CN106792747A - 一种无线传感器网络的性能与功耗调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络的性能与功耗调整方法，包括：节点坐标初始化，节点根据约束条件生成潜在父子关系和其关系的邻接矩阵，节点间发送消息建立网络；设置合理调节因子，根据选用的无线协议和硬件设置链路容量上限，将流量需求、邻接矩阵代入模型；使用凸优化方法循环求解直到得到函数最优解；得到各链路流量分配和目标函数最优值。本发明的模型为凸优化模型，是无线传感器网络的性能与功耗可调模型，该方法通过节点组网方式及流量分配进行优化，具有较低计算复杂度。

Description

一种无线传感器网络的性能与功耗调整方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络的性能与功耗调整方法。

背景技术

在无线传感器网络中，由于传感器节点通常使用电池供电，且电量十分有限，因此，延长节点和整个传感网的工作寿命是网络部署者关注的重要目标。围绕延长网络寿命的技术方向从技术特点方面可分为三大类，分别是节能、外部能量收集、无线充电。

其中，节能方法是指通过减少传感器节点单位时间或单位工作量的能耗来延长其生命期的方法。而在网络节点、拓扑、初始能量等诸多方面均相同的情况下，路由和流量分配对于网络的性能和寿命影响巨大。所以，对路由和流量分配进行优化是很有效的调控无线传感器网络的性能和功耗的手段。

当前无线传感器网络的基于网络层的拓扑部署和流量分配方面的节能研究根据技术特点区分，可分为能量空洞避免、节能路由、移动Sink等几大类。但三者都有较明显的局限性。能量空洞避免类仅仅以能量均衡为目标，不能兼顾网络传输性能，节点逐渐死亡过程中如何优化全网寿命并未充分研究；节能路由及调度类，单纯节能，无法兼顾性能，并且部分算法需要启发式求解，近似比和复杂度较难取舍；移动Sink类仅适用于具备Sink节点可移动条件的场景，并且采集数据量突然增大时对移动速度有更高要求。

但是，考虑到传感器网络某些应用场景或遇到某些突发情况时，如灾难救助、火山监测、森林防火等，对于网络性能尤其是网络可靠性有较高要求，亟需传感网具有一定弹性，可以以较低复杂度在低功耗低性能至高功耗高性能运行状态之间进行选择和变换的无线传感器网络性能与功耗调整方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种无线传感器网络的性能与功耗调整方法，以解决上述问题。

本发明的实施例提供了一种无线传感器网络的性能与功耗调整方法，包括：

节点坐标初始化，节点根据约束条件生成潜在父子关系和其关系的邻接矩阵，节点间发送消息建立网络；

设置合理调节因子，根据选用的无线协议和硬件设置链路容量上限，将流量需求、邻接矩阵代入模型；

使用凸优化方法循环求解直到得到函数最优解；

得到各链路流量分配和目标函数最优值。

进一步，该模型表示为：

s.t.

d_s≥0，表达传感网中任何非Sink节点s向其父节点传递的流量与节点s所有子节点发来的流量之差为s自身进行数据采集产生的流量；

表示任何节点下面所带的子节点无论多少级，汇聚的流量不能超过链路容量阈值c；

x_ji≥0，表示相邻节点间流量非负；

表示节点至少有一个相邻的节点作为自身的父节点；

式中，k为节点总数；x_ij表示从节点i到节点j的流量，其中i和j是任意两个相邻节点；c为最大收发链路容量；e为周期性采集频率，单位：字节/秒；d_s为节点出流量；a，b为调节因子。

进一步，对普通节点建立该模型时，d_s＝e；对Sink建立该模型时，Sink节点汇集全网流量，d_s＝-e×k。

与现有技术相比本发明的有益效果是：本发明的模型为凸优化模型，是无线传感器网络的性能与功耗可调模型，该方法通过节点组网方式及流量分配进行优化，具有较低计算复杂度。

附图说明

图1是本发明一实施例的流程图；

图2是本发明一实施例邻接矩阵adj的示意图；

图3是本发明一实施例节点关系和流量分配1(a＝1，b＝1)的示意图；

图4是本发明一实施例节点关系和流量分配2(a＝0，b＝1)的示意图；

图5是本发明一实施例节点关系和流量分配3(a＝1，b＝0)的示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

本实施例提供了一种性能与功耗可调的无线传感器网络模型(方法)，描述和使用该模型时需要用到的变量如下：

用G＝(N,E)表示有向传感网络，其中N是节点集，E是边集，节点总数为k个。

x_ij表示从节点i到节点j的流量，其中i和j是任意两个相邻节点。

最大收发链路容量c，周期性采集频率e(单位：字节/秒)。

d_s为节点出流量。有向传感网络的节点分为sink节点和普通节点，对普通节点建立该模型时，d_s＝e；而sink节点汇集全网流量，d_s＝-e×k。

调节因子a，b，增大a，b会使得表达式项权重增大，从而使该项优化效果更加显著。

这个模型如下所示：

s.t.

d_s≥0；(表达传感网中任何非Sink节点s向其父节点传递的流量与节点s所有子节点发来的流量之差为s自身进行数据采集产生的流量)。

(表示任何节点下面所带的子节点无论多少级，汇聚的流量不能超过链路容量阈值c)。

x_ji≥0；(表示相邻节点间流量非负)。

(表示节点至少有一个相邻的节点作为自身的父节点)。

该模型可基于RPL协议部署，也可以基于其他协议部署。

模型应用步骤如下：

1.节点坐标初始化，节点根据约束条件生成潜在父子关系和其关系的邻接矩阵，节点间发送消息建立网络；

2.设置合理调节因子，根据选用的无线协议和硬件设置链路容量上限，将流量需求、邻接矩阵代入模型；

3.使用凸优化方法循环求解直到得到函数最优解；

4.得到各链路流量分配和目标函数最优值。

参图1至图5所示，下面对无线传感器网络的性能与功耗可调模型的具体应用举例说明。其依据以下步骤实现(具体操作步骤参考图1)：

步骤1：模型应用的初始化

步骤1.1：节点坐标初始化

以8个节点为例应用该模型求解流量分配。对节点坐标就行初始化(以节点无高度差的简单情况为例)。

假设各节点平面坐标为v1(0，0)，v2(-1，1)，v3(1，1)，v4(1，-1)，v5(-2，2)，v6(0，2)，v7(2，0)，v8(0，-2)。

按照模型约束条件建立节点间潜在父子关系(父节点距离Sink节点比子节点近且子节点最多只能与距自己最近的五个节点建立关系)，得e1(1，2)，e2(1，3)，e3(1，4)，e4(2，5)，e5(2，6)，e6(3，6)，e7(3，7)，e8(4，7)，e9(4，8)。

将无连接的节点间和节点自身之间的置为零，有连接的节点间置1，得节点邻接矩阵adj如图2所示。

步骤1.2：节点组建网络

(此处以根据RPL协议组网为例)从Sink节点起，依次向外发送DIO消息，传递有关的拓扑信息。当邻居节点收到DIO消息后，根据目标函数、DAG特征、广播路径开销等决定是否加入该网络。若加入，则该节点收到的DIO消息来源为其父节点，该节点计算自己的Rank值，并向父节点发送DAO消息表示确认，DAO消息包含其路由前缀。或者节点主动发送DIS消息请求网络拓扑信息，其潜在父节点发送DIO消息给该节点，该节点可根据是否加入决定是否发送DAO消息给潜在父节点。最终生成一个DODAG。

步骤1.3：网络保活

由于资源受限，在LLN中采用“keepalive”机制是不合理的。RPL中采用Trickle定时器管理，控制DIO消息的发送速率，当网络稳定时消息数量减少，当检测到不一致消息时，加快DIO消息的发送速率以解决问题。

步骤2：变量的输入

步骤2.1：假设采用802.15.4协议，频率为2.4GHz，其链路容量c＝250kbps；

步骤2.2：输入采集频率e＝10(kb/s)，表达实际工作中传感器的性能需求，d_s＝e(Sink除外)；

步骤2.3：输入绿色因子a＝1，b＝1，调节权重；

步骤2.4：代入矩阵adj。(见图2)

步骤3：运算过程

步骤3.1：令k＝1，j_k＝2；

步骤3.2：代入以上变量，运用凸优化算法求解，若有最优解记为并进入3，若无最优解则k＝k+1重复2；

步骤3.3：求出集合A的元素，如A为空集，则即为原问题最优解；否则，4；

步骤3.4：取t属于A，再次求解。t得到目标函数值若小于k，则k＝t，回到2。否则继续取p为集合A中的下一个元素，直到k的目标函数值最小。得到和最优流量分配x_ij；

步骤4：结果的输出(节点关系和流量分配见图3)；

输出目标函数最优值y和各节点流量值x_ij；

此时，最优值y＝120.16。

改变调节因子，令a＝0，b＝1，其余条件不变，重新进行上述计算过程，得结果：

此时，最优值y＝120。

改变调节因子，令a＝1，b＝0，其余条件不变，重新进行上述计算过程，得结果：

此时，最优值y＝0.07。

由上可见，由于模型中调节因子a右侧式值易偏小，应用该模型时应根据使用目的合理设置调节因子a，b的值。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络的性能与功耗调整方法，其特征在于，包括：

节点坐标初始化，节点根据约束条件生成潜在父子关系和其关系的邻接矩阵，节点间发送消息建立网络；

设置合理调节因子，根据选用的无线协议和硬件设置链路容量上限，将流量需求、邻接矩阵代入模型；

使用凸优化方法循环求解直到得到函数最优解；

得到各链路流量分配和目标函数最优值。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络的性能与功耗调整方法，其特征在于，所述模型表示为：

$\min imize(a\·\frac{\underset{i\∈\mathrm{\ϵ}}{\Σ}{x}_{{\mathrm{ij}}_k}}{c_j}+b\·\underset{i\∈\mathrm{\ϵ}}{\Σ}(\underset{i\∈\mathrm{\ϵ}}{\Σ}{x}_{ji}\left)\right);$

s.t.

$\underset{i\∈\mathrm{\ϵ}}{\Σ}{x}_{{\mathrm{ij}}_k}\≥\underset{i\∈\mathrm{\ϵ}}{\Σ}{x}_{ij}(j_k\≠j);$

d_s≥0，表达传感网中任何非Sink节点s向其父节点传递的流量与节点s所有子节点发来的流量之差为s自身进行数据采集产生的流量；

表示任何节点下面所带的子节点无论多少级，汇聚的流量不能超过链路容量阈值c；

x_ji≥0，表示相邻节点间流量非负；

表示节点至少有一个相邻的节点作为自身的父节点；

式中，k为节点总数；x_ij表示从节点i到节点j的流量，其中i和j是任意两个相邻节点；c为最大收发链路容量；e为周期性采集频率，单位：字节/秒；d_s为节点出流量；a，b为调节因子。

3.根据权利要求2所述的一种无线传感器网络的性能与功耗调整方法，其特征在于，对普通节点建立所述模型时，d_s＝e；对Sink建立所述模型时，Sink节点汇集全网流量，d_s＝-e×k。