CN111010710A - 电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力通信技术领域，公开了一种电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，所述方法包括步骤：步骤一、各节点根据自身位置实现负载均衡分簇；步骤二、各节点根据自身剩余能量划分多个等级；步骤三、各节点根据自身位置确定参考传输距离；步骤四、各节点根据多个因素确定实际传输距离。本发明旨在提供一种适用于电力通信设备通信的传感器网络传输方法，降低传感器网络的能耗，实现各个节点的负载均衡，通过优化各个簇节点的传输距离来最终大幅度提升网络的生命周期。

Description

电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法

技术领域

本发明涉及电力通信技术领域，具体涉及一种电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法。

背景技术

现代电力通信，需要借助新型网络技术。无线传感器网络是一种新型无线自组织网络，将一定区域内的传感器节点通过自组织方式组织起来，实现信息采集、信号处理和数据通信，可应用于现代电力通信行业，为现代电力通信提供实时性、便捷性和可靠性等业务质量。

在无线传感器网络中，传感器节点通常用电池供电，电池能量十分有限，而且通常不容易更换电池，也难以补给能量。因此，如何节约节点的能量开销，如何延长网络的生命周期是该网络的关键问题。此外，网络中，数据从多个节点通过多条路径传输到一个基站，使得离基站较近的区域具有更大的数据转换任务，这样造成能量消耗不均衡。因此，负载均衡也是该网络需要面对的重要问题。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供了一种电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，所述方法根据节点位置和节点剩余能量设计不同的传输距离，从而均衡全网负载，延长网络生命周期。

本发明可以通过如下技术方案实现：

一种电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，包括以下步骤：

步骤一、各节点根据自身位置实现负载均衡分簇；

步骤二、各节点根据自身剩余能量划分多个等级；

步骤三、各节点根据自身位置确定参考传输距离；

步骤四、各节点根据多个因素确定实际传输距离。

优选的，所述步骤一的具体过程为：

建立一个以基站为中心的圆形区域，作为传感器网络的分布区域，各个节点发送广播信息，汇报自身ID，节点根据自身位置竞争簇头，簇头满足的条件为：

其中N_j是节点m_j的一跳通信范围内的节点数量，E(m_j)>E^*指节点m_j的剩余能量大于簇头允许的最小剩余能量E^*，函数δ(m_i)表示

其中R₀为节点m_j的一跳通信范围的节点集合。

优选的，当存在多个节点同时符合竞争簇头的条件时，采用如下方式选择簇头：

m_j＝argmax{E(m_i)} (3)

其中E(m_i)为节点m_i的剩余能量。

优选的，所述步骤二的具体过程为：

设置节点能量等级差别为

其中E_max和E_min分别为节点的当前最大剩余能量和最小剩余能量，x为设定的全网节点能量的等级数量；

计算任一时刻任意节点m_i的剩余能量级别为：

其中E(m_i)表示节点m_i的当前剩余能量，符号

表示向上取整。

优选的，所述步骤三的具体过程为：

各节点根据自身位置确定一个参考传输距离，所述参考传输距离为：

H_i＝H₀+c×d(i,BS) (6)

其中H₀为常数，即最小参考传输距离，d(i,BS)是节点m_i与基站BS之间的距离，c是一个常数，表示直线的斜率，该参考传输距离是一个线性递增函数，离基站越近，参考传输距离越小。

优选的，所述步骤四的具体过程为：

确定各个节点的传输距离，对于簇内普通节点，数据直接发送给簇头，簇头节点m_i的中继簇头节点m_j为：

其中，L_j为簇头节点m_j的剩余能量级别，S_i为离簇头节点的距离最接近节点m_i的参考传输距离内的簇头节点的集合；

若同等情况下，则选择离基站BS最近的簇头作为中继，即

其中d(BS,m_j)表示簇头m_j与基站BS的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明通过整体和局部两方面确定节点的传输距离，既提升方法的运输速度，又达到精确选择中继节点的效果。通过参考传输距离的确定，总整体上确定节点的大致传输距离。通过比较节点能量级别和离基站的距离，从局部范围进一步确定节点的精确传输距离。

2、本发明考虑多个因素来确定节点的传输距离，包括节点位置、节点能耗、与基站的距离，以及与基站的偏离方向等。因此本发明属于一种全方位考虑的数据传输方法，能极大提升网络多方面性能。

3、本发明并没有采用传统的按多个因素的权重来选择中继节点，而是按照不同因素的优先级来处理。本方法先确定能量大致范围，然后选择位置更好的节点作为中继节点。这样可以避免因不同因素之间的数量级差异造成的某些因素削弱的缺点。

4、本方法采用基于节点位置来分簇的方法，即节点密度更高的节点被选为簇头。比传统的LEACH为代表的按照概率来分簇的方法更简洁，算法复杂度更低，更易于操作，更容易实现。

附图说明

图1为本发明实施例所述的各节点根据自身位置实现负载均衡分簇的实例图；

图2为本发明实施例所述的各节点根据自身剩余能量划分多个等级的实例图；

图3为本发明实施例所述的各节点根据自身位置确定参考传输距离的实例图；

图4为本发明实施例所述的各节点根据多个因素确定实际传输距离的实例图；

图5为本发明实施例所述的一种电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明提供如下实施例：

一种电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，所述方法的流程图如图5所示，包括以下步骤：

步骤一、各节点根据自身位置实现负载均衡分簇；

步骤二、各节点根据自身剩余能量划分多个等级；

步骤三、各节点根据自身位置确定参考传输距离。由图3所示，各簇头节点的参考传输距离为箭头所示。图中显示，离基站越远的节点，参数传输距离越大，反之越小。

步骤四、各节点根据多个因素确定实际传输距离。由图4所示，部分簇头节点确定了自身的实际传输距离，即确定了其中继节点。

作为优选的实施方案，所述步骤一具体包括：

建立一个以基站为中心的圆形区域，作为传感器网络的分布区域，各个节点发送广播信息，汇报自身ID，节点根据自身位置竞争簇头，簇头满足的条件为：

其中N_j是节点m_j的一跳通信范围内的节点数量，E(m_j)>E^*指节点m_j的剩余能量大于簇头允许的最小剩余能量E^*，函数δ(m_i)表示

其中R₀为节点m_j的一跳通信范围的节点集合。

以上方案中，公式(1)表示了选择簇头的两个优选条件，条件一、选择节点的一跳通信范围内节点数量较多的节点作为簇头，即周围节点密度较大的节点担任簇头，这样便于簇内其他节点近距离传输数据到簇头，降低传输路径长度，减少能量开销，可以理解的是，式(2)表达的含义为：如果节点m_i属于节点m_j的一跳通信范围的节点集合R₀时，取δ(m_i)值为1，否则，取δ(m_i)值为0；条件二、E(m_j)>E^*表示选择剩余能量较大的节点担任簇头，以更好地均衡节点的负载，因为簇头的工作负载比普通节点要大。由图1所示，各个节点根据自身位置成簇，节点分布集中的区域分成一个簇。

作为优选的实施方案，当存在多个节点同时符合竞争簇头的条件时，采用如下方式选择簇头：

m_j＝argmax{E(m_i)} (3)

其中，E(m_i)为节点m_i的剩余能量，公式(3)表示在其他条件相同时，即节点剩余能量满足门限值，且周围节点密度相同情况下，选择剩余能量较大的节点担任簇头，这样更好地实现负载均衡。

作为优选的实施方案，所述步骤二的具体过程为：

设置节点能量等级差别为

其中E_max和E_min分别为节点的当前最大剩余能量和最小剩余能量，x为设定的全网节点的能量等级数量，即把全网节点的能量等级共划分为x个等级。

计算任一时刻任意节点m_i的剩余能量级别为：

其中E(m_i)表示节点m_i的当前剩余能量，符号

表示向上取整。

公式(4)表示相邻能量等级的能量差别，公式(5)表示任意节点的剩余能量级别，最终结果的表现形式为1，2，3，...。数字越大，表示剩余能量级别越高，越有可能担任中继节点。

以上设置节点能量等级，目的是为了更简便地比较能量差异，选择能力等级高的节点作为中继节点，有助于实现全网负载均衡。

以上设置节点能量等级，还为考虑其他因素建立基础。在剩余能量差异较小的情况下，即属于同一剩余能量级别的情况下，则忽略剩余能量的高低，而是考虑其他因素，由步骤四确定。由图2所示，各节点根据自身能量计算剩余能量等级。图中显示部分节点的能量等级为2，3，4。

作为优选的实施方案，所述步骤三的具体过程为：

各节点根据自身位置确定一个参考传输距离，所述参考传输距离为：

H_i＝H₀+c×d(i,BS) (6)

其中H₀为常数，即最小参考传输距离，d(i,BS)是节点m_i与基站BS之间的距离，c是一个常数，表示直线的斜率，该参考传输距离是一个线性递增函数，离基站越近，参考传输距离越小。

由公式(6)可以看出，这是一个线性递增的图像，即随着节点与基站BS的距离增大，节点的参考传输距离就越大。

步骤三设置不同的参考传输距离，是为了更好地实现负载均衡。离基站BS越远，节点需要处理的数据越少，节点需要较大的实际传输距离。反之，节点需要较小的实际传输距离。可以理解的是，步骤三设置的不同参考传输距离，只是一个参考，并不是最终的实际传输距离，但为实际传输距离的确定建立基础。最终的传输距离还需要考虑其他因素，即由步骤四来确定。由图3所示，各簇头节点的参考传输距离为箭头所示。图中显示，离基站越远的节点，参数传输距离越大，反之越小。

作为优选的实施方案，所述步骤四的具体过程为：

确定各个节点的传输距离，对于簇内普通节点，数据直接发送给簇头，在簇头节点的集合中选择一个簇头节点作为中继簇头节点，中继簇头节点的选择条件为：

其中，L_j为簇头节点m_j的剩余能量级别，S_i为离当前簇头节点的距离最接近节点m_i的参考传输距离内的簇头节点的集合；

若同等情况下，则选择离基站BS最近的簇头作为中继，即

其中，d(BS,m_j)表示簇头m_j与基站BS的距离，

公式(7)表示选择剩余能量级别最高的节点担任实际中继节点，这是为了实现负载均衡，因为中继节点需要更多剩余能量。公式(7)中的候选中继节点，还需要满足的条件如下：一是其属于离簇头节点的距离最接近节点的参考传输距离内的簇头节点的集合，二是其离基站BS的距离要小于离当前簇头节点m_i的距离，即不得将数据往远离基站的方向传输。

公式(8)表示同等情况下，选择离基站最近的簇头节点担任中继节点。这样可以建立更短的路径，以更快的速度传输数据，也更节省能量。由图4所示，部分簇头节点确定了自身的实际传输距离，即确定了其中继节点。

本发明实施例提供的电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，目的是节约数据传输的能量消耗，均衡节点的工作负载，缓解能量空洞，延长网络寿命。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、各节点根据自身位置实现负载均衡分簇；

步骤二、各节点根据自身剩余能量划分多个等级；

步骤三、各节点根据自身位置确定参考传输距离；

步骤四、各节点根据多个因素确定实际传输距离。

2.根据权利要求1所述的电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：

建立一个以基站为中心的圆形区域，作为传感器网络的分布区域，各个节点发送广播信息，汇报自身ID，节点根据自身位置竞争簇头，簇头满足的条件为：

其中N_j是节点m_j的一跳通信范围内的节点数量，E(m_j)>E^*指节点m_j的剩余能量大于簇头允许的最小剩余能量E^*，函数δ(m_i)表示

其中R₀为节点m_j的一跳通信范围的节点集合。

3.根据权利要求2所述的电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，其特征在于，当存在多个节点同时符合竞争簇头的条件时，采用如下方式选择簇头：

m_j＝argmax{E(m_i)} (3)

其中E(m_i)为节点m_i的剩余能量，即选择剩余能量最大的节点作为簇头。

4.根据权利要求1所述的电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

设置节点能量等级差别为

其中E_max和E_min分别为节点的当前最大剩余能量和最小剩余能量，x为设定的全网节点能量的等级数量；

计算任一时刻任意节点m_i的剩余能量级别为：

其中E(m_i)表示节点m_i的当前剩余能量，符号

表示向上取整。

5.根据权利要求1所述的电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：

各节点根据自身位置确定一个参考传输距离，所述参考传输距离为：

H_i＝H₀+c×d(i,BS) (6)

其中H₀为常数，即最小参考传输距离，d(i,BS)是节点m_i与基站BS之间的距离，c是一个常数，表示直线的斜率，该参考传输距离是一个线性递增函数，离基站越近，参考传输距离越小。

6.根据权利要求1所述的电力设备通信中基于负载均衡的传感器网络传输方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：

确定各个节点的传输距离，对于簇内普通节点，数据直接发送给簇头，簇头节点中作为中继的簇头节点m_j需满足：

其中，L_j为簇头节点m_j的剩余能量级别，S_i为离簇头节点的距离最接近节点m_i的参考传输距离内的簇头节点的集合；

若同等情况下，则选择离基站BS最近的簇头作为中继，即

其中,d(BS,m_j)表示簇头节点m_j与基站BS的距离。

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