10网络覆盖率随节点总数变化曲线

图11工作节点数随时间变化曲线

图12网络覆盖率随时间变化曲线

具体实施方式

采用Matlab平台，对本发明进行实施，具体流程如下：

(1)网格划分：网络规模分为50m×50m和100m×100m两种方形区域，节点采用随机部署方式，节点数量从100至1000不等，节点感知半径R_s为10m，通信半径R_t为17m。节点感知模型为圆形，节点具备测距能力，节点初始能量为1J，节点发送数据功耗为16mW，接收数据功耗为4mW，空闲状态功耗为4mW，睡眠状态功耗为0.01mW，所有节点起始时均为唤醒状态。为了便于计算网络覆盖率，将网络划分为1m×1m的方格，如果方格的中心被某个节点感知到，则认为方格区域被覆盖。覆盖率为被覆盖方格数与划分的方格总数比值。如果网络是分割的，则只计算拥有最多连通节点(最大覆盖率)的区域。

(2)协作节点请求消息处理：协作节点请求阶段示意图如图5所示。节点S₁发送协作节点请求消息，节点C₁收到此消息后，如果则节点C₁进入睡眠状态。若判断节点C₁是否属于节点S₁的招募节点的邻居节点，如果不是，丢弃该消息；否则延时T_r后，节点C₁向节点S₁发送协作节点响应消息。T_r用于避免在发送协作节点响应时，各节点之间的消息竞争。假设S₁为招募节点，C₁为S₁的协作节点，C₂为S₁的邻居节点，节点位置示意图如图6所示。节点C₂收到节点C₁的协作节点请求消息后，计算T_r如公式(1)所示。其中，函数D(x)定义如公式(2)所示。

(3)协作节点响应消息待发送处理：协作节点响应阶段如图7所示。节点C₂为节点S₁的邻居节点，节点S₂也为招募节点(不同于节点S₁)。节点C₁进入T_r延时后，协作节点响应消息进入待发送状态；T_r延时结束后，节点C₁将向节点S₁发送协作节点响应消息。节点C₁在协作节点响应消息待发送状态，也有可能接收到来自其它节点的协作节点请求消息，如图7所示。

(4)协作节点响应消息处理：招募节点或协作节点S₁接收到协作节点响应消息后，将响应消息中的距离信息与接收到的最大距离信息进行比较。

(5)协作节点确认消息处理：节点收到协作节点确认消息后，将消息中的节点ID号与自身节点ID比较；如果匹配，则节点作为协作节点帮助招募节点招募下一个协作节点，发送新的协作节点请求消息。

(6)节点招募方向问题处理：在协作节点招募过程中，节点将按照顺时针或逆时针方向进行招募。节点招募顺序如图8所示。如果招募节点无法招募到新的协作节点，说明该招募节点的邻居节点范围内已经不存在处于等待状态的节点，则招募节点完成协作节点招募工作，进入工作状态。

(7)工作节点数随节点总数变化情况：50m*50m网络规模下，工作节点数目随节点总数变化曲线如图9(a)所示，节点数为100时，RBDRS方法比RBSS方法工作节点数减少3.98％；节点数为200时，RBDRS方法增加1.39％；节点数为300-900时，RBDRS方法减少0.82％～7％；节点数为1000时，RBDRS方法增加0.4％。RBDRS方法比RBSS方法工作节点数平均减少2.94％。100m*100m网络规模下，工作节点数目随节点总数变化曲线如图9(b)所示。RBDRS方法比RBSS方法工作节点数减少1.87％～6.76％，平均减少4.11％。

从图9可以看出RBDRS方法比RBSS方法工作节点数少，但对于网络规模为50m*50m，节点总数为200时，网络节点密度小且节点随机部署，所以在协作节点招募过程中，为实现逼近正六边形网络覆盖模型，RBDRS方法比RBSS方法工作节点数增加1.39％。

(8)网络覆盖率随节点总数变化情况：从图10看出，不同的网络规模，不同节点数目，表现出RBDRS方法的网络覆盖率略高于RBSS方法。当节点总数为100时，两种网络规模下，网络节点密度较小，RBDRS方法在协作节点招募过程中无法招募到足够的工作节点，从而产生覆盖漏洞，所以RBDRS方法的网络覆盖率较RBSS方法有所降低，但均高于90％。

(9)工作节点数随时间变化情况：基于RBSS方法和RBDRS方法的节点调度，其工作节点数随着时间变化的曲线如图11所示。图11(a)看出，基于RBSS方法，在6070s时工作节点数小于1，即所有节点死亡。图11(b)看出，基于RBDRS方法，所有节点死亡时间为16870s。在方法执行过程中，节点即使处于空闲状态，每100s也会消耗0.4J能量，导致部分工作节点死亡，使工作节点数呈现周期性波动。通过比较图11可以发现，RBDRS方法比RBSS方法的波动性小。与RBSS方法相比，RBDRS方法的网络生命周期延长了178％。

(10)网络覆盖率随时间变化情况：RBSS方法和RBDRS方法的网络覆盖率随时间变化曲线分别如图12(a)和(b)所示。当网络覆盖率小于50％时，认为网络失效。比较图12可以看出，当时间超过3040s时，RBSS方法的网络覆盖率小于50％，而RBDRS方法需要时间超过6420s。与RBSS方法相比，RBDRS方法的网络有效时间延长了111％。

Claims (2)

1.无线传感网中基于测距的分布式招募调度方法(RBDRS)，其特征在于：该方法是将网络生命周期划分为固定时间长度的若干轮，结合分布式思想提出的；该方法实施分为招募节点竞争阶段、招募协作节点阶段和执行任务阶段。

2.根据权利要求1所述的无线传感网中基于测距的分布式招募调度方法(RBDRS)，其特征在于：每轮开始为招募节点竞争阶段，任意节点都可通过竞争成为招募节点，招募节点间不互为邻居节点，即每个招募节点的传输范围内不存在其它招募节点；其后，进入招募协作节点阶段，招募节点按照招募协议招募协作节点；最后，招募节点和协作节点作为工作节点执行任务，其余节点进入睡眠状态，直至本轮结束。