CN105682200B - 一种用于移动目标监测的节点占空比设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于移动目标监测的节点占空比设定方法，在远基站区域中有剩余能量的区域选择一部分节点，使其一直处于工作状态；近基站的区载中剩余能量较少的节点区域中，选择一直工作的节点较少；离基站越远的区域节点剩余能量越多，从而选择一直工作的节点越多，一直工作的节点越多，则移动目标监测的质量越高，保证本发明方法下的网络寿命与以往所有节点都周期性工作与睡眠轮换的工作模式是一样的，同时能够显著的提高的移动目标监测质量。

Description

一种用于移动目标监测的节点占空比设定方法

技术领域

本发明属于无线网络数据目标监测领域，特别涉及一种用于移动目标监测的节点占空比设定方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，可以广泛的运用到工业监测，农业，民用，环境监测，战场，海洋，火灾等各种特殊环境与应用中，被认为是未来的重要物联网络的关键基础技术之一。无线传感器网络的一个重要应用是监测目标，比如在战场中，传感器网络部署在敌人可能经过的区域，当敌方的坦克，战车经过时能够快速向控制中心报告。而无线传感器网络的目标监测中存在的关键问题如下：

对移动目标的监测来说，其监测质量问题是至关重的一个关键。应用要求目标监测的质量越高越好。但是，目标监测的质量越高，系统所付出的成本则越大，其监测效率并一定高。系统的监测效率可以表示为系统所付出的成本与监测时间的比值。由于传感器网络节点的构造简单，成本低廉，通过电池供电。因而其能量极其有限，如何有效的利用节点的能量，从而使得网络的寿命最长是其关键的一个性能指标。为延长网络寿命，传感器网络一般采用节点周期性工作的方式来节省能量。即节点周期性的工作，在一个周期内并不是一直处于工作状态，而工作一段时间后，再睡眠一段时间。其工作状态时间与一个周期的时间的比值称之为占空比。显然，占空比越大，则节点处于工作的比例越大，如果占空比为1，则节点一直处于工作状态，而不睡眠。由于节点工作时所消耗的能量为睡眠状态的1000倍以上，因而为延长网络寿命，应该尽可能的让节点的占空比越小越好。但是，节点的占空比越小，则意味着节点处二睡眠的时间越长，因而目标经过时，节点处于睡眠状态的概率越高，则目标就不能被监测出来。导致目标可能穿越传感网络的监测区域都没有被监测出来，导致严重的事故。

目标监测质量的性能指标主要包括：(a)目标监测延迟。这个性能指标是指当目标进入网络监测区域的时间到目标被传感器节点监测出来所经历的时间。显然，从目标监测质量出发，要求目标监测延迟越小越好。但要求目标监测延迟越小，则节点的占空比要越大，因而网络寿命越小。(b)目标错失率。是指目标没有被监测出来的概率。指在一定网络中，目标经过网络中，没有被监测出来的概率。显然，要求目标错失率越小，则要求节点的占空比越大，也同样影响网络寿命。

在以往所有的研究中，网络中所有节点的占空比是一样的，一旦确定了网络的占空比后，所有节点都采用相同的占空比工作。

发明内容

本发明公开了一种用于移动目标监测的节点占空比设定方法，其目的在于，克服现有技术中无线传感器网络中节点占空比相同设置时，网络寿命不高的问题，通过在网络中不同的区域选择一定比例的节点让其一直处于工作状态，从而能够在提高目标监测质量的前提下不影响网络寿命。

在通常的无线传感器网络中，传感器节点采用周期性工作与睡眠轮换的工作模式。节点在单个工作周期中处于工作状态与单个工作周期时间的比例叫占空比。当节点处于睡眠状态时，节点的能量消耗非常小，因而能够延长网络寿命。而节点处于工作状态时，才能对移动目标进行监测，但这时节点的能量消耗大，因而其寿命低。因而，为尽量延长网络寿命，要尽可能多的将节点处于睡眠状态，即使占空比尽可能的小。

一种用于移动目标监测的节点占空比设定方法，将无线传感器网络中的节点按照节点能量从高到低排序，从排序节点中按照设定比例选取节点，将所选节点的感知占空比设置为1；

当出现任一感知占空比为1的节点的剩余能量低于邻居节点的平均能量时，按上述方法重新按设定比例选取节点，使所选节点的感知占空比为1；

无线传感器网络中未被选择的节点的感知占空比为默认感知占空比。

距离基站x米处的所有节点中，感知占空比设置为1的节点数量占所有节点数量的比例为λ：

其中，ω_R表示节点接收一个数据包所需功率，ε_sen表示节点感知时的能量消耗功率；ε_s表示节点睡眠时功耗，t_sen表示节点的感知周期时间，表示节点的通信占空比，表示节点的默认感知占空比，ε_r表示节点的接收功耗，t_com表示节点的通信周期时间；

分别表示节点与基站之间距离为x米时，发送与接收的数据包数量；

r表示节点发射半径，R表示网络半径

表示节点与基站之间距离为x_min米时，接收的数据包数量：x_min是指距离基站最近节点距离基站的距离；

表示距离基站x米处发送数据所用的时间，表示距离基站x米处接收送数据所用的时间：

表示距离基站x米处发送一个数据包所消耗的能量，表示距离基站x米处接收一个数据包所消耗的能量：

S_p表示前导数据持续时间、S_al表示ACK窗口响应持续时间、S_d表示数据包发送所需时间，ε_t表示传输功耗；

表示距离基站x_min米处发送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处接收送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处发送一个数据包所消耗的能量。

距离基站越远的区域选择占空比为1的节点越多，而距离基站越近的区域选择占空比为1的节点越少，而最近基站选择占空比为1的节点为0。

有益效果

本发明公开了一种用于移动目标监测的节点占空比设定方法，与以往策略不同是：由于无线传感器网络中，所有节点的数据都需要传送给基站，因而基站节点承担了更多的数据转发，因而其能量消耗远高于远基站的节点。而网络寿命定义为网络中第一个节点死亡的时间。因而，当网络死亡时，据有关的研究的结果，远基站区域还剩余高达90％的能量。在本发明中，在网络不同的区域选择一定比例的节点让其一直处于工作状态，即充分利用远离基站区域中剩余能量较高的节点，将其占空比设置为1改变原有的所有节点占空比统一设置方式，从而能够在提高目标监测质量的前提下不影响网络寿命。

附图说明

图1为本发明所述方法的整体示意图；

图2为采用本发明所述方法和现有方法进行节点占空比设置时，无线传感器网络中错失目标的概率检测对比示意图；

图3为采用本发明所述方法和现有方法进行节点占空比设置时，无线传感器网络延迟性能检测对比示意图；

图4为采用相同的占空比工作模式下的目标监测示意图；

图5为采用本发明所述方法，部分节点一直工作的目标监测示意图；

图6为距离基站不同距离处选择占空比为1的节点比例。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种用于移动目标监测的节点占空比设定方法，将无线传感器网络中的节点按照节点能量从高到低排序，从排序节点中按照设定比例选取节点，将所选节点的感知占空比设置为1；

当出现任一感知占空比为1的节点的剩余能量低于邻居节点的平均能量时，按上述方法重新按设定比例选取节点，使所选节点的感知占空比为1；

无线传感器网络中未被选择的节点的感知占空比为默认感知占空比。

距离基站x米处的所有节点中，感知占空比设置为1的节点数量占所有节点数量的比例为λ：

其中，ω_R表示节点接收一个数据包所需功率，ε_sen表示节点感知时的能量消耗功率；ε_s表示节点睡眠时功耗，t_sen表示节点的感知周期时间，表示节点的通信占空比，表示节点的默认感知占空比，ε_r表示节点的接收功耗，t_com表示节点的通信周期时间；

分别表示节点与基站之间距离为x米时，发送与接收的数据包数量；

r表示节点发射半径，R表示网络半径

表示节点与基站之间距离为x_min米时，接收的数据包数量：x_min是指距离基站最近节点距离基站的距离；

表示距离基站x米处发送数据所用的时间，表示距离基站x米处接收送数据所用的时间：

表示距离基站x米处发送一个数据包所消耗的能量，表示距离基站x米处接收一个数据包所消耗的能量：

S_p表示前导数据持续时间、S_al表示ACK窗口响应持续时间、S_d表示数据包发送所需时间，ε_t表示传输功耗；

表示距离基站x_min米处发送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处接收送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处发送一个数据包所消耗的能量。

距离基站越远的区域选择占空比为1的节点越多，而距离基站越近的区域选择占空比为1的节点越少，而最近基站选择占空比为1的节点为0。

如图2所示，采用本发明所述的方法，目标错失检测的概率明显低于现有的占空比设置方法；

如图3所示，采用本发明所述的方法，目标监测过程中，无线传感器网络的整体延迟明显低于现有的占空比设置方法；

如图4和图5所示，图中节点是一个小圆，一部分是黑色，表示是处于工作的时间比例，一部分白色，表示节点处于睡眠的比例。以往的策略中有可能存在目标经过时，如果周围的节点都恰好是处于睡眠状态时，目标就不能被监测出来。而本发明的方法，有部分节点一直处于工作状态，从而提高了监测质量。

如果在能量有剩余的区域选择一定比例的节点，使其占空比为1，这样即能够把剩余的能量充分利用起来，也能够提高目标监测的质量。图4所示的是采用传统的整个网络采用统一占空比的目标监测方法，在这样的方法中，每个节点采用相同的占空比，比如在图4所示的网络上。而在图5中，节点2被选中，其工作占空比为1，即节点2一直保持工作状态，从而使得在整个网络中在任意时刻被节点监测覆盖提高。因而，目标监测的质量能够得到提高的同时，而不降低网络寿命。

如图6所示，可以明显看出，随着距基站的距离增大，节点占空比设置为1的比例也随之增大。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种用于移动目标监测的节点占空比设定方法，其特征在于，将无线传感器网络中的节点按照节点能量从高到低排序，从排序节点中按照设定比例选取节点，将所选节点的感知占空比设置为1；

当出现任一感知占空比为1的节点的剩余能量低于邻居节点的平均能量时，按上述方法重新按设定比例选取节点，使所选节点的感知占空比为1；

无线传感器网络中未被选择的节点的感知占空比为默认感知占空比；

距离基站x米处的所有节点中，感知占空比设置为1的节点数量占所有节点数量的比例为λ：

其中，ω_R表示节点接收一个数据包所需功率，ε_sen表示节点感知时的能量消耗功率；ε_s表示节点睡眠时功耗，t_sen表示节点的感知周期时间，表示节点的通信占空比，表示节点的默认感知占空比，ε_r表示节点的接收功耗，t_com表示节点的通信周期时间；

分别表示节点与基站之间距离为x米时，发送与接收的数据包数量；

r表示节点发射半径，R表示网络半径

表示节点与基站之间距离为x_min米时，接收的数据包数量：x_min是指距离基站最近节点距离基站的距离；

表示距离基站x米处发送数据所用的时间，表示距离基站x米处接收送数据所用的时间：

表示距离基站x米处发送一个数据包所消耗的能量，表示距离基站x米处接收一个数据包所消耗的能量：

S_p表示前导数据持续时间、S_al表示ACK窗口响应持续时间、S_d表示数据包发送所需时间，ε_t表示传输功耗；

表示距离基站x_min米处发送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处接收送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处发送一个数据包所消耗的能量。