CN111148160A - 一种适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力通信技术领域，公开了一种适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一、各节点根据剩余能量确定簇头候选成员；步骤二、各节点根据自身位置实现非均匀分簇；步骤三、各节点根据多个因素确定候选中继节点；步骤四、各节点根据多个因素确定实际中继节点。本发明提供一种适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，旨在降低传感器网络的能耗，实现网络负载均衡，降低网络传输时延，提高网络多方面性能。

Description

一种适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法
技术领域
本发明涉及电力通信技术领域，具体涉及一种适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法。
背景技术
现代电力通信，是物联网的重要组成部分。无线传感器网络是一种新型无线自组织网络，利用传感器节点监测环境、采集数据、信息融合等，可应用于监测电力设备的运行情况，为现代电力通信提供及时预警等具有实时性和可靠性的通信服务。
无线传感器网络的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。网络中数据从多个节点通过多条路径传输到一个基站，离基站较近的区域具有更大的通信负载，因此容易造成能量空洞现象。因此，负载均衡是无线传感网需要解决的重要问题。此外，电力监测环境需要满足数据传输的实时性，故降低传输时延也是该应用场景的重要目标。
发明内容
本发明针对现有技术不足，本发明提供一种适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，旨在节约节点能量消耗，实现网络负载均衡，降低数据传输时延，实现多目标网络性能提升。
本发明可以通过如下技术方案实现：
一种适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、各节点根据剩余能量确定簇头候选成员；
步骤二、各节点根据自身位置实现尺寸差异分簇；
步骤三、各节点根据多个因素确定候选中继节点；
步骤四、各节点根据多个因素确定实际中继节点。
优选的，所述步骤一的具体过程为：
计算各个节点的剩余能量，并计算所有节点的平均剩余能量，簇头候选节点的剩余能量满足
E(mi)>Eave(1)
其中E(mi)为节点mi的剩余能量，Eave为节点的平均剩余能量。
优选的，所述步骤二的具体过程为：
各节点根据自身位置确定一个簇的尺寸，即节点一跳通信范围，作为簇内节点的最大距离，表示为：
Ri＝R0+ε×d(i,BS) (2)
其中R0为常数，即全网最小簇的尺寸，d(i,BS)是节点mi与基站BS之间的距离，ε是一大于零的常数，表示直线的斜率。簇的尺寸是一线性递增函数，离基站越近，簇的尺寸越小。
优选的，所述步骤三的具体过程为：
对任意簇头节点，计算其他簇头节点的距离函数值ψ(mj)：
ψ(mj)＝d2(i,j)+d2(j,BS) (3)
其中d2(i,j)表示节点mi与节点mj的距离平方，d2(j,BS)表示节点mj与基站BS的距离平方。
根据以上多个簇头节点的函数值ψ(mj)，把该函数值最小的N个簇头节点作为簇头节点的候选中继节点集合Gi，其中N为设定的一个常数。
优选的，所述步骤四的具体过程为：
对任意簇头节点，在其中继候节点的候选成员集合Gi中，按照如下步骤操作：
选择剩余能量最高的簇头节点mj作为最终中继节点，即
mj＝arg max E(mj),mj∈Gi (4)
如果存在相同剩余能量的节点，再选择距离函数值ψ(mj)最小的簇头节点作为最终中继节点，即
mj＝arg minψ(mj),mj∈Gi (5)
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过节点剩余能量和位置信息选择合适的中继节点，降低传输能耗，均衡节点负载，减少传输时延，从多方面提升网络性能。
2、本发明设置一个合理的距离函数，该函数既能选择能量消耗较小的中继节点，又能兼顾选择时延较小的中继节点，能达到“事半功倍”的效果。
3、本方法采用基于节点位置进行分簇的方法，即节点密度更高的节点被选为簇头。比传统的LEACH为代表的按照概率分簇的方法更简洁，更易于实现。
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尺寸差异分簇的实例图；
图2为本发明实施例所述的各节点根据多个因素确定候选中继节点的实例图；
图3为本发明实施例所述的各节点根据多个因素确定实际中继节点的实例图；
图4为本发明实施例的适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法的流程图。
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。
实施例：本实施例提供一种适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，所述方法的流程图如图4所示，包括以下步骤：
步骤一、各节点根据剩余能量确定簇头候选成员；
步骤二、各节点根据自身位置实现尺寸差异分簇；
步骤三、各节点根据多个因素确定候选中继节点；
步骤四、各节点根据多个因素确定实际中继节点。
作为优选的实施方案，所述步骤一的具体过程为：
计算各个节点的剩余能量，并计算所有节点的平均剩余能量，簇头候选节点的剩余能量满足
E(mi)>Eave (1)
其中E(mi)为节点mi的剩余能量，Eave为节点的平均剩余能量。
公式(1)的设置，选择剩余能量较大的节点充当簇头，是为了均衡网络负载，使网络各个节点尽可能同时耗尽电池能量，延长网络生命周期。
作为优选的实施方案，所述步骤二的具体过程为：
各节点根据自身位置确定一个簇的尺寸，即节点一跳通信范围，作为簇内节点的最大距离，表示为：
Ri＝R0+ε×d(i,BS) (2)
其中R0为常数，即全网最小簇的尺寸，d(i,BS)是节点mi与基站BS之间的距离，ε是一大于零的常数，表示直线的斜率。簇的尺寸是一线性递增函数，离基站越近，簇的尺寸越小。
公式(2)的设置，构建尺寸线性递增的簇。离基站越近，簇的尺寸越小，反之越大。这样设计，是为了均衡网络负载。
离基站越近，节点需要转发的数据量越大，因此需要减少簇内通信负载，故簇的尺寸较小。相反，离基站越远，节点需要转发的数据量越小，因此需要增大簇内通信负载，故簇的尺寸较大。由图1所示，不同位置的簇大小不同，离基站越近，簇越小，反之越大。
作为优选的实施方案，所述步骤三的具体过程为：
对任意簇头节点，计算与其他簇头节点的距离函数值ψ(mj)：
ψ(mj)＝d2(i,j)+d2(j,BS) (3)
其中d2(i,j)表示节点mi与节点mj的距离平方，d2(j,BS)表示节点mj与基站BS的距离平方。
根据以上多个簇头节点的函数值ψ(mj)，把该函数值最小的N个簇头节点作为簇头节点mi的候选中继节点集合Gi，其中N为设定的一个常数。
根据公式(3)的设置，选择距离函数ψ(mj)较小的节点作为候选中继节点，出于两个目的，一是降低数据传输的能量消耗，二是减少数据传输时延。
发送数据的能量消耗与传输距离的平方成线性关系，故公式(3)的设置能减低数据发送的能量消耗。
公式(3)的设置，选择距离平方之和较小的节点作为候选中继。根据三角形余弦定理，三角形两边距离平方之和越小，这两边越接近第三边。因此，公式(3)的设置，有利于选择尽可能朝基站的方向发送数据，这样可以降低传输时延长。由图2所示，集合Gi内的中继候选节点、节点mi和基站BS很接近一条直线。这样既能保证减少数据发送的能量消耗，又能减小传输时延。
作为优选的实施方案，所述步骤四的具体过程为：
对任意簇头节点，在其中继候节点的候选成员集合Gi中，按照如下步骤操作：
选择剩余能量最高的簇头节点作为最终中继节点，即
mj＝arg max E(mj),mj∈Gi (4)
如果存在相同剩余能量的节点，再选择距离函数值ψ(mj)最小的簇头节点作为最终中继节点，即
mj＝arg minψ(mj),mj∈Gi (5)
公式(4)的设置，在候选集合中，选择剩余能量最高的簇头节点mj作为最终中继节点，有利于均衡节点负载，使各个节点尽可能同时消耗完能量，延长网络生命周期。
公式(5)的设置，如果存在相同剩余能量的节点，则选择距离函数值ψ(mj)最小的簇头节点mj作为最终中继节点，有利于选择最朝向基站的路径发送数据，可以减少传输时间，更好地满足电力通信的实时性要求。由图3所示，根据步骤四中集合Gi内候选中继节点的剩余能量或距离函数值，确定了节点的实际中继节点。
本发明提供适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，根据节点剩余能量和节点位置，构建不同大小的簇结构，选择合理的中继节点来建立路由，从而降低能量开销，均衡网络负载，减少传输时延，从多方面提升网络性能。
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 (5)

1.一种适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、各节点根据剩余能量确定簇头候选成员；
步骤二、各节点根据自身位置实现尺寸差异分簇；
步骤三、各节点根据多个因素确定候选中继节点；
步骤四、各节点根据多个因素确定实际中继节点。
2.根据权利要求1所述的适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：
计算各个节点的剩余能量，并计算所有节点的平均剩余能量，簇头候选节点的剩余能量满足：
E(mi)>Eave (1)
其中E(mi)为节点mi的剩余能量，Eave为节点的平均剩余能量。
3.根据权利要求1所述的适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：
各节点根据自身位置确定一个簇的尺寸，即节点的一跳通信范围作为簇内节点的最大距离，表示为：
Ri＝R0+ε×d(i,BS) (2)
其中R0为常数，即全网最小簇的尺寸，d(i,BS)是节点mi与基站BS之间的距离，ε是一大于零的常数，表示直线的斜率，簇的尺寸是一线性递增函数，离基站越近，簇的尺寸越小。
4.根据权利要求1所述的适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：
对任意簇头节点，计算与其他簇头节点的距离函数值ψ(mj)：
ψ(mj)＝d2(i,j)+d2(j,BS) (3)
其中d2(i,j)表示节点mi与节点mj的距离平方，d2(j,BS)表示节点mj与基站BS的距离平方。
根据以上多个簇头节点的函数值ψ(mj)，把该函数值最小的N个簇头节点作为簇头节点的候选中继节点集合Gi，其中N为设定的一个常数。
5.根据权利要求1所述的适用于电力监测环境的传感器网络多目标路由方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：
对任意簇头节点，在其中继候节点的候选成员集合Gi中，按照如下步骤操作：
选择剩余能量最高的簇头节点作为最终中继节点，即
mj＝arg max E(mj),mj∈Gi (4)
如果存在相同剩余能量的节点，再选择距离函数值ψ(mj)最小的簇头节点作为最终中继节点，即
mj＝arg minψ(mj),mj∈Gi (5)。
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