CN107454629B - 无线传感器网络中基于负载均衡的额外节点部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无线传感器网络的基于负载均衡的额外节点部署方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一、基于一跳邻居节点传输建立初始路由和节点的层次；步骤二、基于初始路由确定各个无线传感器节点的流量；步骤三、基于各个节点的流量差异探测额外节点的部署位置；步骤四、在起始位置和终点位置之间的直线上部署额外节点。所述方法在满足节点部署的基本要求后，部署少量额外节点以实现网络负载的均衡，在增加少量部署成本的基础上获得了网络寿命的大幅度提高。

Description

无线传感器网络中基于负载均衡的额外节点部署方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种应用于无线传感器网络的基于负载均衡的额外节点部署方法。

背景技术

无线传感器网络是一种新型无线自组织网络，将一定区域内的传感器节点通过自组织方法联结起来，形成一个统一的信息采集与通信系统。无线传感器网络实现自然世界、计算世界和人类社会的连通，在军事国防、农业生产、工业控制、城市管理、环境监测、抢险救灾等许多重要领域都得到了广泛应用，并得到了世界各国的学术界和工业界的高度重视。

在无线传感器网络中，由于传感器节点自身体积较小，能够携带的能源非常有限，一般都是采用电池供电，而且通常部署在人员不易到达的区域，故很难甚至无法给这些传感器节点补充能量。因此，如何降低无线传感器网络的能量开销，如何延长网络的生命周期是无线传感器网络中至关重要的问题，也是该领域的研究热点。无线传感器网络通常采用“多对一”传输模式，即数据从多个节点通过多条路径传输到一个基站。这样，离基站较近的区域需要转发更多的数据，即需要承担更多的通信负载，故该区域的节点容易提前耗尽能量，即产生能量空洞现象。能量空洞会造成网络的寿命缩短，并浪费大量剩余能量。

为了减轻能量空洞，传统部署方法往往在离基站较近的区域部署更密集的传感器节点，以分担数据流量。这样一方面会造成部署的节点成本较大，另一方面，无法解决流量不相关的不同区域之间的负载均衡。

本发明具体涉及无线传感器网络中一种基于负载均衡的额外节点部署方法，旨在解决流量不相关的不同区域之间的负载均衡，从而缓解能量空洞，延长网络生命周期。关键技术是在流量不相关的不同区域分别选择一个数据转发的起始位置和终点位置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种应用于无线传感器网络的基于负载均衡的额外节点部署方法，所述方法在满足节点部署的基本要求后，部署少量额外节点以实现网络负载的均衡，在增加少量部署成本的基础上获得了网络寿命的大幅度提高。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种应用于无线传感器网络的基于负载均衡的额外节点部署方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、基于一跳邻居节点传输建立初始路由和节点的层次；具体过程为：

在无线传感器节点的通信范围内，基站寻找其一跳邻居节点，作为其通信的上游节点，并记录这些上游节点的层次为L₁；

最新标记层次的节点依次在通信范围内查找其一跳邻居节点，作为其通信的上游节点，并记录这些上游节点的层次为其下游节点的层次加1，查找的一跳邻居节点不包括已经赋予层次的节点；

如果某些节点找不到符合条件的上游节点，则查找结束，初始路由确定。

初始路由的目的是判断各个节点的流量大小，从而为选择合适的数据转移的起始位置和终点位置建立基础。

步骤二、基于初始路由确定各个节点的流量；具体过程为：

在初始路由中，按照无线传感器节点层次由大到小的顺序，各个节点按照如下公式计算自身需要转发的数据量：

其中，Φ_i是节点i需要转发的数据量，是节点i自身产生的数据量，是节点i的上游节点需要转发的数据量；Φ_j是节点j需要转发的数据量，S(i)是节点i的上游节点的集合。

以上节点的流量计算，采用的是流量累加的方式，同时考虑了一个节点接收多个节点发送数据的情况。

步骤三、基于各个节点的流量差异探测额外节点的部署位置；具体过程为：

选择节点流量相对较大的位置作为额外节点的起始位置x，选择节点流量相对较小的位置作为额外节点的终点位置y；在额外节点的起始位置和终点位置之间部署额外节点，使一部分数据从起始位置流向终点位置；所述额外节点的起始位置和终点位置通过如下函数判断：

f(x,y)＝Φ_x-Φ_y (3)

其中，f(x,y)表示额外节点的起始位置x和终点位置y的流量差异；Φ_x表示额外节点的起始位置x的流量；Φ_y表示额外节点的终点位置y的流量；Φ₁和Φ₂分别是起始位置x和终点位置y的流量门限，且满足Φ₁>Φ₂；L_x和L_y分别表示起始位置x和终点位置y的节点层次；常量ΔL表示节点层次的差异；d(x,y)表示额外节点的起始位置x和终点位置y的距离；d₀是起始位置x和终点位置y之间的距离门限。

式(3)和式(4)的目的是选择节点流量相差较大的位置作为额外节点部署的起始位置和终点位置，这样有利于平衡各个区域的负载。

式(4)中的Φ₁>Φ₂使得数据从负载较大的位置转移到负载较小的位置。

式(4)中的L_x≥L_y+ΔL表明数据不能转移到离基站更远的位置，且起始位置应离基站有一定距离，否则起始位置的上游容易产生能量空洞。这与现有技术有显著区别，即本发明从数据传输的上游位置或接近上游的位置就开始“截流”，既减轻了上游区域的节点负载，又减轻了下游区域的节点负载。

式(4)中的d(x,y)≤d₀表征起始位置和终点位置的距离不能超过其门限，即用户能够容忍的部署成本的上限。

步骤四、在起始位置和重点位置之间的直线上部署额外节点。即在起始位置和终点位置之间的直线上部署额外节点，且部署的额外节点之间的距离满足连通性要求。为了节省部署成本，只要部署的相邻节点满足连通性要求即可。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过在不同区域之间部署额外节点来实现无线传感器网络的负载均衡。与现有技术比较，本发明实现的网络负载均衡程度更高，网络生命周期更长，即本发明能带来更好的经济效果。

2、本发明从数据传输的上游位置或接近上游的位置转移数据流量，与现有技术的下游减轻负载有显著区别，即本发明既减轻了上游区域的节点负载，又减轻了下游区域的节点负载，负载均衡更全面。

3、本发明采用根据原始路由的流量差异来探测额外节点的部署位置来实现流量转移，只需建立原始路径和统计节点的流量大小就可获得比较精确的部署位置，操作简单，易于实现，即本发明具有较强的可实现性。

附图说明

图1为本发明实施例所述的无线传感器网络中基于负载均衡的额外节点部署方法流程图。

图2(a)为本发明实施例建立的初始路由和节点层次示意图，图2(b)为本发明实施例计算的各个节点流量的示意图，图2(c)为本发明实施例探测的额外节点部署位置示意图，图2(d)为本发明实施例在起始位置和终点位置之间部署的额外节点示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本实施例提供了一种应用于无线传感器网络的基于负载均衡的额外节点部署方法，所述方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、基于一跳邻居节点传输建立初始路由和节点的层次。具体过程为：

在无线传感器节点的通信范围内，基站寻找其一跳邻居节点，作为其通信的上游节点，并记录这些上游节点的层次为L₁；

最新标记层次的节点依次在通信范围内查找其一跳邻居节点，作为其通信的上游节点，并记录这些上游节点的层次为其下游节点的层次加1，查找的一跳邻居节点不包括已经赋予层次的节点；

如果某些节点找不到符合条件的上游节点，则查找结束，初始路由确定。

初始路由的目的是判断各个节点的流量大小，从而为选择合适的数据转移的起始位置和终点位置建立基础。图2(a)是初始路由和节点层次建立的一个例子，图中，各个节点的初始路由由箭头表示；各个节点的层次标明为L₁，L₂，......，其中最大的层次为L₈。

步骤二、基于初始路由确定各个无线传感器节点的流量。具体过程为：

在初始路由中，按照无线传感器节点层次由大到小的顺序，各个节点按照如下公式计算自身需要转发的数据量：

其中，Φ_i是节点i需要转发的数据量，是节点i自身产生的数据量，是节点i的上游节点需要转发的数据量；Φ_j是节点j需要转发的数据量，S(i)是节点i的上游节点的集合。

以上节点的流量计算，采用的是流量累加的方式，同时考虑了一个节点接收多个节点发送数据的情况。图2(b)是节点流量计算的一个例子。图中，各个节点的流量已经标明，分别为1，2，3，......，其中节点的最大流量为15。

步骤三、基于各个节点的流量差异探测额外节点的部署位置。具体过程为：

选择节点流量相对较大的位置作为额外节点的起始位置x，选择节点流量相对较小的位置作为额外节点的终点位置y；在额外节点的起始位置和终点位置之间部署额外节点，使一部分数据从起始位置流向终点位置；所述额外节点的起始位置和终点位置通过如下函数判断：

f(x,y)＝Φ_x-Φ_y (3)

其中，f(x,y)表示额外节点的起始位置x和终点位置y的流量差异；Φ_x表示额外节点的起始位置x的流量；Φ_y表示额外节点的终点位置y的流量；Φ₁和Φ₂分别是起始位置x和终点位置y的流量门限，且满足Φ₁>Φ₂；L_x和L_y分别表示起始位置x和终点位置y的节点层次；常量ΔL表示节点层次的差异；d(x,y)表示额外节点的起始位置x和终点位置y的距离；d₀是起始位置x和终点位置y之间的距离门限。图2(c)是探测额外节点部署位置的一个例子。假设设定ΔL＝2，则在约束条件下图中各个节点的最大流量差异是节点x和节点y之间的流量差异，故选择节点x和节点y的位置分别为额外节点的起始位置和终点位置。

步骤四、在起始位置和终点位置之间的直线上部署额外节点。图2(d)是在起始位置和终点位置之间部署额外节点的一个例子。由图可知，额外节点部署在节点x和节点y之间的直线上，实现从节点x至节点y之间的数据转移。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于无线传感器网络的基于负载均衡的额外节点部署方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、基于一跳邻居节点传输建立初始路由和节点的层次；

步骤二、基于初始路由确定各个无线传感器节点的流量；

步骤三、根据各个节点的流量差异探测额外节点的部署位置；

步骤四、在起始位置和终点位置之间的直线上部署额外节点。

2.根据权利要求1所述的一种应用于无线传感器网络的基于负载均衡的额外节点部署方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：

在无线传感器节点的通信范围内，基站寻找其一跳邻居节点，作为其通信的上游节点，并记录这些上游节点的层次为L₁；

最新标记层次的节点依次在通信范围内查找其一跳邻居节点，作为其通信的上游节点，并记录这些上游节点的层次为其下游节点的层次加1，查找的一跳邻居节点不包括已经赋予层次的节点；

如果某些节点找不到符合条件的上游节点，则查找结束，某些节点的初始路由确定。

3.根据权利要求1所述的一种应用于无线传感器网络的基于负载均衡的额外节点部署方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

在初始路由中，按照无线传感器节点层次由大到小的顺序，各个节点按照如下公式计算自身需要转发的数据量：

其中，Φ_i是节点i需要转发的数据量，是节点i自身产生的数据量，是节点i的上游节点需要转发的数据量；Φ_j是节点j需要转发的数据量，S(i)是节点i的上游节点的集合。

4.根据权利要求1所述的一种应用于无线传感器网络的基于负载均衡的额外节点部署方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：选择节点流量相对较大的位置作为额外节点的起始位置x，选择节点流量相对较小的位置作为额外节点的终点位置y；在额外节点的起始位置和终点位置之间部署额外节点，使一部分数据从起始位置流向终点位置；所述额外节点的起始位置和终点位置通过如下函数判断：

f(x,y)＝Φ_x-Φ_y (3)

其中，f(x,y)表示额外节点的起始位置x和终点位置y的流量差异；Φ_x表示额外节点的起始位置x的流量；Φ_y表示额外节点的终点位置y的流量；Φ₁和Φ₂分别是起始位置x和终点位置y的流量门限，且满足Φ₁>Φ₂；L_x和L_y分别表示起始位置x和终点位置y的节点层次；常量ΔL表示节点层次的差异；d(x,y)表示额外节点的起始位置x和终点位置y的距离；d₀是起始位置x和终点位置y之间的距离门限。

5.根据权利要求1所述的一种应用于无线传感器网络的基于负载均衡的额外节点部署方法，其特征在于：所述步骤四中在起始位置和终点位置之间的直线上部署额外节点，且部署的额外节点之间的距离满足连通性要求。