CN105246122B - 一种基于体域网平台的中继选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于移动通信领域，尤其涉及体域网组网和数据传输。一种基于体域网平台的中继选择方法，假设在一个体域网中有多种不同类型的传感器，传感器节点之间传输的能耗低于节点与控制终端的传输能耗。基于当前网络结构中传感器节点的动态分布，以及可变的能量状态信息，选择最优的中继节点，使得节点传输能耗最小。根据不断变化的节点分布和能量状态，适时的对中继节点进行更新，即重新选择最优的中继节点。

Description

一种基于体域网平台的中继选择方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，尤其涉及体域网组网和数据传输。
背景技术
随着无线传感器网络和可穿戴设备的不断发展，在体域网中的应用越来越广泛。同时，传感器节点的使用寿命短和能耗高等问题，一直是制约体域网走向通用的瓶颈。在无线传感器体域网中，传感器节点能耗主要由两部分组成，分别是自身工作能耗和数据传输能耗。数据传输能耗是其使用寿命的决定性因素。
传统的体域网传感器节点数量较少，数据与个人控制终端间多采用点对点传输，因此节点分布相对固定也较为简单。然而，随着未来传感器节点的增多，信息数据的多样性和节点信息交互的增加，体域网的网络结构将动态变化。除此之外，传感器节点类型的多样性决定了对各节点的能耗要求也不同，如可穿戴节点要求相对宽松，而对身体植入节点则尽量减少传输能耗，使用时间须尽可能长。考虑以上两种因素，在这样一个时变多类型传感器网络下，如何降低体域网节点能耗，同时又能保证节点信息的传播速率，将是未来体域网一项很重要的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，考虑了体域网动态网络结构和多种类型的传感器，针对体域网特性，提出了一种低能耗的组网和传输机制，即通过选择最优的中继节点，降低体域网传输能耗，保证网络节点间传输速率。
为了方便的描述本发明的内容，首先对本发明所使用的术语进行介绍：
传输能耗度：定义任意节点i的传输能耗度为Ecl(i)，是衡量节点传输能耗的量化指标。
传输权值：每个传感器相当于一个节点，节点u到节点v之间的传输能耗wedge(u,v)作为节点u和节点v的传输权值。若节点u和节点v不相关，则传输权值无穷大。
扩散速率：节点u到节点v之间的数据传输速率λuv。
传输参与度：节点在数据传输过程中的参与度，反映节点在传输能耗中的权值以及节点之间信息传输的相关程度。
本发明的技术方案为:
假设在一个体域网中有多种不同类型的传感器，例如可穿戴设备，可植入设备等等。传感器节点之间传输的能耗低于节点与控制终端的传输能耗。基于当前网络结构中传感器节点的动态分布，以及可变的能量状态信息，选择最优的中继节点，使得节点传输能耗最小。根据不断变化的节点分布和能量状态，适时的对中继节点进行更新，即重新选择最优的中继节点。
一种基于体域网平台的中继选择方法，包括如下步骤：
S1、监控体域网节点的网络结构和能耗，通过测量设备计算出每个节点的能耗状态，其中，节点i的能耗状态表示为Es(i)，i∈Λ(i)，Λ(i)为整个体域网节点的集合；
S2、根据不同的网络结构节点的动态分布情况，计算出每个节点的传输能耗度，其中，节点i的传输能耗度Ecl(i)＝[Er(i)+Eh(i)]/Ec，Er(i)表示节点i储存的能量，Eh(i)为节点i采集的能量，为整个网络节点传输数据的总能耗，Ec(i)为节点i的传输能耗；
S3、利用S2所述Ecl(i)，计算出每个节点的传输参与度，其中，节点i的传输参与度Ni表示与节点i数据传输的节点数，N为体域网络总的节点数，p表示节点i与其他节点信息传输相关度的权值，q表示节点i传输能耗的权值，Ecl为整个网络节点的传输参与度的总和；
S4、根据网络的结构和每个节点的传输参与度，选择k个节点作为整个体域网数据传输的中继节点，其中，0＜k≤N，k为经验值；
S5、计算出最优的数据传输策略，即其他节点通过S4所述中继节点的数据收发方案；
S6、更新网络层信息，保存现有数据信息，返回S1。
进一步地，S4所述选择k个节点作为整个体域网数据传输的中继节点具体方法为：依次选择出k个传输参与度最大的节点作为中继节点。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于体域网平台的中继选择方法，通过计算出每个节点的传输参与度，有效地选择出传输参与度大的节点作为中继节点，从而达到降低节点的传输能耗，保证节点间较高的传输速率的目的。又通过考虑时变多类型体域网架构，实时更新网络信息，减少远程监控能耗，提高节点电池的寿命。本发明与已有体域网的传输方法相比，更加适用于未来网络架构多变且多类型的传感器体域网，采用动态中继选择方法，将中继作为服务提供者，兼顾降低整个网络的能耗下，又能保持节点间较高传播速率。
附图说明
图1是传统的传感器体域网结构图。
图2是本发明中利用K个中继节点传输的体域网结构图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。
无线传感器在体域网的应用为例，传感器体域网结构图如图1所示，图2是中继选择算法的体域网结构图。
假设的条件如下：
每个传感器节点顺序标注，任意节点i表示为i＝(1,2,3,...,N)，初始时刻任意节点i的传输能耗度Ecl(i)＝0，初始时刻任意节点i的能耗状态Es(i)＝0，整个体域网节点和传输路径表示为加权图{G＝(i,wedge)}，已知整个网络节点间的平均传输速率
实施例：
步骤1、监控体域网节点的网络结构和能耗，通过测量设备计算出每个节点的能耗状态，得到表1的数据，表1为节点间的单跳和多跳传输路径能耗。
节点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
单跳 0.4 0.6 0 0.3 0.5 0 0.5 0.2 0.5 0.8 0.1 0.6 0.2
多跳 0.4 0.2 0 0.3 0.5 0 0.5 0.3 0.5 0.3 0.1 0.5 0.1
表1
步骤2、根据不同网络结构节点的动态分布情况，计算出13个节点的传输能耗度。任意节点i的传输能耗度Ecl(i)，满足Ecl(i)＝[Er(i)+Eh(i)]/Ec，其中，Eh(i)和Ec都可通过表1得到。从而得出每个节点的传输能耗度Ecl(i)。
步骤3、利用每个节点的传输能耗度Ecl(i)，计算出每个节点的传输参与度。任意节点i的传输参与度NP(i)为其中，N＝13，Ni和Ecl通过表1得知。本实施例假设，p＝0.2,q＝0.8。
步骤4、根据网络的结构和每个节点的传输参与度，选择出k个传输参与度最大的节点作为中继节点。
步骤5、利用选择出的中继节点，其他节点通过这k个中继节点进行数据收发，得出最优的传输策略。
步骤6、更新网络层信息，保存计算得到的数据信息，返回步骤1。
表2为两种模型在体域网中的能耗对比。从表2可以看出与传统方法对比，本发明的方法大大降低了节点的传输能耗，又能保证较高的节点传输速率。
传输模型 总能耗(μj) 节点平均能耗(nj)
传统的传输方法 4.199 323
中继选择算法 2.766 212.7
表2。

Claims (1)

1.一种基于体域网平台的中继选择方法，其特征在于，基于如下定义：
传输能耗度：定义任意节点i的传输能耗度为Ecl(i)，是衡量节点传输能耗的量化指标；
传输权值：每个传感器相当于一个节点，节点u到节点v之间的传输能耗wedge(u,v)作为节点u和节点v的传输权值；若节点u和节点v不相关，则传输权值无穷大；其中u和v表示体域网中任意不相同的两个节点；
扩散速率：节点u到节点v之间的数据传输速率λuv；
传输参与度：节点在数据传输过程中的参与度，反映节点在传输能耗中的权值以及节点之间信息传输的相关程度；
具体中继选择方法包括如下步骤：
S1、监控体域网节点的网络结构和能耗，通过测量设备计算出每个节点的能耗状态，其中，节点i的能耗状态表示为Es(i)＝Er(i)+Eh(i)，其中Er(i)表示节点i储存的能量，Eh(i)为节点i通过测量设备采集到的能量，i∈Λ(i)，Λ(i)为整个体域网节点的集合；
S2、根据不同的网络结构节点的动态分布情况，计算出每个节点的传输能耗度，其中，节点i的传输能耗度Ecl(i)＝Es(i)/Ec，为整个网络节点传输数据的总能耗，Ec(i)为节点i的传输能耗；在网络运行状态下，节点i的传输能耗Ec(i)等于S1中节点i的能耗状态Es(i)；
S3、利用S2所述Ecl(i)，计算出每个节点的传输参与度，其中，节点i的传输参与度Ni表示与节点i数据传输的节点数，N为体域网络总的节点数，p表示节点i与其他节点信息传输权值的均值，q表示节点i其他节点信息传输的传输能耗的均值，Ecl为整个网络节点的传输参与度的总和；
S4、根据网络的结构和每个节点的传输参与度，依次选择出k个传输参与度最大的节点作为中继节点，其中，0＜k≤N，k为经验值；
S5、计算出最优的数据传输策略，即其他节点通过S4所述中继节点的数据收发方案；
S6、更新网络层信息，保存现有数据信息，返回S1。
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