CN111556544B - 一种结合平衡路由与传输半径控制的方法和存储设备 - Google Patents
一种结合平衡路由与传输半径控制的方法和存储设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及无线传感器技术领域,特别涉及一种结合平衡路由与传输半径控制的方法和存储设备。所述一种结合平衡路由与传输半径控制的方法,包括步骤:为每个节点设置路径计数器;根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径;单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径;根据所述传输半径建立不同群集。上述方案使得层内与层间的功率均得到均匀使用,进而使得整个网络的功率利用率最大化,从而使得网络寿命得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器技术领域,特别涉及一种结合平衡路由与传输半径控制的方法和存储设备。
背景技术
在无线传感器网络(WSN)中,数据包主要以多跳路由方式传输,传输方法很容易导致接收器连接区域(SCA)中出现热点问题(即SCA内节点功率消耗速率较高问题)。此外WSN的传输路径通常是根据几个重要因素确定的,例如剩余能量、到基站的距离以及节点的局部密度。目前很多方法尽管考虑了能量平衡以基于多个因素的变化来更新路由路径,但是这些综合方法可以归类为后期补救方法。如何进行早期干预,使得SCA出现热点问题,并使得该区域中节点的电池电量快速耗尽,导致整体网络效率低成了一个亟需解决的问题。
发明内容
为此,需要提供一种结合平衡路由与传输半径控制的方法,用以解决现有技术中:在WSN中,因为现有数据包传送方式导致SCA出现热点问题,使得该区域中节点的电池电量快速耗尽,导致整体网络效率低、网络寿命短等问题。具体技术方案如下:
一种结合平衡路由与传输半径控制的方法,包括步骤:为每个节点设置路径计数器;根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径;单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径;根据所述传输半径建立不同群集。
进一步的,所述“根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径”,还包括步骤:遍历同层节点,选择路径计数器值最小的节点作为中间转发节点,并增加被选为新的中间转发节点的路径计数器值。
进一步的,所述“单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径”,还包括步骤:假设每个节点的所需传输功率Pk与传输半径rk的平方比成比例,并且路径转发次数的总数为Fk,在每个数据周期中,Fk是转发数据包,数据包大小和不均匀群集的节点密度分布的函数;传输半径与各层路径转发次数的比值可以简单地确定为
其中r1代表最内传输半径,rn代表最外传输半径,F1代表最内层的转发分组的总数,Fn代表最外层的转发分组的总数。
进一步的,所述“根据所述传输半径建立不同群集”,还包括步骤:以节点为圆心,所述传输半径为半径建立群集。
进一步的,群集中节点等概率轮流作为群集头。
为解决上述技术问题,还提供了一种存储设备,具体技术方案如下:
一种存储设备,其中存储有指令集,所述指令集用于执行:为每个节点设置路径计数器;根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径;单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径;根据所述传输半径建立不同群集。
进一步的,所述指令集还用于执行:所述“根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径”,还包括步骤:遍历同层节点,选择路径计数器值最小的节点作为中间转发节点,并增加被选为新的中间转发节点的路径计数器值。
进一步的,所述指令集还用于执行:所述“单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径”,还包括步骤:假设每个节点的所需传输功率Pk与传输半径rk的平方比成比例,并且路径转发次数的总数为Fk,在每个数据周期中,Fk是转发数据包,数据包大小和不均匀群集的节点密度分布的函数;传输半径与各层路径转发次数的比值可以简单地确定为
其中r1代表最内传输半径,rn代表最外传输半径,F1代表最内层的转发分组的总数,Fn代表最外层的转发分组的总数。
进一步的,所述指令集还用于执行:所述“根据所述传输半径建立不同群集”,还包括步骤:以节点为圆心,所述传输半径为半径建立群集。
进一步的,所述指令集还用于执行:群集中节点等概率轮流作为群集头。
本发明的有益效果是:通过为每个节点设置路径计数器;根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径;可以实现每个层内能量平衡方面的负载公平性。在网络初始阶段就平衡路由,拓扑不会经常变化,可避免在后续操作阶段增加额外的通信开销。这点特别适合于实际应用,因为它最初生成路由路径,而无需频繁更新路由路径,尤其是对于能量平衡网络。此外,在单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径;根据所述传输半径建立不同群集。在群集内每个节点轮流作为群集头来按规定路径转发数据,使得群集内的节点电源量可被最大化利用,大大提高电源利用率。上述方案使得层内与层间的功率均得到均匀使用,进而使得整个网络的功率利用率最大化,从而使得网络寿命得到提升。
附图说明
图1为具体实施方式所述3-Corona网状网络示意图;
图2为具体实施方式所述各节点的封包转发使用频率示意图;
图3为具体实施方式所述k-电晕模型示意图;
图4为具体实施方式所述一种结合平衡路由与传输半径控制的方法的流程图;
图5为具体实施方式所述一种存储设备的模块示意图。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果,以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1至图4,在本实施方式中,一种结合平衡路由与传输半径控制的方法可应用在一种存储设备上,所述存储设备包括但不限于:个人计算机、服务器、通用计算机、专用计算机、网络设备、嵌入式设备、可编程设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等。其具体实现如下:
如图1所示其显示了一个典型的3-Corona网状网络示例,其中节点1是基站接收器,其他21个节点均匀分布在接收器周围的三层中,而SCA中的热点是节点2、3和4。假设所有节点都使用Dijkstra算法计算到基站的最短路径。通常,常规的Dijkstra算法可以平衡从所有源节点到所有目标节点的路由路径,而不是到WSN网络的一个特定目标的路由路径。针对拓扑计算到sink的最短路径的结果,并且生成的路径将具有通过节点2的最多转发路径,最短路径的各節点封包通過數量如图2所示。
从图2的曲线可以看出,热点2、3和4上的转发路径数量非常不均匀,其中节点2转发15次,节点3转发5次,节点4仅转发1次。假设所有节点都以相同的速率传输数据包,则可以直观地计算出节点2将比其他热点节点更快地消耗电池电量,从而导致其他通过节点2使用转发路径的14个节点无法将数据包传输到接收器。节点2上的此故障将导致网络无法正常运行,并且其他节点的电池电量无法得到最佳利用。
在本实施方式中,一种结合平衡路由与传输半径控制的方法是基于如图3所示的k-Corona模型。如图4所示,在本实施方式中,一种结合平衡路由与传输半径控制的方法的实施步骤如下:
步骤S401:为每个节点设置路径计数器。
步骤S402:根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径。
步骤S403:单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径。
步骤S404:根据所述传输半径建立不同群集。
其中步骤S402可采用如下方式:遍历同层节点,选择路径计数器值最小的节点作为中间转发节点,并增加被选为新的中间转发节点的路径计数器值。具体可如下:假设同层节点中A、B、C,其中A路径计数器值为2,B路径计数器值为3,C路径计数器值为4,则此时选择节点A作为中间转发节点,同时A的路径计数器值变为3。
重复上述过程,直至为每个节点生成到目标节点的最短路径,并为WSN生成平衡路由为止。借助于每个节点中的路径计数器,可以实现每个层内能量平衡方面的负载公平性。通过网络初始化阶段中平衡路由的功能,拓扑不会经常变化,以免在后续操作阶段增加额外的通信开销。这特别适合于实际应用,因为它最初生成路由路径,而无需频繁更新路由路径,尤其是对于能量平衡网络。
在其它实施方式中,若同层的每个节点的路径计数器值均相同,则可选择节点编号最小的作为转发节点或选任意节点作为转发节点,不做具体限制。
在本实施方式中,如图2中Balancedroutingprotocol那条曲线所示,SCA中CH2、3和4的转发路径被路由相同的次数,表示相同的功耗。另外,每一层中节点的转发路径数相同。可以看出,平衡策略可以有效地解决层内路径不均匀的问题,并平衡每一层的功耗。从功耗的角度来看,CH2中的转发路径数量也从原来的15条减少到7条,因此具有平衡路由的第一个死节点的功耗比传统网络更适中。
进一步的,其中步骤S403还包括步骤:
假设每个节点的所需传输功率Pk与传输半径rk的平方比成比例,并且路径转发次数的总数为Fk,在每个数据周期中,Fk是转发数据包,数据包大小和不均匀群集的节点密度分布的函数;传输半径与各层路径转发次数的比值可以简单地确定为
其中r1代表最内传输半径,rn代表最外传输半径,F1代表最内层的转发分组的总数,Fn代表最外层的转发分组的总数。
上述等式(1)即可用于通过调整每个群集的传输功率来处理WSN的均匀和不均匀的节点分布。
进一步的,所述“根据所述传输半径建立不同群集”,还包括步骤:以节点为圆心,所述传输半径为半径建立群集。
进一步的,群集中节点等概率轮流作为群集头。
在网络初始化期间,可以在早期计算平衡的路由路径和群集大小。在确定路由路径和群集大小之后,可以将路由路径,群集头以及群集中的关联成员分配到每个相应的节点。然后,每个群集头都可以与相关成员一起形成其群集。为了在群集内实现均匀的电源利用率,每个群集轮流选择一个具有最大剩余电池容量的节点,在接下来的操作周期中用作群集头。在操作阶段,每个CH可以以分布式方式维护路由路径。预先配置的部署可以在网络初始化阶段通过平衡的路径和最佳的网络配置来实现电源效率和利用率目标。
通过为每个节点设置路径计数器;根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径;可以实现每个层内能量平衡方面的负载公平性。在网络初始阶段就平衡路由,拓扑不会经常变化,可避免在后续操作阶段增加额外的通信开销。这点特别适合于实际应用,因为它最初生成路由路径,而无需频繁更新路由路径,尤其是对于能量平衡网络。此外,在单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径;根据所述传输半径建立不同群集。在群集内每个节点轮流作为群集头来按规定路径转发数据,使得群集内的节点电源量可被最大化利用,大大提高电源利用率。上述方案使得层内与层间的功率均得到均匀使用,进而使得整个网络的功率利用率最大化,从而使得网络寿命得到提升。
请参阅图5,在本实施方式中,一种存储设备500的具体实施方式如下:
一种存储设备500,其中存储有指令集,所述指令集用于执行:为每个节点设置路径计数器;根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径;单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径;根据所述传输半径建立不同群集。
进一步的,所述指令集还用于执行:所述“根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径”,还包括步骤:遍历同层节点,选择路径计数器值最小的节点作为中间转发节点,并增加被选为新的中间转发节点的路径计数器值。
进一步的,所述指令集还用于执行:所述“单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径”,还包括步骤:假设每个节点的所需传输功率Pk与传输半径rk的平方比成比例,并且路径转发次数的总数为Fk,在每个数据周期中,Fk是转发数据包,数据包大小和不均匀群集的节点密度分布的函数;传输半径与各层路径转发次数的比值可以简单地确定为
其中r1代表最内传输半径,rn代表最外传输半径,F1代表最内层的转发分组的总数,Fn代表最外层的转发分组的总数。
进一步的,所述指令集还用于执行:所述“根据所述传输半径建立不同群集”,还包括步骤:以节点为圆心,所述传输半径为半径建立群集。
进一步的,所述指令集还用于执行:群集中节点等概率轮流作为群集头。
在网络初始化期间,可以在早期计算平衡的路由路径和群集大小。在确定路由路径和群集大小之后,可以将路由路径,群集头以及群集中的关联成员分配到每个相应的节点。然后,每个群集头都可以与相关成员一起形成其群集。为了在群集内实现均匀的电源利用率,每个群集轮流选择一个具有最大剩余电池容量的节点,在接下来的操作周期中用作群集头。在操作阶段,每个CH可以以分布式方式维护路由路径。预先配置的部署可以在网络初始化阶段通过平衡的路径和最佳的网络配置来实现电源效率和利用率目标。
通过存储设备500中的指令集执行以下操作:为每个节点设置路径计数器;根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径;可以实现每个层内能量平衡方面的负载公平性。在网络初始阶段就平衡路由,拓扑不会经常变化,可避免在后续操作阶段增加额外的通信开销。这点特别适合于实际应用,因为它最初生成路由路径,而无需频繁更新路由路径,尤其是对于能量平衡网络。此外,在单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径;根据所述传输半径建立不同群集。在群集内每个节点轮流作为群集头来按规定路径转发数据,使得群集内的节点电源量可被最大化利用,大大提高电源利用率。上述方案使得层内与层间的功率均得到均匀使用,进而使得整个网络的功率利用率最大化,从而使得网络寿命得到提升。
需要说明的是,尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述,但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此,基于本发明的创新理念,对本文所述实施例进行的变更和修改,或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域,均包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (6)
1.一种结合平衡路由与传输半径控制的方法,其特征在于,包括步骤:
为每个节点设置路径计数器;
根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径;
单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径;
根据所述传输半径建立不同群集;
所述“根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径”,还包括步骤:
遍历同层节点,选择路径计数器值最小的节点作为中间转发节点,并增加被选为新的中间转发节点的路径计数器值;
所述“单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径”,还包括步骤:
假设每个节点的所需传输功率Pk与传输半径rk的平方比成比例,并且路径转发次数的总数为Fk,在每个数据周期中,Fk是转发数据包、数据包大小和不均匀群集的节点密度分布的函数;传输半径与各层路径转发次数的比值可以简单地确定为
由上式(1)得
其中,r1+r2+…+rn=nr (3)
由(2)和(3)得
计算出r1的数值之后,便可依比例计算出其他层的半径;
其中n为层数,r为未被调整前的网络传输半径,k的取值范围为1到n,其中r1代表最内传输半径,rn代表最外传输半径,F1代表最内层的转发次数的总数,Fn代表最外层的转发次数的总数。
2.根据权利要求1所述的一种结合平衡路由与传输半径控制的方法,其特征在于,
所述“根据所述传输半径建立不同群集”,还包括步骤:
以节点为圆心,所述传输半径为半径建立群集。
3.根据权利要求1所述的一种结合平衡路由与传输半径控制的方法,其特征在于,还包括步骤:
群集中节点等概率轮流作为群集头。
4.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述程序用于执行:为每个节点设置路径计数器;
根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径;
单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径;
根据所述传输半径建立不同群集;
所述“根据所述路径计数器值大小为每个节点生成最短路径”,还包括步骤:
遍历同层节点,选择路径计数器值最小的节点作为中间转发节点,并增加被选为新的中间转发节点的路径计数器值;
所述“单位周期内,以各节点的转发封包总量计算该节点相对应的传输半径”,还包括步骤:
假设每个节点的所需传输功率Pk与传输半径rk的平方比成比例,并且路径转发次数的总数为Fk,在每个数据周期中,Fk是转发数据包、数据包大小和不均匀群集的节点密度分布的函数;传输半径与各层路径转发次数的比值可以简单地确定为
由上式(1)得
其中,r1+r2+…+rn=nr (3)
由(2)和(3)得
计算出r1的数值之后,便可依比例计算出其他层的半径;
其中n为层数,r为未被调整前的网络传输半径,k的取值范围为1到n,其中r1代表最内传输半径,rn代表最外传输半径,F1代表最内层的转发次数的总数,Fn代表最外层的转发次数的总数。
5.根据权利要求4所述的一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述程序还用于执行:
所述“根据所述传输半径建立不同群集”,还包括步骤:
以节点为圆心,所述传输半径为半径建立群集。
6.根据权利要求4所述的一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述程序还用于执行:
群集中节点等概率轮流作为群集头。
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