CN109089236B - 一种用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法 - Google Patents

一种用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，包括如下步骤：从备选节点内选择一个符合簇头选择条件的节点作为簇头，所述备选节点为同一个簇内正常工作的节点，剩余的备选节点作为成员组成节点，成员组成节点用于采集感知数据并将所述感知数据发送至簇头，簇头用于将所述感知数据发送至基站。本发明对簇头的选择进行了考虑，要求被选出来的簇头能够最大限度地减少未被覆盖的区域的面积。这有利于簇头节点能量的消耗，并充分利用了成员节点感知范围能够和簇头感知范围完全重叠这一特点。在不用做过多的能量耗费的情况下，高效的完成了相关工作，从而增加无线传感器网络的网络生存期。

Description

一种用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法。
背景技术
无线传感器网络已经成为越来越受重视的研究领域。人们已经意识到其在各种应用中有着重要的作用，例如，在战区进行侦察，自然灾害警报，大规模采样和智能家居。一个典型的无线传感器网络通常包含大量廉价的无线传感器节点，他们具有感知，处理和转发数据的功能。这些节点通常被放置在无法直接接触的地区。不同的无线传感器网络协议用于提高网络性能，并通过自组织的特点进行合作。这些因素有助于帮助随机抛洒的传感器节点形成一个ad-hoc(点对点)网络。由于每个节点都很小和电池供电，电源使用的不平衡可能会导致某些节点过早的死亡。所以增加无线传感器网络的网络生存期已成为热点话题。在无线传感器网络中，资源受限的传感器节点是随机地部署在监控区域。将他们组织成一个高效的无线传感器网络是非常重要。一个尝试性的解决方案就与路由相关。无线传感器网络路由协议可以分为两类，即平面路由和分层路由。两种不同的协议分别应用在不同传感器网络规模之上。在平面协议中，例如SPIN(Sensor Protocols for Information viaNegotiation，信息交换感应器协议)，TBF(Trajectory-Based Forwarding，基于轨迹的转发)和DD(Directed Diffusion，定向扩展路由协议)，所有节点具有相同的功能并执行相同的功能网络中的任务。在小规模网络中，这个协议是比较有效的。分层协议如LEACH(LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy，低功耗自适应集簇分层型协议)，HEED(AHybrid，Energy-Efficient Distributed clustering approach，一种使用固定簇半径的分簇协议)和PEGASIS (Power-Efficient GAthering in Sensor InformationSystems，一种LEACH协议的改进协议)更好适合大型网络，因为它们具有良好的可扩展性。聚类技术在分层协议中很重要。每个簇由CH(Cluster Head，簇头)和MN(Member Node，成员组成节点)。与平面协议不同的是，CH和MN在分层协议中具有不同的功能。成员节点负责传感数据并发送给CHs，CH对接收到的传感数据进行处理并将汇总的数据发送给基站，因此，CHs的选择对于无线传感器网络的能量均衡至关重要。
因此，本发明公开了一种用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，对簇头的选择进行了考虑，要求被选出来的簇头能够最大限度地减少未被覆盖的区域的面积。这有利于簇头节点能量的消耗，并充分利用了成员节点感知范围能够和簇头感知范围完全重叠这一特点。在不用做过多的能量耗费的情况下，高效的完成了相关工作，从而增加无线传感器网络的网络生存期。
发明内容
本发明对簇头的选择进行了考虑，要求被选出来的簇头能够最大限度地减少未被覆盖的区域的面积。这有利于簇头节点能量的消耗，并充分利用了成员节点感知范围能够和簇头感知范围完全重叠这一特点。在不用做过多的能量耗费的情况下，高效的完成了相关工作，从而增加无线传感器网络的网络生存期。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，包括如下步骤：
从备选节点内选择一个符合簇头选择条件的节点作为簇头，所述备选节点为同一个簇内正常工作的节点，剩余的备选节点作为成员组成节点，成员组成节点用于采集感知数据并将所述感知数据发送至簇头，簇头用于将所述感知数据发送至基站；
判定备选节点是否满足簇头选择条件的判定方式为：
计算
Figure RE-GDA0001855600620000021
其中,MN1至MNn表示一个簇内的所有备选节点，
Figure RE-GDA0001855600620000022
表示第j个备选节点的感知覆盖区域，Soverlap表示簇内所有备选节点的感知覆盖区域的并集；针对某一个备选节点，其的感知覆盖区域SCH，Soverlap覆盖SCH的区域，用 Scover(CH)表示，即Scover(CH)＝Soverlap∩SCH，并计算簇头覆盖比例
Figure RE-GDA0001855600620000023
当簇头覆盖比例ScoverPercent(CH)大于第一预设阈值时，判定该备选节点符合簇头选择条件，将其选定为簇头节点；
以第一预设时间为周期检测所述簇头覆盖比例ScoverPercent(CH)，当所述簇头覆盖比例 ScoverPercent(CH)小于第二预设阈值时，重新从簇内的参选节点内选择新的簇头。
优选地，当簇内所有的参选节点均不符合所述簇头选择条件时，选择一个参选节点作为簇头，且作为簇头的参选节点还用于采集感知数据。
优选地，当簇内所有的参选节点均不符合所述簇头选择条件时，选择被当前的Soverlap覆盖的区域最大的参选节点作为簇头。
优选地，簇头将所有接收到各成员节点的感知数据汇总并压缩后发送至基站。
优选地，还包括：
以第二预设时间为周期获取所述簇头的剩余能量比例；
当所述簇头的剩余能量比例满足预设条件时，从簇内选择一个与原簇头不同的节点作为新的簇头。
优选地，当所述簇头的剩余能量比例小于预设最低能量阈值时，所述簇头的剩余能量比例满足预设条件时。
优选地，当所述簇头的剩余能量比例小于所述平均剩余能量比例时，所述簇头的剩余能量比例满足预设条件时；
求所述平均剩余能量比例的方法为，以第三预设时间为周期获取簇内所有节点的剩余能量比例并计算簇内平均剩余能量比例。
综上所述，本发明公开了一种用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，包括如下步骤：从备选节点内选择一个符合簇头选择条件的节点作为簇头，所述备选节点为同一个簇内正常工作的节点，剩余的备选节点作为成员组成节点，成员组成节点用于采集感知数据并将所述感知数据发送至簇头，簇头用于将所述感知数据发送至基站；判定备选节点是否满足簇头选择条件的判定方式为：计算
Figure RE-GDA0001855600620000031
其中,MN1 至MNn表示一个簇内的所有备选节点，
Figure RE-GDA0001855600620000032
表示第j个备选节点的感知覆盖区域，Soverlap表示簇内所有备选节点的感知覆盖区域的并集；某一个备选节点的感知覆盖区域SCH，Soverlap覆盖SCH的区域，用Scover(CH)表示，当簇头覆盖比例
Figure RE-GDA0001855600620000033
大于第一预设阈值时，判断相应的备选节点符合簇头选择条件。以第一预设时间为周期检测所述簇头覆盖比例ScoverPercent(CH)，当所述簇头覆盖比例ScoverPercent(CH)小于第二预设阈值时，重新从簇内的参选节点内选择新的簇头。本发明对簇头的选择进行了考虑，要求被选出来的簇头能够最大限度地减少未被覆盖的区域的面积。这有利于簇头节点能量的消耗，并充分利用了成员节点感知范围能够和簇头感知范围完全重叠这一特点。在不用做过多的能量耗费的情况下，高效的完成了相关工作，从而增加无线传感器网络的网络生存期。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为节点与簇头的感知范围的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，包括如下步骤：
从备选节点内选择一个符合簇头选择条件的节点作为簇头，所述备选节点为同一个簇内正常工作的节点，剩余的备选节点作为成员组成节点，成员组成节点用于采集感知数据并将所述感知数据发送至簇头，簇头用于将所述感知数据发送至基站；
判定备选节点是否满足簇头选择条件的判定方式为：
计算
Figure RE-GDA0001855600620000041
其中,MN1至MNn表示一个簇内的所有备选节点，
Figure RE-GDA0001855600620000042
表示第j个备选节点的感知覆盖区域，Soverlap表示簇内所有备选节点的感知覆盖区域的并集；针对某一个备选节点，其的感知覆盖区域SCH，Soverlap覆盖SCH的区域，用 Scover(CH)表示，即Scover(CH)＝Soverlap∩SCH，并计算簇头覆盖比例
Figure RE-GDA0001855600620000043
当簇头覆盖比例ScoverPercent(CH)大于第一预设阈值时，判定该备选节点符合簇头选择条件，将其选定为簇头节点。
以第一预设时间为周期检测所述簇头覆盖比例ScoverPercent(CH)，当所述簇头覆盖比例 ScoverPercent(CH)小于第二预设阈值时，重新从簇内的参选节点内选择新的簇头。
由于簇头只负责收集簇内传感器节点采集到的感知数据，并将这些数据压缩后传递给锚节点或者基站。簇头虽然和成员组成节点的职责不同，但是它和成员组成节点一样具有相同的功能。当一个传感器节点成为簇头时，它的能耗负担相对于普通节点来说要大很多。此时，尽量不让簇头担任感知数据的职责(如分层路由协议)，从而使得簇头能够节省一部分能量进而能够更好的完成簇头本身的任务。现有技术中，对簇头的感知区域被其簇内的成员组成节点完全覆盖说明较为模糊。有的文献说簇头可以同样感知自己区域的数据而其他的只说簇头只负责接收、融合、压缩和数据传输的功能。假定簇头不负责感知其感知范围的数据，由于这样会让簇头不至于做过多的耗费。
这就有可能导致其感知区域不能被簇内成员组成节点的感知区域完全覆盖，从而有可能导致某些重要的区域无法被感知。
如图1所示，方点代表了簇头，虚线圆表示了簇头的感知区域，圆点代表了簇头的管理区域内的成员组成节点，实线圆表示了成员组成节点的感知范围。在这种情况下，如果簇头不负责感知数据，那么簇头的感知区域就存在感知空洞。如果这个区域非常重要，那么就会造成较严重的后果。
因此，本发明对簇头的选择进行了考虑，要求被选出来的簇头能够最大限度地减少未被覆盖的区域的面积。这有利于簇头节点能量的消耗，并充分利用了成员节点感知范围能够和簇头感知范围完全重叠这一特点。在不用做过多的能量耗费的情况下，高效的完成了相关工作，从而增加无线传感器网络的网络生存期。比例阈值可直接设置，也可通过一个具体的算法进行计算。
在无线传感器网络的使用过程中，部分节点会因为能量耗尽而停止工作，即节点死亡。随着节点的死亡，簇头的覆盖比会逐渐减少，整个无线传感器网络内不能被感知到的区域会越来越大，因此，当簇头覆盖比例下降到一定程度时，需要重新选择簇头。第二预设阈值的取值范围为10％至30％。
具体实施时，当簇内所有的参选节点均不符合所述簇头选择条件时，选择一个参选节点作为簇头，且作为簇头的参选节点还用于采集感知数据。
当簇内所有的簇头都不符合簇头选择条件时，则可任意选择一个参选节点作为簇头，保证整个无线传感器网络的基本运作，此时，新的簇头需要开启采集感知数据的功能，即新的簇头既要实现簇头的功能，还要实现节点的功能。
具体实施时，当簇内所有的参选节点均不符合所述簇头选择条件时，选择被当前的Soverlap覆盖的区域最大的参选节点作为簇头。
当簇内所有的簇头都不符合簇头选择条件时，从节约能源的角度考虑，为了使簇头离簇内的节点的平均距离较近，节约传递数据时消耗的能源，选择被当前的Soverlap覆盖的区域最大的参选节点作为簇头。
具体实施时，簇头将所有接收到的感知数据汇总并压缩后发送至基站。
为了提高数据传输的效率，簇头在接收到各成员节点的感知数据后，将数据进行汇总压缩后再发送给基站。
在本发明中，进行簇头的选择的过程中：
一个传感器节点感知自己探测范围内的所有数据所需的能量为
Figure RE-GDA0001855600620000051
Figure RE-GDA0001855600620000052
则表示所有簇内成员节点感知交集感知覆盖区域所耗费的能量。如果簇成员的交集区域Soverlap完全包含簇头的感知覆盖区域SCH，那么这样的簇头位置是比较理想的位置；否则，可能出现部分簇头的探测区域无法被成员结点覆盖，此时就需要簇头再执行感知数据的功能，从而浪费了宝贵的能量。如果Soverlap不完全包含簇头的感知覆盖区域SCH，此时尽量让 Soverlap覆盖更大的SCH的区域是比较理想的。Soverlap覆盖SCH的区域，我们用Scover(CH)表示，即 Scover(CH)＝Soverlap∩SCH；否则，用SUncover(CH)表示。然后，计算簇头覆盖比例ScoverPercent(CH)：
Figure RE-GDA0001855600620000061
由于每轮都会重新选择节点，并且随着能量的消耗，有些节点开始死亡。这样，我们提出使用一个簇头覆盖阈值来对簇头的感知覆盖区域进行管理：
Figure RE-GDA0001855600620000062
Figure RE-GDA0001855600620000063
定义为第i个簇头需要覆盖的收益，
Figure RE-GDA0001855600620000064
如果满足阈值要求，就认为符合当选簇头的资格。公式(3)中，
Figure RE-GDA0001855600620000065
σ的初值经过初始计算可以获得；
Figure RE-GDA0001855600620000066
为当前的第i个簇的簇头的采集感知数据感知覆盖区域SCH被当前第i个簇内所有备选节点的感知覆盖区域的并集
Figure RE-GDA0001855600620000067
覆盖的区域，即
Figure RE-GDA0001855600620000068
公式(3)中，
Figure RE-GDA0001855600620000069
当前轮的簇头剩余能量；
Figure RE-GDA00018556006200000610
为簇头的初始能量。
如果簇头需要覆盖的收益
Figure RE-GDA00018556006200000611
即若预先人为设定一个远小于1的第二预设阈值(例如设定为第二预设阈值为10％-30％)，如果参数
Figure RE-GDA00018556006200000612
小于该第二预设阈值时，则重新从簇内选择新的簇头；如果簇内所有的参选节点均不符合所述簇头选择条件，说明簇头被其成员节点覆盖较差，此时，必须让簇头感知自己区域数据；而如果
Figure RE-GDA0001855600620000071
达到预先认为设定的第二预设阈值，就让成员节点的感知覆盖区域代替簇头节点的感知覆盖区域。
具体实施时，还包括：
以第二预设时间为周期获取所述簇头的剩余能量比例；
当所述簇头的剩余能量比例满足预设条件时，从簇内选择一个与原簇头不同的节点作为新的簇头。
在保证覆盖区域的前提下，还应该尽量延长传感器网络的使用时间，而簇头的能量使用往往是最快的，因此，可以对选择出来的簇头进行能量监测，当簇头的剩余能量比例满足一定的预设条件时，则选择一个新的簇头，从而既保证了传感器网络的覆盖面积，还延长了使用寿命。
具体实施时，当所述簇头的剩余能量比例小于预设最低能量阈值时，所述簇头的剩余能量比例满足预设条件时。
在设置预设条件时，可以设置一个预设最低能量阈值，例如40％，从而使簇头在能量较低的时候，重新变为一个普通节点，延长了这个作为簇头的节点的使用寿命，从而延长整个网络的使用寿命。
具体实施时，当所述簇头的剩余能量比例小于所述平均剩余能量比例时，所述簇头的剩余能量比例满足预设条件时；
求所述平均剩余能量比例的方法为，以第三预设时间为周期获取簇内所有节点的剩余能量比例并计算簇内平均剩余能量比例。
单独设置一个最低能量阈值，在整个网络使用一段时间后，会出现所有节点的剩余能量比例均不满足这个阈值的情况，因此，可以将所有节点的平均能量比例来代替最低能量阈值，使得始终有一个节点能够被选为簇头。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
从备选节点内选择一个符合簇头选择条件的节点作为簇头，所述备选节点为同一个簇内正常工作的节点，剩余的备选节点作为成员组成节点，成员组成节点用于采集感知数据并将所述感知数据发送至簇头，簇头用于将所述感知数据发送至基站；
判定备选节点是否满足簇头选择条件的判定方式为：
针对某一个感知覆盖区域为SCH的备选节点，计算
Figure FDA0002564951510000012
其中,MN1至MNn表示一个簇内的其他备选节点，
Figure FDA0002564951510000013
表示第j个其他备选节点的感知覆盖区域，Soverlap表示簇内所有其他备选节点的感知覆盖区域的并集；Soverlap覆盖SCH的区域，用Scover(CH)表示，即Scover(CH)＝Soverlap∩SCH，并计算簇头覆盖比例
Figure FDA0002564951510000011
当簇头覆盖比例ScoverPercent(CH)大于第一预设阈值时，判定感知覆盖区域为SCH的备选节点符合簇头选择条件，将其选定为簇头节点；
以第一预设时间为周期检测所述簇头覆盖比例ScoverPercent(CH)，当所述簇头覆盖比例ScoverPercent(CH)小于第二预设阈值时，重新从簇内的备选节点内选择新的簇头。
2.如权利要求1所述的用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，其特征在于，当簇内所有的备选节点均不符合所述簇头选择条件时，选择任意一个备选节点作为簇头，且作为簇头的备选节点还用于采集感知数据。
3.如权利要求2所述的用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，其特征在于，当簇内所有的备选节点均不符合所述簇头选择条件时，选择被对应的Soverlap覆盖的区域最大的备选节点作为簇头。
4.如权利要求1所述的无线传感器网络簇头选择方法，其特征在于，簇头将所有接收到各成员节点的感知数据汇总并压缩后发送至基站。
5.如权利要求1所述的用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，其特征在于，还包括：
以第二预设时间为周期获取所述簇头的剩余能量比例；
当所述簇头的剩余能量比例满足预设条件时，从簇内选择一个与原簇头不同的节点作为新的簇头。
6.如权利要求5所述的用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，其特征在于，当所述簇头的剩余能量比例小于预设最低能量阈值时，所述簇头的剩余能量比例满足预设条件时。
7.如权利要求5所述的用于区域覆盖监控的无线传感器网络簇头选择方法，其特征在于，当所述簇头的剩余能量比例小于平均剩余能量比例时，所述簇头的剩余能量比例满足预设条件时；
求所述平均剩余能量比例的方法为，以第三预设时间为周期获取簇内所有节点的剩余能量比例并计算簇内平均剩余能量比例。
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