CN109922503A - 一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，该方法以构建最小能耗且均衡代价的传感节点数据上传路径为目标，将网络划分为k个等宽环，并给出了确保网络无覆盖盲区的最少传感节点数量，以实现均匀化地确定性部署；同时，为进一步降低数据上传的能耗以及降低一些中继节点的负担，本发明将网络设置为若干“数据上传区域”，且规定各传感节点均在其所属的“数据上传区域”内，通过计算权重，构建环间数据上传路径。与传统的无线传感网数据上传方法相比，该发明在确保网络无覆盖盲区、降低网络覆盖冗余、均衡网内传感节点能耗等方面表现出了一定的优势。

Description

一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法
技术领域
本发明涉及一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，属于无线传感网与通信技术领域。
背景技术
目前，无线传感网是一种资源有限、应用场景较为恶劣、应用条件复杂多变的无线网络。而无线传感网的数据上传则大多数依赖网络内传感节点(以下简称为“节点”)间多跳传输，因为只有在合理部署传感节点的基础上，才能设计出更高效的数据上传机制，使数据更快速地到达汇聚节点，从而减少网络能耗，实现网络负载均衡。
但如今大量的无线传感网应用在传感节点部署以及数据上传方法上存在很大的欠缺，导致了网络存在感知覆盖盲区且传感节点覆盖冗余度较高的问题。并且靠近网络中心的传感节点能耗过高(尤其在圆形网络中表现得更为明显)，造成了严重的负载不均现象，而在构建传输路径的过程中，对跳距和跳数未加限制，导致部分路由不合理。在传感节点部署时，大多采用随机部署的形式，从而可能会出现覆盖盲区，甚至造成网络断连。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，该方法以构建最小且均衡代价的网络传感节点数据模型为目标，并在此基础上将网络划分为k个等宽并能确保网络无感知覆盖盲区且尽可能的降低覆盖冗余度的环状区域。同时，为进一步降低数据上传的能耗以及降低一些中继节点的负担，本方法提出了一种环间多跳的数据上传方式并对网络数据上传区域进行了划分。与传统典型的网络数据上传方法相比，该方法在传感节点部署、网络感知覆盖、数据上传能耗等方面表现出了明显的优势，提升了全网结点数据上传的工作效率。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，包括如下步骤：
步骤1：令圆形网络区域的半径长度为R，圆心为O点，以O点为圆心，以2ir为半径画k个边界圆，其中，r是圆形网络区域中所有传感节点的通信半径均值，i是[1,k]中的整数，为R/2r向上取整；令基站设置在O点，最外侧边界圆为网络边界；
步骤2：以O点为圆心，以2jr-r为半径画k个节点圆，j是[1,k]中的整数，并在每个节点圆上均匀的部署传感节点；
步骤3：设位于第1节点圆的所有传感节点的感知半径均为
步骤4：在第j个节点圆中，j>1，以其圆弧上任意一点Sj为圆心，以r为半径做圆；
步骤5：从O点分别做出步骤4中所画圆的两条切线，则两条切线与第i个边界圆分别交于A、B两交点，i＝j；
步骤6：令步骤4中所做圆的圆心Sj与步骤5中的任意一个交点的线段长度为第j个节点圆中各传感节点的感知半径长度；
步骤7：分别对第2个节点圆上任意两个相邻传感节点与O点所形成的夹角作角平分线；令相邻的两条角平分线与其所夹网络边界构成的扇形，为一个数据上传区域，并规定任何传感节点只能在其所在的“数据上传区域”内逐跳向基站上传数据；
步骤8：令Wj为第j个节点圆上传感节点，j>2，定义上传路径的权值为：j∈[3,k]；其中，Er(Wj-1)代表节点Wj-1当前的剩余能量，Ch(Wj-1)为节点Wj-1当前所有的子孙节点数，d(Wj,Wj-1)为两个节点间欧式距离，各数据上传区域中的传感节点自第3个节点圆上的传感节点开始，逐级比较选择最大Path(Wj)值的上传路径，最终构建出均衡负载后的数据上传路径。
作为优选方案，还包括步骤9，所述步骤9：在网络运行过程中，若某一传感节点的剩余能量低于用户设定的阈值，则该传感节点的所有子孙传感节点需重新计算Path(Wj)值，并重新构造数据上传路径。作为优选方案，所述第j个节点圆j>1中各传感节点的感知半径长度，为：
作为优选方案，所述第j个节点圆j>1中传感节点数量为，
作为优选方案，令第1个节点圆部署的传感节点数为10个。
作为优选方案，在第1和第2个节点圆的各数据上传区域的中，仅有一个传感节点。
有益效果：本发明提供的圆形无线传感网中一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，其优点如下：
1、在数据上传速率一定的前提下，本发明所构建的数据上传方法中的传感节点不会随着数据量增大而出现负载过重的情况。这是由于本发明在划分数据上传区域和部署各个传感节点的过程中，不断均衡各传感节点的数据上传能耗。即使数据量的增加仅使得传感节点间数据上传变得频繁，但各传感节点的负载并未出现明显增加，所以圆形无线传感网络生命期基本平稳；
2、本发明采用了确定部署策略，第2个节点圆开始向外，各节点圆的传感节点数逐渐小幅增加。因此，以第2个节点圆的传感节点分布位置来划分“数据上传区域”，确保了各个区域中至少有1个传感节点，从而不会出现由于“数据上传区域”过小，导致某些节点无法找到直接后继；
3、在网络运行过程中，若某一节点的剩余能量低于用户设定的阈值，则仅该节点的子孙节点需重新按照本发明中所描述的方法重新进行选择路径，而不需要所有节点全部重新选路，大大降低了开销和计算的复杂度，维系了网络拓扑的稳定性，也在一定程度上避免了因为节点死亡而出现的数据丢包现象。
附图说明
图1是传感节点在各环内均匀分布的示意图；
图2是最内环中的节点最小密度部署示意图；
图3是确保无感知覆盖盲区下的环内节点最小密度部署示意图；
图4是构建数据上传区域的示意图；
图5是不合理的数据上传区域示意图；
图6是均衡负载后的数据上传路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，包括如下步骤：
如图1所示，步骤1：令圆形网络区域的半径长度为R，圆心为O点，以O点为圆心，以2ir为半径画k个边界圆1，其中，r是圆形网络区域中所有传感节点的通信半径均值，i是[1,k]中的整数，为R/2r向上取整。并从最内层的边界圆开始从序号1编号，直到最外层边界圆序号k，令基站设置在O点，最外侧边界圆为网络边界。
步骤2：以O点为圆心，以2jr-r为半径画k个节点圆2，j是[1,k]中的整数，并在每个节点圆上均匀的部署传感节点3，从最内层的节点圆开始从序号1编号，直到最外层节点圆序号k。
步骤3：对于第1边界圆区域中的传感节点而言，当相邻两个节点的感知区域之间的重叠角不超过π/3时，可确保节点对该区域的完全覆盖，如图2所示。因此，设位于第1节点圆的所有传感节点的感知半径均为
步骤4：在第j个节点圆中(j>1)，以其圆弧上任意一点Sj为圆心，以r为半径做圆，如图3所示；
步骤5：从O点分别做出步骤4中所画圆的两条切线，则两条切线与第i个边界圆分别交于A、B两点，i＝j，如图3所示；
步骤6：令步骤4中所做圆的圆心Sj与步骤5中的任意一个交点(例如，点B)所构成的线段SjB的长度为第j个节点圆中各传感节点的感知半径长度；
步骤7：从Sj引线段OB的垂线，令垂心为C。则，且经计算可得：即，步骤6中所确定的感知半径的值为同时，在图3中的三角形OSjB中，由余弦定理得：其中， 是线段OC,BC,OB,OSj,SjB的欧氏距离。因此，为确保各节点圆上传感节点的感知区域不产生覆盖盲区且覆盖冗余度最小，令第j个节点圆(j>1)所需部署的传感节点数为经计算可得第2个节点圆所需部署的传感节点数为10。同时，令第1个节点圆所需部署的传感节点数也为10。
步骤8：分别对第2个节点圆上任意两个相邻传感节点与O点所形成的夹角作角平分线。令相邻的两条角平分线与其所夹网络边界构成的扇形，为一个“数据上传区域”，并规定任何传感节点只能在其所在的“数据上传区域”内逐跳向基站上传数据。例如，在图4中，节点S1-S6这6个节点只能在深色扇形区域内找寻其下一跳后继。
通过以上传感节点的设置，避免出现不合理的数据上传区域构建。例如图5所示，在第3边界圆与第4边界圆之间的环形扇面内没有节点Sj的后继节点。
步骤9：令Wj为第j个节点圆(j>2)上传感节点，且令其数据上传路径中的传感节点依次为Wj-1,Wj-2...,W2,W1,基站。则，定义该路径的权值为：其中，Er(Wj-1)代表节点Wj-1当前的剩余能量，Ch(Wj-1)为节点Wj-1当前所有的子孙节点数，d(Wj,Wj-1)为两个节点间欧式距离。各“数据上传区域”中的传感节点自第3个节点圆上的传感节点开始，逐级比较选择最大Path(Wj)值的上传路径，最终构建出均衡负载后的数据上传路径，图6所示。在各“数据上传区域”的第1个和第2个节点圆中，都各有且仅有一个传感节点，无需计算Path(Wj)值；
步骤10：在网络运行过程中，若某一传感节点的剩余能量低于用户设定的阈值，则该传感节点的所有子孙传感节点需重新按照步骤9中的方法计算Path(Wj)值，并重新构造数据上传路径。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：令圆形网络区域的半径长度为R，圆心为O点，以O点为圆心，以2ir为半径画k个边界圆，其中，r是圆形网络区域中所有传感节点的通信半径均值，i是[1,k]中的整数，为R/2r向上取整；令基站设置在O点，最外侧边界圆为网络边界；
步骤2：以O点为圆心，以2jr-r为半径画k个节点圆，j是[1,k]中的整数，并在每个节点圆上均匀的部署传感节点；
步骤3：设位于第1节点圆的所有传感节点的感知半径均为
步骤4：在第j个节点圆中，j>1，以其圆弧上任意一点Sj为圆心，以r为半径做圆；
步骤5：从O点分别做出步骤4中所画圆的两条切线，则两条切线与第i个边界圆分别交于A、B两交点，i＝j；
步骤6：令步骤4中所做圆的圆心Sj与步骤5中的任意一个交点的线段长度为第j个节点圆中各传感节点的感知半径长度；
步骤7：分别对第2个节点圆上任意两个相邻传感节点与O点所形成的夹角作角平分线；令相邻的两条角平分线与其所夹网络边界构成的扇形，为一个数据上传区域，并规定任何传感节点只能在其所在的“数据上传区域”内逐跳向基站上传数据；
步骤8：令Wj为第j个节点圆上传感节点，j>2，定义上传路径的权值为：其中，Er(Wj-1)代表节点Wj-1当前的剩余能量，Ch(Wj-1)为节点Wj-1当前所有的子孙节点数，d(Wj,Wj-1)为两个节点间欧式距离，各数据上传区域中的传感节点自第3个节点圆上的传感节点开始，逐级比较选择最大Path(Wj)值的上传路径，最终构建出均衡负载后的数据上传路径。
2.根据权利要求1所述的圆形无线传感网中一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，其特征在于：还包括步骤9，所述步骤9：在网络运行过程中，若某一传感节点的剩余能量低于用户设定的阈值，则该传感节点的所有子孙传感节点需重新计算Path(Wj)值，并重新构造数据上传路径。
3.根据权利要求1所述的圆形无线传感网中一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，其特征在于：所述第j个节点圆j>1中各传感节点的感知半径长度，为：
4.根据权利要求1所述的圆形无线传感网中一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，其特征在于：所述第j个节点圆j>1中传感节点数量为，
5.根据权利要求1所述的圆形无线传感网中一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，其特征在于：令第1个节点圆部署的传感节点数为10个。
6.根据权利要求1所述的圆形无线传感网中一种基于确定性部署的代价均衡的数据上传方法，其特征在于：在第1和第2个节点圆的各数据上传区域的中，仅有一个传感节点。
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