CN109831757A - 一种在稠密无线传感器网络中降低延时和能耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在稠密无线传感器网络中降低延时和能耗的方法，该方法依据发送者的转发集中节点的个数和节点工作的占空比对延时的影响，在不改变节点占空比的情况下，减少了稠密网络中发送者的候选节点个数，降低一跳延时，并减少了因多个候选中继节点同时唤醒带来的碰撞，从而降低了网络的数据负载量，减少了网络能耗。并且因为发送节点选择了更靠近汇聚中心的节点作为中继节点，增大了一跳前进距离，减少了跳数，降低了端到端的延时。

Description

一种在稠密无线传感器网络中降低延时和能耗的方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，尤其是涉及一种在稠密无线传感器网络中通过减少转发节点集的数量来降低延时和能耗的方法。

背景技术

传感器节点由感知元件，电池，数据处理和通信组件组成，被大量部署在需要监测的环境中，传感器节点之间自组织形成网络，共同协作完成相应的事件感知、数据收集等任务。无线传感器网络的应用广泛，例如天气监测，交通监控，地震检测，噪声水平测试，健康监护等。通常传感器节点将感知到的数据通过多跳路由的方式传输到汇聚节点sink(或者控制中心)，经过对数据进行分析处理后，并采取相应的控制措施进行相应的处理，从而达到自动控制的目的。在很多应用中都要求被感知到的数据被快速的路由到控制中心，因为拖延的数据路由可能会造成重大的损失。例如在对工业生产生产线的监测，火灾的监测中都要求数据路由的延时尽可能的小。而另一方面，由于经济上的考虑，为尽量降低制造成本，传感器节点往往制造的体积比较小，由电池供电，由于常常被部署在恶劣的环境中而不能更换电池，或者更换的成本太高，以至于节点的能量极其有限，如何减少网络的能量消耗是其中的一个重要的研究内容。

发明内容

本发明提供了一种稠密无线传感器网络中降低延时和能耗的方法，通过调整转发节点集的数量，降低了延时和碰撞，进而降低了网络数据负载量，减少了网络的能量消耗。

通常，传感器节点采用占空比工作模式，可以有效的降低节点的能耗。在占空比工作模式中，节点周期性的睡眠/唤醒，当节点处于睡眠状态时就关闭无线通信和感知装置，节点处于睡眠状态比唤醒状态的能量消耗的高2个数量级以上。但是，节点处于睡眠状态时就不能感知数据和数据通信，这样当发送者发送数据时，接收者可能处于睡眠状态。

为了减少数据发送时接收者处于睡眠的概率，往往采用机会路由的方法，也就是所有在发送者传输范围内，比发送者更靠近控制中心的节点都可以成为发送者的中继节点，在本发明中，称这些节点为发送者的转发集。但是当转发集的数量比较大时，会造成严重的碰撞和冗余数据量，带来通信延时和额外能耗。

一种稠密无线传感器网络中降低延时和能耗的方法，可以通过限制转发集的区域，减少转发集的数量，减少了一跳延时、跳数和能耗。限制转发集的区域的方法是设置合适的最小一跳前进距离，也就是只有当一跳前进距离大于一个值r₀时才进行转发，此时的一跳延时最小。

获得最小一跳前进距离的方法是，当r₀从0～r遍历时，使得下面的公式的值最小的r₀。

其中，是一跳延时，即发送者将数据包成功传送给中继节点的延时，τ是占空比的倒数，即周期长度/活跃时间，节点的活跃时间长度定为一个时隙，τ就是一个周期包含的时隙个数；ρ是传感器节点分布的密度，r是传感器节点的传输半径。

是发送者的转发集的面积，下面的公式获得

其中，

距离控制中心为L米的发送者，其数据包被路由到sink所需要的跳数，是用L减掉每次传输的前进距离，直到得到的值为0。假设发送者将数据包发送给中继节点之后，中继节点距sink的距离为L′米,则(L-L′)米为一跳前进距离。L米的发送者，其一跳的前进距离为x米的概率由下式得到：

则一跳的前进距离为下式：

使得公式成立的N_h即为跳数。其中ohd_i为第i跳的前进距离。

端到端的延时由下式得到：

其中为第i跳的延时。

距离sink为L米的发送者，在设置了最小一跳前进距离r₀之后，其转发集的数量为

n＝ρ·[(L-r₀)²·α+r²·β-L·r·sin(β)]

其中ρ是节点分布密度；

有益效果

本发明公开了一种稠密无线传感器网络中降低延时和能耗的方法，通过在稠密网络中设置最小一跳前进距离，减少了发送者的转发集数量，降低了一跳延时和碰撞，增大了一跳传输距离，进而减少了端到端延时。减少碰撞会减少网络的数据负载量，进而减少了网络的能耗。

附图说明

图1使用本发明的方法前后转发集的区域变化

图2使用本发明的方法在网络各处设置的最小一跳前进距离

图3使用本发明的方法前后发送者转发集的数量对比

图4使用本发明的方法前后各处一跳延时的对比

图5使用本发明的方法前后数据包从各处到达sink所需要的跳数的对比

图6使用本发明的方法前后网络各处的端到端延时对比

图7使用本发明的方法前后网络各处的能耗对比

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种稠密无线传感器网络中降低延时和能耗的方法，在稠密无线传感器网络中，设置最小一跳前进距离，限发送者转发集的数量，来降低延时和能耗。如图1中所示，在设置了r₀后，转发集的区域被减少。

使用本发明获得最小一跳前进距离的方法是，当r₀从0～r遍历时，使得下面的公式取得最小值。

其中，是一跳延时，即发送者将数据包成功传送给中继节点的延时，τ是占空比的倒数，即周期长度/活跃时间，在本发明中，将节点的活跃时间长度定为一个时隙，τ就是一个周期包含的时隙个数；ρ是传感器节点分布的密度，r是传感器节点的传输半径。

是发送者的转发节点集所属区域的面积，由下面的公式获得

其中，

距离控制中心为L米的发送者，其数据包被路由到sink所需要的跳数，是用L减掉每次传输的前进距离，直到得到的值为0或者小于0。假设发送者将数据包发送给中继节点之后，中继节点距控制中心的距离为L′米,则(L-L′)米为一跳前进距离。距离sink为L米的发送者，其一跳的前进距离为x的概率由下式得到：

则一跳的前进距离为下式：

使得公式成立的N_h即为跳数。其中ohd_i为第i跳的前进距离。

端到端的延时由下式得到：

其中为第i跳的延时。

距离sink为L米的发送者，在设置了最小一跳前进距离r₀之后，其转发集的数量为:

n＝ρ·[(L-r₀)²·α+r²·β-L·r·sin(β)]

其中ρ是节点分布密度；

在本发明的实例中，传感器节点均匀的分布在以R(R＝500米)为半径的平面圆形区域内，sink位于网络的中心。节点分布密度为ρ，节点的发送/接收半径为r(r＝80米)，本实例中τ＝20，密度ρ＝0.005,使用本发明使得网络各处一跳延时最小的r₀如图2所示。设置r₀之后，各处的转发节点集的数量会随之减少，如图3所示，在L＝300米处，转发节点集的数量减少了57.4％；转发节点集数量的减少会降低通信碰撞，进而减少一跳通信延时，如图4所示；设置r₀之后还会增大一跳前进距离，减少数据包到达sink所需要的跳数，如图5所示，在L＝300米处，跳数减少了42.9％；一跳延时和跳数的减少将大幅缩短端到端延时，如图6所示，在L＝300米处，端到端延时缩短了62.9％。

设置r₀之后，减少了网络各处的能耗，尤其是靠近sink的能耗，如图7所示，在L＝100米处，能耗被节省了50.2％。

Claims (3)

1.一种在稠密无线传感器网络中降低延时和能耗的方法，其特征在于，在无线传感器网络中，在不改变节点占空比的情况下，在n×1/τ＞1的稠密网络中的不同距离处，设置不同的最小一跳前进距离r₀，减少了发送者的转发节点集的数量以避免无线发送时的冲突干扰，从而减少了节点一跳数据发送的延时，同时减少了数据包到达sink(或者控制中心)所需的路由跳数，从而降低了端到端的延时；并且转发节点集数量的减少会降低碰撞，这样会降低网络负载，进而降低了能耗，提高了网络寿命；其中，n是指发送节点的转发节点集的数量，转发节点集是指在发送者传输半径内，比发送者更靠近sink的节点的集合；τ是占空比的倒数，即周期长度/活跃时间，本发明将节点的活跃时间长度定为一个时隙，τ就是一个周期包含的时隙个数；设置的最小一跳前进距离r₀是指，只有当接收者使得一跳前进的距离大于r₀时才进行转发。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，距离sink为L米的发送者，最小一跳前进距离r₀的计算方法是，当r₀从0～r遍历时，r₀是使得下面的公式取得最小值的r₀：

其中，是一跳延时，即发送者将数据包成功传送给中继节点的延时，ρ是传感器节点分布的密度，r是传感器节点的传输半径；是发送者的转发集所属的面积，由下面的公式获得：

其中，

距离控制中心为L米的发送者，其数据包被路由到sink所需要的跳数，是用L减掉每次传输的前进距离，直到得到的值为0；假设发送者将数据包发送给中继节点之后，中继节点距控制中心的距离为L′米，则(L-L′)米为一跳前进距离；距离为L米的发送者，其一跳的前进距离为x的概率由下式得到：

则一跳的前进距离为：

使得公式成立的N_h，即是跳数；其中ohd_i为第i跳的前进距离；

端到端的延时由下式得到：

其中为第i跳的延时。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，距离sink为L米的发送者，在设置了最小一跳前进距离r₀之后，其转发集的数量为：

n＝ρ·[(L-r₀)²·α+r²·β-L·r·sin(β)]

其中ρ是节点分布密度；