CN107911843A - 一种能量捕获传感网负载均衡的节点接入方法 - Google Patents

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Abstract

一种能量捕获传感网负载均衡的节点接入方法，针对给定的基站和节点物理位置，在安排节点的接入基站过程中，保证每个基站所服务的传感器节点个数不超过给定的值，从而达到负载均衡的效果，而且在满足基站接入节点负载均衡约束的前提下，使节点尽可能接入离得相对较近的基站，从而又达到了相对较高的总吞吐量。该方法能找出较优的节点接入基站选取，达到较好的基站负载均衡效果和较高的网络吞吐量。

Description

一种能量捕获传感网负载均衡的节点接入方法
技术领域
本发明涉及一种能量捕获传感网负载均衡的节点接入方法，该方法适用于从环境中捕获能量的无线传感器网络。
背景技术
具有从环境中捕获能量该功能的传感器节点突破了传统传感器节点有限生存时间的能量约束瓶颈，具有广泛的应用前景。从环境中捕获能量的无线传感器网络，节点通过一跳通信的方式将数据传递给某个基站是一种非常合适的数据传递方式。
由于采用无线通信，根据香农定理可知，节点和基站距离越远，节点单位能耗所能发送的数据量越少。因此，为了达到节点的最大吞吐量，各个节点都应该接入与其距离最近的基站上。但是，基站的处理速率是受限的，如果一个基站有太多的接入节点即过大的负载，将导致一些接入节点上的数据不能被基站及时收集而发生缓存溢出、高时延等问题。由此可知，每个节点都接入到与其距离最近的基站上可能会导致一些基站负载量过大的问题。
发明内容
为了克服由于节点接入不均衡从而导致网络高丢包和高时延的不足，本发明提出了一种能量捕获传感网负载均衡的节点接入方法，该发法在安排节点的接入基站过程中，给每个基站施加接入节点数不能超过给定值的约束，在满足该约束的前提下，使节点尽可能接入离得相对较近的基站。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：
一种能量捕获传感网负载均衡的节点接入方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据能量捕获传感网中所部署的节点和基站的物理位置，为每个节点计算它与各个基站之间的物理距离，并将它与离它最近基站之间的距离标记为该节点的距离指标，并将网络中所有节点按照它们的距离指标从小到大的顺序来进行排序，并依次标记为节点1，节点2，…，节点N，其中N是网络中传感器节点数目；
步骤二：设置i＝1；
步骤三：将K个基站按节点i到往各个基站的上行链路增益值从大到小的顺序来进行排序，并用Bj表示该排序中排第j个的基站，其中K是网络中的基站个数；
步骤四：设置j＝1；
步骤五：如果基站Bj的当前接入节点数大于等于T，则跳到步骤六，否则，将节点i接入到基站Bj，并跳到步骤七，其中T表示每个基站所允许的接入节点个数上限值；
步骤六：令j←j+1，如果j≤K，则执行步骤五，否则跳到步骤七；
步骤七：令i←i+1，如果i≤N，则返回步骤三，否则执行步骤八；
步骤八：为每个节点计算它与它当前所接入的基站之间上行链路的数据传输速率，对所有节点按照其上行链路传输速率从小到大的顺序进行排序，用Ui表示该排序中排第i位的节点；
步骤九：设置i＝1；
步骤十：找到离节点Ui最近的基站，用B表示该基站，如果基站B就是节点Ui当前所依附的基站，那么执行步骤十三，否则执行步骤十一；
步骤十一：挑出基站B当前所依附的所有节点中吞吐量最大的那个节点，用U表示该节点，并计算得到如果将节点U连接到离它最近的未饱和基站BU所能获得的新上行链路传输速率，其中未饱和基站是指当前接入节点数小于T的基站；
步骤十二：计算得到如果将节点Ui连接到基站B所能获得的新上行链路传输速率；如果节点Ui和U它们新上行链路传输速率之和大于它们原有接入方案的上行链路传输速率之和，则将节点Ui更新为接入到基站B、将节点U更新为接入到基站BU并回到步骤八，否则执行步骤十三；
步骤十三：i←i+1，如果i>N,则跳到步骤十四，否则跳到步骤十；
步骤十四：结束。
进一步，所述步骤八、步骤十一、步骤十二中，计算一个节点与它的接入基站之间的上行链路传输速率包含以下步骤：
Step:1：首先根据公式(1)计算该节点到它的接入基站该上行链路的功率增益g，
其中η表示整流效率，Gs表示源天线增益，Gr表示接收天线增益，Lp表示极化损耗，λ表示波长，dB表示节点到接入基站的距离；
Step2：根据公式(2)计算节点到它的接入基站该上行链路的数据传输速率R，
其中W表示上行链路通信带宽，ph表示节点从环境中捕获的能量功率，σ2表示高斯白噪声的功率。
本发明的有益效果为：
1)本发明保证每个基站所服务的传感器节点个数不超过给定的值，能够达到负载均衡的效果。
2)本发明在满足基站接入节点负载均衡约束的前提下，使节点尽可能接入离得相对较近的基站，从而达到相对较高的总吞吐量。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明。
一种能量捕获传感网负载均衡的节点接入方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据能量捕获传感网中所部署的节点和基站的物理位置，为每个节点计算它与各个基站之间的物理距离，并将它与离它最近基站之间的距离标记为该节点的距离指标，并将网络中所有节点按照它们的距离指标从小到大的顺序来进行排序，并依次标记为节点1，节点2，…，节点N，其中N是网络中传感器节点数目；
步骤二：设置i＝1；
步骤三：将K个基站按节点i到往各个基站的上行链路增益值从大到小的顺序来进行排序，并用Bj表示该排序中排第j个的基站，其中K是网络中的基站个数；
步骤四：设置j＝1；
步骤五：如果基站Bj的当前接入节点数大于等于T，则跳到步骤六，否则，将节点i接入到基站Bj，并跳到步骤七，其中T表示每个基站所允许的接入节点个数上限值；
步骤六：令j←j+1，如果j≤K，则执行步骤五，否则跳到步骤七；
步骤七：令i←i+1，如果i≤N，则返回步骤三，否则执行步骤八；
步骤八：为每个节点计算它与它当前所接入的基站之间上行链路的数据传输速率，对所有节点按照其上行链路传输速率从小到大的顺序进行排序，用Ui表示该排序中排第i位的节点；
步骤九：设置i＝1；
步骤十：找到离节点Ui最近的基站，用B表示该基站，如果基站B就是节点Ui当前所依附的基站，那么执行步骤十三，否则执行步骤十一；
步骤十一：挑出基站B当前所依附的所有节点中吞吐量最大的那个节点，用U表示该节点，并计算得到如果将节点U连接到离它最近的未饱和基站BU所能获得的新上行链路传输速率，其中未饱和基站是指当前接入节点数小于T的基站；
步骤十二：计算得到如果将节点Ui连接到基站B所能获得的新上行链路传输速率；如果节点Ui和U它们新上行链路传输速率之和大于它们原有接入方案的上行链路传输速率之和，则将节点Ui更新为接入到基站B、将节点U更新为接入到基站BU并回到步骤八，否则执行步骤十三；
步骤十三：i←i+1，如果i>N,则跳到步骤十四，否则跳到步骤十；
步骤十四：结束；
进一步，所述步骤八、步骤十一、步骤十二中，计算一个节点与它的接入基站之间的上行链路传输速率包含以下步骤：
Step:1：首先根据公式(1)计算该节点到它的接入基站该上行链路的功率增益g，
其中η表示整流效率，Gs表示源天线增益，Gr表示接收天线增益，Lp表示极化损耗，λ表示波长，dB表示节点到接入基站的距离；
Step2：根据公式(2)计算节点到它的接入基站该上行链路的数据传输速率R，
其中W表示上行链路通信带宽，ph表示节点从环境中捕获的能量功率，σ2表示高斯白噪声的功率。
本发明考虑节点与基站是单跳通信的能量捕获无线传感器网络，网络中节点和基站已经部署且坐标已知，合理安排各个节点的接入基站，保证每个基站所服务的传感器节点个数不超过给定的值T，从而能够达到负载均衡的效果，并且在满足基站接入节点负载均衡约束的前提下，使节点尽可能接入离得相对较近的基站，从而达到相对较高的总吞吐量。

Claims (2)

1.一种能量捕获传感网负载均衡的节点接入方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据能量捕获传感网中所部署的节点和基站的物理位置，为每个节点计算它与各个基站之间的物理距离，并将它与离它最近基站之间的距离标记为该节点的距离指标，并将网络中所有节点按照它们的距离指标从小到大的顺序来进行排序，并依次标记为节点1，节点2，…，节点N，其中N是网络中传感器节点数目；
步骤二：设置i＝1；
步骤三：将K个基站按节点i到往各个基站的上行链路增益值从大到小的顺序来进行排序，并用Bj表示该排序中排第j个的基站，其中K是网络中的基站个数；
步骤四：设置j＝1；
步骤五：如果基站Bj的当前接入节点数大于等于T，则跳到步骤六，否则，将节点i接入到基站Bj，并跳到步骤七，其中T表示每个基站所允许的接入节点个数上限值；
步骤六：令j←j+1，如果j≤K，则执行步骤五，否则跳到步骤七；
步骤七：令i←i+1，如果i≤N，则返回步骤三，否则执行步骤八；
步骤八：为每个节点计算它与它当前所接入的基站之间上行链路的数据传输速率，对所有节点按照其上行链路传输速率从小到大的顺序进行排序，用Ui表示该排序中排第i位的节点；
步骤九：设置i＝1；
步骤十：找到离节点Ui最近的基站，用B表示该基站，如果基站B就是节点Ui当前所依附的基站，那么执行步骤十三，否则执行步骤十一；
步骤十一：挑出基站B当前所依附的所有节点中吞吐量最大的那个节点，用U表示该节点，并计算得到如果将节点U连接到离它最近的未饱和基站BU所能获得的新上行链路传输速率，其中未饱和基站是指当前接入节点数小于T的基站；
步骤十二：计算得到如果将节点Ui连接到基站B所能获得的新上行链路传输速率；如果节点Ui和U它们新上行链路传输速率之和大于它们原有接入方案的上行链路传输速率之和，则将节点Ui更新为接入到基站B、将节点U更新为接入到基站BU并回到步骤八，否则执行步骤十三；
步骤十三：i←i+1，如果i>N,则跳到步骤十四，否则跳到步骤十；
步骤十四：结束。
2.如权利要求1所述的一种能量捕获传感网负载均衡的节点接入方法，其特征在于：所述步骤八、步骤十一、步骤十二中，计算一个节点与它的接入基站之间的上行链路传输速率包含以下步骤：
Step:1：首先根据公式(1)计算该节点到它的接入基站该上行链路的功率增益g，
<mrow> <mi>g</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>G</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>G</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>p</mi> </msub> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mi>&amp;pi;d</mi> <mi>B</mi> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中η表示整流效率，Gs表示源天线增益，Gr表示接收天线增益，Lp表示极化损耗，λ表示波长，dB表示节点到接入基站的距离；
Step2：根据公式(2)计算节点到它的接入基站该上行链路的数据传输速率R，
<mrow> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <mi>W</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>gp</mi> <mi>h</mi> </msup> </mrow> <msup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中W表示上行链路通信带宽，ph表示节点从环境中捕获的能量功率，σ2表示高斯白噪声的功率。
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