CN110972149B - 一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法 - Google Patents

一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110972149B
CN110972149B CN201911179015.8A CN201911179015A CN110972149B CN 110972149 B CN110972149 B CN 110972149B CN 201911179015 A CN201911179015 A CN 201911179015A CN 110972149 B CN110972149 B CN 110972149B
Authority
CN
China
Prior art keywords
nodes
relay
node
sensing
ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911179015.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110972149A (zh
Inventor
严锡君
刘旭东
候添琪
刁宏志
蒋悦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hohai University HHU
Original Assignee
Hohai University HHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hohai University HHU filed Critical Hohai University HHU
Priority to CN201911179015.8A priority Critical patent/CN110972149B/zh
Publication of CN110972149A publication Critical patent/CN110972149A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110972149B publication Critical patent/CN110972149B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/18—Network planning tools
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/22—Traffic simulation tools or models
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/02—Power saving arrangements
    • H04W52/0209—Power saving arrangements in terminal devices
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W88/00—Devices specially adapted for wireless communication networks, e.g. terminals, base stations or access point devices
    • H04W88/02—Terminal devices
    • H04W88/04—Terminal devices adapted for relaying to or from another terminal or user
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法，该无线传感器网络的监测区域为圆形区域，所有传感器节点分布于该圆形区域中，汇聚节点位于其圆心位置，把监测区域划分为n个同心圆环，每个圆环的中间区域再设置中继圆环，各中继圆环等间距分布；所有感知节点均匀分布在整个圆形监测区域中的非中继圆环区域，所有中继节点分布在各中继圆环内，同一中继圆环上的中继节点均匀分布，不同中继圆环的中继节点分布密度不同，且分布密度随着中继圆环与汇聚节点距离的增大而减小。本发明有效地避免了节点能耗不均衡导致的“能量空洞”问题，优化了网络中的能量消耗，延长了网络的生命周期，大大减少了维护工作量。

Description

一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络，特别涉及了一种无线传感器网络的节点优化部署方法。
背景技术
无线传感器网络(WSN)是大量的传感器节点通过自组织方式构成一种新型的无线网络。由于无线传感器网络具有监测精度高、功耗低、成本低、覆盖区域大、易于部署等显著的优点，因而，无线传感器网络得到了广泛而迅猛的发展。将无线传感器网络的节点部署到特定区域，对某些环境数据进行监测和采集，可广泛应用于环境监测、医疗监护、农业养殖和灾难抢险等特殊领域，如何设计适合不同工程应用的WSN成为一大研究课题。
节点部署是无线传感器网络研究的一个重点问题，它直接影响网络的生命周期、可靠性以及可扩展性等性能。在不同的实际应用场景下，无线传感器网络的监测环境和目的不尽相同，所以应采取对应的部署策略，使组网效果最优，节约部署成本，满足覆盖要求。
无线传感器网络中存在节点能耗不均衡导致的“能量空洞”问题，可能会出现某些节点提前死亡，整个网络生命周期受到很大的影响，同时还可能存在通信干扰，因此数据传输过程复杂，容易出现数据冲突等问题。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法，该无线传感器网络的监测区域为圆形区域，所有传感器节点分布于该圆形区域中，汇聚节点位于其圆心位置，把监测区域划分为n个同心圆环，n>1，每个圆环的中间区域再设置中继圆环，各中继圆环等间距分布；传感器节点包括两类：感知节点和中继节点，感知节点负责采集数据并将采集的数据发送给中继节点，但不负责转发其他节点的数据，中继节点负责转发其他节点的感知数据，但不负责数据的采集；所有感知节点均匀分布在整个圆形监测区域中的非中继圆环区域，所有中继节点分布在各中继圆环内，同一中继圆环上的中继节点均匀分布，不同中继圆环的中继节点分布密度不同，且分布密度随着中继圆环与汇聚节点距离的增大而减小。
进一步地，任一感知节点A的周围分布6个邻居感知节点，这6个邻居感知节点位于以感知节点A为中心的正六边形的6个顶点上，其中相邻2个感知节点的距离
Figure BDA0002290761740000021
rs为感知节点的感知半径，ε为一个无限小的半径增量，当
Figure BDA0002290761740000022
时，感知节点A将被它的6个邻居感知节点完全覆盖，这样使得相邻节点之间重叠覆盖面积最小，整个传感器网络按照前述方式布置感知节点，使得网络全覆盖所需要的感知节点数最少：
Figure BDA0002290761740000023
上式中，Ns为全覆盖所需的最少感知节点数，R为圆形监测区域的半径，
Figure BDA0002290761740000024
表示向上取整运算；
则Ns对应的感知节点分布密度ρs：
Figure BDA0002290761740000025
进一步地，布置中继节点的数目按下式求得：
Figure BDA0002290761740000031
上式中，Eelec为收发电路收发每bit数据的能耗，ξ为传输常数，α为路径损耗常数，
Figure BDA0002290761740000032
为中继节点的通信半径，
Figure BDA0002290761740000033
为感知节点的通信半径。
进一步地，建立感知节点通信半径优化模型：
min
Figure BDA0002290761740000034
s.t.
Figure BDA0002290761740000035
上式中，
Figure BDA0002290761740000036
为目标函数，l为发射数据bit长度，Eelec为收发电路收发每bit数据的能耗，ξ为传输常数，α为路径损耗常数，
Figure BDA0002290761740000037
为感知节点的通信半径。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明将双层网络结构和非均匀部署相结合，提出了一种中继圆环节点部署策略，即将传感器节点分为感知节点和中继节点两类，分别实现数据采集和数据传输的功能，感知节点均匀部署，中继节点在等间距圆上均匀部署且不同圆上的分布密度不同，该方案便于部署又简化了路由。同时，本发明有效地避免了节点能耗不均衡导致的“能量空洞”问题，使得中继节点和传感器节点同步消耗能量，因而具有相同的生命周期，优化网络中的能量消耗，显著地延长了网络的生命周期，在实际使用中大大地减少了维护工作量。
附图说明
图1是本发明的拓扑结构图；
图2是本发明中感知节点部署示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法，如图1所示。该无线传感器网络的检测区域为半径为R的圆形区域，所有传感器节点分布于该圆形区域中，汇聚节点位于其圆心位置。把监测区域划分为n个同心圆环，n>1，从圆心向外依次表示为
Figure BDA0002290761740000041
其中
Figure BDA0002290761740000042
表示第i个圆环，i越大层级越高。每个圆环的中间区域再设置中继圆环，各中继圆环等间距分布；传感器节点包括两类：感知节点和中继节点，感知节点负责采集数据并将采集的数据发送给中继节点，但不负责转发其他节点的数据，中继节点负责转发其他节点的感知数据，但不负责数据的采集；所有感知节点均匀分布在整个圆形监测区域中的非中继圆环区域，所有中继节点分布在各中继圆环内，同一中继圆环上的中继节点均匀分布，不同中继圆环的中继节点分布密度不同，且分布密度随着中继圆环与汇聚节点距离的增大而减小。
整个网络采用周期性监控的工作方式，每周期的数据收集过程中产生和发送1bit的数据包。感知节点只将采集到的数据传输给其所在圆环内的中继节点，然后数据借助于多跳中继节点被传输到汇聚节点。可见，每个圆环内的中继节点除了要转发自己所在圆环内的数据，还要转发高层圆环内的数据。
假设网络中所有感知节点的感知半径为rs，通信半径为
Figure BDA0002290761740000043
为了保证网络的连通性，确保
Figure BDA0002290761740000044
中继节点的通信半径为
Figure BDA0002290761740000045
为了方便分析和计算，可以假设中继节点的通信半径与每个圆环的宽度w相等，即
Figure BDA0002290761740000046
感知节点的通信半径恰为圆环宽度的一半，即
Figure BDA0002290761740000047
则有
Figure BDA0002290761740000048
在网络的整个工作过程中，这些值维持固定不变。
图2是本发明感知节点部署示意图，感知节点A周围有B、C、D、E、F、G共6个邻居感知节点，以正六边形部署，这6个感知节点位于正六边形的一个顶点，节点A及其6个邻居节点的感知半径均为rs，构成7个以rs为半径的圆。节点A的覆盖圆与相邻的两个邻居感知节点的覆盖圆有一个交点，把这样的6个交点连接起来构成一个边长为
Figure BDA0002290761740000051
的小正六边形，其面积可计算得
Figure BDA0002290761740000052
设任意两个节点之间的距离为d，则有
Figure BDA0002290761740000053
ε→0，其中，rs为感知节点的感知半径，ε为一个无限小的半径增量。显然，当
Figure BDA0002290761740000054
时，感知节点A将被它的6个邻居感知节点完全覆盖，这样使得相邻节点之间重叠覆盖面积最小。依次类推，网络中所有传感器节点均以此部署，使得整个网络的相邻节点之间重叠覆盖面积最小，这样就使得网络全覆盖所需要的感知节点数将达到最少，实现网络全覆盖所需的最少感知节点数为：
Figure BDA0002290761740000055
根据最少感知节点数可以计算出最大覆盖面积下感知节点的分布密度：
Figure BDA0002290761740000056
假设圆环
Figure BDA0002290761740000057
中感知节点的数量为
Figure BDA0002290761740000058
中继节点的数量为
Figure BDA0002290761740000059
则有：
Figure BDA00022907617400000510
网络中的所有数据都依赖中继节点传输，所以在每个数据采集周期内，圆环
Figure BDA00022907617400000511
中的中继节点需要为本层和高层圆环内的感知节点转发数据，由此可知，圆环
Figure BDA00022907617400000512
需要承担的数据量为：
Figure BDA00022907617400000513
其中，l为发射数据bit长度。
单个数据采集周期内每个感知节点的能耗
Figure BDA00022907617400000514
为：
Figure BDA0002290761740000061
其中，
Figure BDA0002290761740000062
为单个数据采集周期内每个感知节点的能耗，
Figure BDA0002290761740000063
为单个数据采集周期内每个感知节点的发送能耗，Eelec为收发电路收发每bit数据的能耗，ξfs为自由空间传输常数，ξamp为多路径衰减传输常数，d0是一个距离常数。
为了保证整个网络达到能耗均衡，则所有传感器节点的能耗衰减速率应该基本保持一致，即所有节点的能量应该尽量同时耗尽，从而达到网络能量利用率最大化，则有：
Figure BDA0002290761740000064
1≤i
其中，
Figure BDA0002290761740000065
为第i个感知节点的能耗，
Figure BDA0002290761740000066
为第i个中继节点的能耗。
由于网络中所有的感知节点拥有的初始能量相同且采用一样的工作模式，则单个数据采集周期内任意圆环
Figure BDA0002290761740000067
中感知节点的能耗满足：
Figure BDA0002290761740000068
1≤i,j≤n,i≠j
因
Figure BDA0002290761740000069
可以计算得圆环
Figure BDA00022907617400000610
内中继节点数量
Figure BDA00022907617400000611
的值,分为以下3种情况：
Figure BDA00022907617400000612
其中，α为路径损耗常数。
根据单个感知节点的能耗，可得到每个数据采集周期中所有感知节点的能耗：
Figure BDA0002290761740000071
由上式可知，感知节点的能耗与感知节点的通信半径以及目标监测区域的半径有关。
根据单个中继节点的能耗，可以计算出每个数据采集周期中所有中继节点消耗的能量：
Figure BDA0002290761740000072
其中，ξ为传输常数。
为了节省部署成本，每个中继环内部署的节点应该尽量少，通过求和运算便可以推算出整个网络需要的中继节点数为：
Figure BDA0002290761740000073
综合考虑网络能耗与节点数量，根据最优化模型根据网络能耗，节点最优通信半径通过如下优化模型求得：
min
Figure BDA0002290761740000074
s.t.
Figure BDA0002290761740000075
其中，
Figure BDA0002290761740000076
为目标函数。
综上所述，本发明采用圆环型网络拓扑结构，通过对能耗和连通性的分析得出部署的网络全覆盖所需最小节点数、整个网络需要的中继节点数、感知节点分布密度和节点最优通信半径，最终实现了良好的能耗均衡，大幅度延长网络生命周期。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法，其特征在于：该无线传感器网络的监测区域为圆形区域，所有传感器节点分布于该圆形区域中，汇聚节点位于其圆心位置，把监测区域划分为n个同心圆环，n>1，每个圆环的中间区域再设置中继圆环，各中继圆环等间距分布；传感器节点包括两类：感知节点和中继节点，感知节点负责采集数据并将采集的数据发送给中继节点，但不负责转发其他节点的数据，中继节点负责转发其他节点的感知数据，但不负责数据的采集；所有感知节点均匀分布在整个圆形监测区域中的非中继圆环区域，所有中继节点分布在各中继圆环内，同一中继圆环上的中继节点均匀分布，不同中继圆环的中继节点分布密度不同，且分布密度随着中继圆环与汇聚节点距离的增大而减小；
任一感知节点A的周围分布6个邻居感知节点，这6个邻居感知节点位于以感知节点A为中心的正六边形的6个顶点上，其中相邻2个感知节点的距离
Figure FDA0003055628720000011
rs为感知节点的感知半径，ε为一个无限小的半径增量，当
Figure FDA0003055628720000012
时，感知节点A将被它的6个邻居感知节点完全覆盖，当
Figure FDA0003055628720000013
时，相邻节点之间重叠覆盖面积最小，整个传感器网络按照
Figure FDA0003055628720000014
方式布置感知节点，使得网络全覆盖所需要的感知节点数最少：
Figure FDA0003055628720000015
上式中，Ns为全覆盖所需的最少感知节点数，R为圆形监测区域的半径，
Figure FDA0003055628720000016
表示向上取整运算；
则Ns对应的感知节点分布密度ρs：
Figure FDA0003055628720000021
布置中继节点的数目按下式求得：
Figure FDA0003055628720000022
上式中，Eelec为收发电路收发每bit数据的能耗，ξ为传输常数，α为路径损耗常数，
Figure FDA0003055628720000023
为中继节点的通信半径，
Figure FDA0003055628720000024
为感知节点的通信半径。
2.根据权利要求1所述圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法，其特征在于：建立感知节点通信半径优化模型：
Figure FDA0003055628720000025
Figure FDA0003055628720000026
上式中，
Figure FDA0003055628720000027
为目标函数，l为发射数据bit长度，Eelec为收发电路收发每bit数据的能耗，ξ为传输常数，α为路径损耗常数，
Figure FDA0003055628720000028
为感知节点的通信半径。
CN201911179015.8A 2019-11-27 2019-11-27 一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法 Active CN110972149B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911179015.8A CN110972149B (zh) 2019-11-27 2019-11-27 一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911179015.8A CN110972149B (zh) 2019-11-27 2019-11-27 一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110972149A CN110972149A (zh) 2020-04-07
CN110972149B true CN110972149B (zh) 2021-07-02

Family

ID=70031720

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911179015.8A Active CN110972149B (zh) 2019-11-27 2019-11-27 一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110972149B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111866912B (zh) * 2020-06-16 2021-07-20 北京邮电大学 基于时间-空间的业务量区域分类和分析方法
CN116074853B (zh) * 2023-03-07 2023-06-23 华东交通大学 用于可变水域的监测网络的部署优化方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101835233A (zh) * 2010-03-19 2010-09-15 浙江大学 面向无线传感器网络的随机路由的选择方法
CN101977415A (zh) * 2009-10-25 2011-02-16 苏州大学 具有偏好随机游动能量均衡的数据传输方法
CN103052147A (zh) * 2013-01-06 2013-04-17 浙江大学 一种基于无线传感网的能量有效性多级环形组网的方法
CN103079288A (zh) * 2013-01-04 2013-05-01 中国电子科技集团公司第二十八研究所 一种基于高铁列车的无线传感器网络数据收集方法
CN103686761A (zh) * 2013-12-19 2014-03-26 河南师范大学 基于信息流累积的传感器节点分布密度控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101977415A (zh) * 2009-10-25 2011-02-16 苏州大学 具有偏好随机游动能量均衡的数据传输方法
CN101835233A (zh) * 2010-03-19 2010-09-15 浙江大学 面向无线传感器网络的随机路由的选择方法
CN103079288A (zh) * 2013-01-04 2013-05-01 中国电子科技集团公司第二十八研究所 一种基于高铁列车的无线传感器网络数据收集方法
CN103052147A (zh) * 2013-01-06 2013-04-17 浙江大学 一种基于无线传感网的能量有效性多级环形组网的方法
CN103686761A (zh) * 2013-12-19 2014-03-26 河南师范大学 基于信息流累积的传感器节点分布密度控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于圆环划分的无线传感器网络分簇路由协议;黄秋林等;《电子科学技术》;20160710;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110972149A (zh) 2020-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hani et al. A Survey on LEACH-Based Energy Aware Protocols for Wireless Sensor Networks.
Tong et al. A cross unequal clustering routing algorithm for sensor network
CN110972149B (zh) 一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法
SB et al. Sector based multi-hop clustering protocol for wireless sensor networks
Sadouq et al. Conserving energy in WSN through clustering and power control
Miah et al. Performance analysis of ILEACH and LEACH protocols for wireless sensor networks
Khurana et al. Wireless sensor network routing protocols: A survey
Lu et al. A novel energy efficient routing algorithm for hierarchically clustered wireless sensor networks
Lee et al. A new cluster head selection scheme for long lifetime of wireless sensor networks
Kaddi et al. An energy-efficient protocol using an objective function & random search with jumps for WSN
Li et al. Study of power-aware routing protocal in wireless sensor networks
Tarannum et al. Dynamic hierarchical communication paradigm for Wireless Sensor Networks: A centralized, energy efficient approach
Zytoune et al. Stochastic low energy adaptive clustering hierarchy
Sivaraj et al. Energy-efficient and load distributed clustering algorithm for dense wireless sensor networks
Wahdan et al. Static cluster and dynamic cluster head (SCDCH) adaptive prediction-based algorithm for target tracking in wireless sensor networks
Chelbi et al. An Unequal Cluster-based Routing Protocol Based on Data Controlling for Wireless Sensor Network.
Qian et al. Prolonging the lifetime of wireless sensor network via multihop clustering
Pramanick et al. An energy-efficient routing protocol for wireless sensor networks
Israr et al. Coverage based intercluster communication for load balancing in wireless sensor networks
Manjula et al. Base-station controlled clustering scheme in wireless sensor networks
Tejaswi et al. Routing protocols for landslide prediction using wireless sensor networks
Zhang Cluster-based routing protocols for wireless sensor networks
Al-Khdour et al. A generalised energy-efficient time-based communication protocol for wireless sensor networks
Gao et al. Distributed multi-weight data-gathering and aggregation protocol in fleet wireless sensor networks: Optimal and heuristic algorithms
Cherian A comprehensive review energy efficient wireless sensor network

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant