CN108966354B - 一种无线传感器网络数据传输优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于节点优先度与转发代价的无线传感器网络数据传输优化方法，其特点是：包括基于节点优先度的时隙分配策略和基于转发代价的中继节点选择策略。具有方法科学合理，高效，低能耗，低数据传输时延，能够保证无线传感器网络数据稳定传输等优点。

Description

一种无线传感器网络数据传输优化方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于节点优先度与转发代价的无线传感器网络数据传输优化方法。
背景技术
数据传输优化技术是无线传感器网络中的核心技术之一，对无线传感器网络长期稳定运行具有十分重要的意义。数据传输方法决定了无线传感器网络中数据的发送顺序以及数据传输的路径，合理的数据传输方法可以有效地减少网络中的碰撞冲突，降低节点发送数据的等待时延。同时，由于数据传输过程在整个网络的工作过程中占有最大的能耗比重，因而研究高效、节能的数据传输方法是延长节点生命周期的有效途径。
数据传输在分簇式路由协议中主要分为簇内数据传输和簇间数据传输两个部分，在簇内数据传输中，数据传输方法主要采用基于TDMA(时分多址)的时隙分配技术，簇头节点为簇内的节点分配好发送数据的时隙，以防止节点同时向簇头节点发送数据，避免了节点发送数据时产生冲突碰撞；在簇间数据传输中，数据传输方法主要采用多跳转发机制，远离基站的簇头节点将数据通过靠近基站的下一跳节点转发给基站，降低了数据传输的能耗，提高了数据传输的效率。但是它依然存在一些问题，主要体现在：
(1)在簇内数据传输过程中，簇头节点单一的根据成员节点的数目随机的为每一个节点分配对应时隙，并未考虑节点剩余能量信息为各节点合理的分配时隙，剩余能量较少的节点会因为等待时间过长而出现过早死亡的现象。
(2)在簇内数据传输过程中，簇内的每一个成员节点的数据到达速率不同，数据到达速率较大的节点如果分配到了靠后的时隙，其待转发的数据量会很大，不但增加了数据传输的能耗，而且增大了数据传输时延。
(3)在簇间数据传输过程中，只考虑了簇头节点以及其相邻节点的能耗速度对中继节点选择的影响，而没有考虑到中继节点的剩余能量因素，这样会造成剩余能量较少的中继节点因转发其他节点的数据而过早死亡。
(4)在簇间数据传输过程中，并未考虑中继节点与基站之间的距离因素对中继节点选择的影响，这样会造成簇头节点可能会选择远离基站的节点作为其下一跳节点，或者在选择的过程中不能选择距离基站更近的节点作为其下一跳节点，增加了数据传输能耗。
发明内容
本发明的目的是，针对簇内数据传输方法的时隙分配不合理问题、簇间数据传输方法的中继节点选择不合理问题，提出一种方法科学合理，高效，低能耗，低数据传输时延，能够保证无线传感器网络数据稳定传输的基于节点优先度与转发代价的无线传感器网络数据传输优化方法。
本发明的目的是由以下技术方案来优化的：一种基于节点优先度与转发代价的无线传感器网络数据传输优化方法，其特征是：它包括基于节点优先度的时隙分配策略和基于转发代价的中继节点选择策略，
1)所述基于节点优先度的时隙分配策略：在簇内数据传输中的时隙分配阶段，根据剩余能量因子以及数据到达速率计算各成员节点的时隙分配优点度，然后按照时隙分配优先度为节点分配数据发送的优先级，时隙分配优先度表示为(1)式：
ωm＝ηm·ratem (1)
其中，ηm表示剩余能量因子，ratem为成员节点m的数据到达速率,ratem与节点的缓冲区队列长度有关，表示为(2)式：
Figure BDA0001737109260000021
其中，Tslot为一个时隙的时间，Lcur-m为成员节点m当前的缓冲区队列长度,Llast-m为成员节点 m在一个时隙前的缓冲区队列长度，剩余能量因子ηm表示为(3)式：
Figure BDA0001737109260000022
其中，Eres-m为成员节点m的剩余能量，Emax为节点的初始能量，簇头节点计算簇内所有成员节点的时隙分配优先度，然后按照时隙分配优先度的大小来分配时隙，即让时隙分配优先度大的节点获得优先时隙，之后簇头节点生成时隙表，并将时隙表发送给簇内的成员节点，簇内的成员节点在分配到的时隙内发送数据给簇头节点，完成簇内的数据传输；
2)所述基于转发代价的中继节点选择策略：在簇间数据传输阶段，综合考虑中继节点的剩余能量，中继节点转发数据的能量消耗以及中继节点到基站之间的距离，通过建立一个转发代价因子来选择中继节点，转发代价因子表示为(4)式：
Figure BDA0001737109260000031
其中，nnext-i为簇头节点i可以选择的所有邻节点的集合，Eres-j为待选中继节点j的剩余能量， Emax为节点的初始能量，dtoBS-i为节点i到基站的距离，dtoBS-j为节点j到基站的距离，Econ-i为节点i进行下一跳转发所耗费的能量表示为(5)式，Econ-j为节点j进行下一跳转发所耗费的能量表示为(6)式，
Figure BDA0001737109260000032
Figure BDA0001737109260000033
其中，εfs为发送1bit数据发射放大电路所消耗的能量，li为节点i收集的数据量，lj为节点j 收集的数据量，dij为节点i到节点j的距离，dtoBS-j为节点j到基站的距离，fagg为数据压缩比，簇头节点选择转发代价最小的节点为其下一跳节点，簇头节点在完成簇内数据传输之后，将收集到的数据进行压缩融合，然后将数据转发给根据转发代价因子选择出的中继节点，完成簇间数据传输。
本发明的一种基于节点优先度与转发代价的无线传感器网络数据传输优化方法，在簇内数据传输的时隙分配阶段：提出了基于节点优先度的时隙分配策略，簇头节点根据剩余能量因子大小以及数据到达速率计算各成员节点的时隙分配优先度，根据优先度的大小为各节点分配时隙，之后各成员节点在对应的时隙内向簇头节点发送数据；在簇间数据传输的中继节点选择阶段：提出了基于转发代价的中继节点选择策略，在簇头节点发送数据之前，综合考虑中继节点的剩余能量，中继节点转发数据的能量消耗以及中继节点到基站之间的距离，建立一个转发代价因子，然后选择转发代价因子最小的节点作为中继节点进行数据的转发。具有方法科学合理，高效，低能耗，低数据传输时延，能够保证无线传感器网络数据稳定传输等优点。
附图说明
图1为一种基于节点优先度与转发代价的无线传感器网络数据传输优化方法流程图。
具体实施方式
下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参照图1，一种基于节点优先度与转发代价的无线传感器网络数据传输优化方法，包括的内容有：基于节点优先度的时隙分配策略和基于转发代价的中继节点选择策略。
1)所述基于节点优先度的时隙分配策略：在簇内数据传输中的时隙分配阶段，根据剩余能量因子以及数据到达速率计算各成员节点的时隙分配优点度，然后按照时隙分配优先度为节点分配数据发送的优先级，时隙分配优先度表示为(1)式：
ωm＝ηm·ratem (1)
其中，ηm表示剩余能量因子，ratem为成员节点m的数据到达速率,ratem与节点的缓冲区队列长度有关，表示为(2)式：
Figure BDA0001737109260000041
其中，Tslot为一个时隙的时间，Lcur-m为成员节点m当前的缓冲区队列长度,Llast-m为成员节点 m在一个时隙前的缓冲区队列长度，剩余能量因子ηm表示为(3)式：
Figure BDA0001737109260000042
其中，Eres-m为成员节点m的剩余能量，Emax为节点的初始能量，簇头节点计算簇内所有成员节点的时隙分配优先度，然后按照时隙分配优先度的大小来分配时隙，即让时隙分配优先度大的节点获得优先时隙，之后簇头节点生成时隙表，并将时隙表发送给簇内的成员节点，簇内的成员节点在分配到的时隙内发送数据给簇头节点，完成簇内的数据传输；
2)所述基于转发代价的中继节点选择策略：在簇间数据传输阶段，综合考虑中继节点的剩余能量，中继节点转发数据的能量消耗以及中继节点到基站之间的距离，通过建立一个转发代价因子来选择中继节点，转发代价因子表示为(4)式：
Figure BDA0001737109260000043
其中，nnext-i为簇头节点i可以选择的所有邻节点的集合，Eres-j为待选中继节点j的剩余能量， Emax为节点的初始能量，dtoBS-i为节点i到基站的距离，dtoBS-j为节点j到基站的距离，Econ-i为节点i进行下一跳转发所耗费的能量表示为(5)式，Econ-j为节点j进行下一跳转发所耗费的能量表示为(6)式，
Figure BDA0001737109260000044
Figure BDA0001737109260000045
其中，εfs为发送1bit数据发射放大电路所消耗的能量，li为节点i收集的数据量，lj为节点j 收集的数据量，dij为节点i到节点j的距离，dtoBS-j为节点j到基站的距离，fagg为数据压缩比，簇头节点选择转发代价最小的节点为其下一跳节点，簇头节点在完成簇内数据传输之后，将收集到的数据进行压缩融合，然后将数据转发给根据转发代价因子选择出的中继节点，完成簇间数据传输。
本发明的软件程序依据自动化、网络和计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。
本发明的具体实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种基于节点优先度与转发代价的无线传感器网络数据传输优化方法，其特征是：它包括基于节点优先度的时隙分配策略和基于转发代价的中继节点选择策略，
1)所述基于节点优先度的时隙分配策略：在簇内数据传输中的时隙分配阶段，根据剩余能量因子以及数据到达速率计算各成员节点的时隙分配优点度，然后按照时隙分配优先度为节点分配数据发送的优先级，时隙分配优先度表示为(1)式：
ωm＝ηm·ratem (1)
其中，ηm表示剩余能量因子，ratem为成员节点m的数据到达速率,ratem与节点的缓冲区队列长度有关，表示为(2)式：
Figure FDA0001737109250000011
其中，Tslot为一个时隙的时间，Lcur-m为成员节点m当前的缓冲区队列长度,Llast-m为成员节点m在一个时隙前的缓冲区队列长度，剩余能量因子ηm表示为(3)式：
Figure FDA0001737109250000012
其中，Eres-m为成员节点m的剩余能量，Emax为节点的初始能量，簇头节点计算簇内所有成员节点的时隙分配优先度，然后按照时隙分配优先度的大小来分配时隙，即让时隙分配优先度大的节点获得优先时隙，之后簇头节点生成时隙表，并将时隙表发送给簇内的成员节点，簇内的成员节点在分配到的时隙内发送数据给簇头节点，完成簇内的数据传输；
2)所述基于转发代价的中继节点选择策略：在簇间数据传输阶段，综合考虑中继节点的剩余能量，中继节点转发数据的能量消耗以及中继节点到基站之间的距离，通过建立一个转发代价因子来选择中继节点，转发代价因子表示为(4)式：
Figure FDA0001737109250000013
其中，nnext-i为簇头节点i可以选择的所有邻节点的集合，Eres-j为待选中继节点j的剩余能量，Emax为节点的初始能量，dtoBS-i为节点i到基站的距离，dtoBS-j为节点j到基站的距离，Econ-i为节点i进行下一跳转发所耗费的能量表示为(5)式，Econ-j为节点j进行下一跳转发所耗费的能量表示为(6)式，
Figure FDA0001737109250000021
Figure FDA0001737109250000022
其中，εfs为发送1bit数据发射放大电路所消耗的能量，li为节点i收集的数据量，lj为节点j收集的数据量，dij为节点i到节点j的距离，dtoBS-j为节点j到基站的距离，fagg为数据压缩比，簇头节点选择转发代价最小的节点为其下一跳节点，簇头节点在完成簇内数据传输之后，将收集到的数据进行压缩融合，然后将数据转发给根据转发代价因子选择出的中继节点，完成簇间数据传输。
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