CN111836282B - 一种三维wsn节点调度方法及存储介质 - Google Patents

一种三维wsn节点调度方法及存储介质 Download PDF

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Abstract

一种三维WSN节点调度方法及存储介质，三维WSN节点调度方法包括以下步骤：将三维WSN中的所有传感器节点划分为N个传感器区域；逐个计算每一传感器区域的当前覆盖率并与预设的目标覆盖率进行比较，将当前覆盖率大于等于目标覆盖率的传感器区域的CM值设置为1，反之CM值设置为0；对CM值为0的传感器区域，依次唤醒该传感器区域的邻居节点中权值由低到高的处于休眠状态的邻居节点，直至该传感器区域的CM值为1；对CM值为1的所有传感器区域，依次从权值由高到低的传感器节点进行冗余判断，将冗余节点休眠。本发明实施例通过划分传感器区域，简化了控制过程；通过对部分传感器节点进行激活和休眠，实现了满足需求的同时延长使用寿命的目的。

Description

一种三维WSN节点调度方法及存储介质
技术领域
本发明属于无线传感网络领域，具体涉及一种三维WSN节点调度方法及存储介质。
背景技术
无线传感器网络(WSN)由大量传感器节点组成，可以广泛的被应用到人们想要用到的地方，但是这种采用电池供电的传感器节点一般被随机的散布在复杂的地理环境中，而这些大量部署的传感器节点一般由电池供电，预计一般工作几个月就会没电，所以要想给这些传感节点更换电池或者充电就变得几乎是不可能完成的任务。节点能量与有效使用时间有着密切的联系，由于传感器节点的休眠能耗与工作能耗相比几乎可以忽略不计，在不需要密集监测的区域，若所有节点都处于工作状态，会造成节点能量巨大浪费，加快节点的失效，失效节点会导致网络失效，使得网络寿命缩短。失效节点处还可能会出现覆盖漏洞，降低覆盖质量，而在需要密集监测的区域，若处于工作状态的节点数量不能满足监测需求，同样会导致覆盖质量的降低。
无线传感网络的覆盖质量与生命时长是一个矛盾体，譬如为了达到对网络更好的覆盖质量甚至是完全覆盖就会导致大量的传感节点同时处于活跃状态，这样大部分的节点因长时间的监测就会过早死亡，使得网络的寿命降低。同样如果仅仅为了延长传感网络的监测时长就会想办法让尽可能多的节点进入休眠状态，但是这样就会导致网络的覆盖质量大大降低。因此，如何延长网络寿命同时保证网络质量的目的，成为目前亟待解决的问题。
术语：邻居节点：当一个传感器节点存在邻居节点时，则传感器节点自身与邻居节点之间的感应区域的重叠将导致重叠区域的覆盖率受到邻居节点的影响。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种三维WSN节点调度方法，所述三维WSN节点调度方法的步骤简单，解决了难以在延长网络寿命同时又保证网络质量问题。本发明还提出了一种计算机可读存储介质。
根据本发明第一方面实施例的三维WSN节点调度方法，包括以下步骤：将三维WSN中的所有传感器节点划分为N个传感器区域；逐个计算每一所述传感器区域的当前覆盖率并与预设的目标覆盖率进行比较，将当前覆盖率大于等于预设的目标覆盖率的传感器区域的CM值设置为1，反之CM值设置为0；对所述CM值为0的所述传感器区域，依次唤醒该传感器区域的邻居节点中权值由低到高的处于休眠状态的邻居节点，直至该传感器区域的所述CM值为1；对所述CM值为1的所有传感器区域，依次从权值由高到低的所述传感器节点进行冗余判断，将所述三维WSN中的冗余节点休眠。
根据本发明实施例的三维WSN节点调度方法，至少具有如下技术效果：通过将三维WSN中的所有传感器节点划分为N个传感器区域，将原本整个三维WSN中所有的传感器节点同时参与的控制过程，分解成为了N个分开进行的步骤，简化了控制过程；进而通过赋予CM值的方式对每个传感器区域的当前覆盖率进行阈值化处理，又降低了后续判断过程的计算难度；最后，依据传感器节点的权值大小对三维 WSN中的传感器节点进行激活和休眠，使三维WSN既能满足所需要的目标覆盖率又能够尽可能的是更多的传感器节点处于休眠状态，从而达到降低功耗延长使用寿命的目的。
根据本发明的一些实施例，每个所述传感器区域中包括一个所述传感器节点，N个所述传感器节点依据Voronoi划分所述N个传感器区域，每个所述传感器区域皆包括多个顶点。
根据本发明的一些实施例，每个所述传感器区域的覆盖率约束公式为：
Coverage(Ni)＝Mcover_i/Mi
其中Mi为所述传感器区域的顶点个数，Mcover_i为被覆盖的顶点个数。
根据本发明的一些实施例，当满足下列至少一个条件时所述顶点被判断为覆盖：
当所述顶点到该传感器区域的传感器节点的距离小于该传感器节点的感知半径；
当顶点到邻居节点的距离小于邻居节点的感知半径，并且邻居节点到该传感器区域的传感器节点的距离小于该传感器节点的感知半径。
根据本发明的一些实施例，所述冗余判断的依据为：对CM值设置为1的所述传感器区域，如果将该传感器区域内的传感器节点关闭，该传感器区域的CM值仍然为1，则该传感器节点可以休眠，该传感器节点为冗余节点。
根据本发明的一些实施例，根据所述传感器区域中的传感器节点的能量的高低与邻居节点数的多少确定所述传感器节点的权值，能量越少且邻居节点数越多的权值越高。
根据本发明的一些实施例，所述权值的计算关系式为：
Figure BDA0002557633430000041
其中，H(Ni)表示传感器节点Ni的权值，M(Ni)为传感器节点Ni的邻居节点各数，M为传感器区域中的传感器节点的总数，Es是传感器节点当前的剩余能量，E0是传感器节点具有的初始能量，Eavg代表传感器区域内的所有传感器节点平均能量，x,y,z互相成比例关系。
根据本发明的一些实施例，上述三维WSN节点调度方法还包括：将离三维WSN的中心节点近的一半节点划分为内层节点，将离三维 WSN的中心节点远的一半节点划分为外层节点，内层节点的目标覆盖率小于外层节点的目标覆盖率。
根据本发明的一些实施例，上述三维WSN节点调度方法还包括：选取汇聚权值最大的传感器节点为汇聚节点；在所述汇聚节点在能量低于预设的最低汇聚能量界限时，会选取新的传感器节点作为新的汇聚节点。
根据本发明第二方面实施例的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行上述任一项的一种三维WSN节点调度方法。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，至少具有如下技术效果：通过存储介质可以便于计算机可执行指令的存储和转移，便于在后续更便捷的使用上述的三维WSN节点调度方法。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
图1是本发明第一方面实施例的传感器节点调度流程简图；
图2是本发明第一方面实施例的传感器区域的顶点覆盖示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二、第三、第四等等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
下面参考图1至图2描述根据本发明第一方面实施例的三维WSN 节点调度方法。
根据本发明实施例的三维WSN节点调度方法，包括以下步骤：将三维WSN中的所有传感器节点划分为N个传感器区域；逐个计算每一传感器区域的当前覆盖率并与预设的目标覆盖率进行比较，将当前覆盖率大于等于预设的目标覆盖率的传感器区域的CM值设置为1，反之CM值设置为0；对CM值为0的传感器区域，依次唤醒该传感器区域的邻居节点中权值由低到高的处于休眠状态的邻居节点，直至该传感器区域的CM值为1；对CM值为1的所有传感器区域，依次从权值由高到低的传感器节点进行冗余判断，将三维WSN中的冗余节点休眠。
该领域人员应该知晓，传感器节点通常包括活动状态、休眠状态。活动状态：传感器节点处于工作状态，并且可以感知目标区域内的事件。休眠状态：传感器节点关闭不必要的功能，以节省能源。
参考图1，先将三维WSN划分为N个传感器区域，然后对单个的传感器区域内的传感器节点进行调度。在对传感器区域中的传感器节点进行调度前，需要设定一个目标覆盖率，即保证传感器区域能够满足一定的覆盖需求。之后需要计算每个传感器区域的当前覆盖率并将每个传感器区域的当前覆盖率与目标覆盖率进行比较，如果达到了，则可以将该传感器区域的CM值设置为1，反之，设置为0； CM(CoverageMark，覆盖范围标记)值的引入，是便于对每个传感器区域的覆盖结果进行阈值化处理，便于后续的判断和运算。
对传感器区域中传感器节点和其邻居节点的唤醒和休眠的主要依据是CM值，唤醒或休眠的顺序是依据传感器节点的权值大小进行排序。对于CM值为0的传感器区域，需要从权值最低的邻居节点进行唤醒，唤醒之后的邻居节点处于活动状态，每唤醒一个邻居节点都需要判断CM值是否已经变为了1，如果已经变为1，则可以停止唤醒。对于CM值为1的传感器区域，需要从三维WSN中权值最高的传感器区域的传感器节点进行冗余判断，预先计算该传感器节点关闭后会不会影响该传感器区域的CM值，如果CM值保持为1，则可以使该传感器节点进入休眠，然后一直持续进行上述操作，直到整个三维WSN中的CM值为1的传感器区域皆完成上述过程。
在本发明的一些实施例中，上述的调度方法通常会每隔一定时间会循环进行，使长期处于活动状态的传感器节点在其能量降低时能够进行轮换，换做其他处于休眠状态但能量充足的传感器节点，换完之后可以通过唤醒或休眠操作使传感器区域保持足够的覆盖率。通过这种方式可以进一步的提高整个三维WSN使用寿命。
在本发明的一些实施例中，传感器节点初始化时，会将传感器节点的状态调成活动状态，然后对其中一部分传感器节点进行休眠进行处理。这样可以降低初始化的复杂程度。
根据本发明实施例的三维WSN节点调度方法，通过将三维WSN 中的所有传感器节点划分为N个传感器区域，将原本整个三维WSN 中所有的传感器节点同时参与的控制过程，分解成为了N个分开进行的步骤，简化了控制过程；进而通过赋予CM值的方式对每个传感器区域的当前覆盖率进行阈值化处理，又降低了后续判断过程的计算难度；最后，依据传感器节点的权值大小对三维WSN中的传感器节点进行激活和休眠，使三维WSN既能满足所需要的目标覆盖率又能够尽可能的是更多的传感器节点处于休眠状态，从而达到降低功耗延长使用寿命的目的。
在本发明的一些实施例中，为了便于进行理解，进行了一些假设：
传感器网络中的每个节点都采用相同的概率模型，即所有传感器节点具有相同的感知半径rs和通信半径rc，rs不小于rc，以确保网络配置的连通性。
传感器节点能量足以支持节点调度过程。
每个传感器节点都可以获得其位置和感应方向的信息，并且该方向是可操纵的。假设在三维有节球形目标区域中，随机部署的传感器节点的位置都满足均匀分布模型的形式，并且任意两个传感器节点不在同一位置。
本发明的一些实施例是基于单个Sink节点的三维WSN模型，大量节点随机分布在给定的三维球形目标区域中，其中网络中传感器节点的个数为N,网络半径为R，接收器Sink节点位于圆心，每个传感器节点发送的数据包大小相同。Sink节点可理解为中心节点。
在本发明的一些实施例中，传感器节点采用的能量消耗模型包括两部分：发送能量消耗模型和接收能量消耗模型。发送能量消耗模型也包括两部分：驱动电路能耗和发送能耗。接收能量消耗模型仅包括接收能耗部分。根据发送能量消耗模型和接收能量消耗模型的定义，很显然，同一模型中发送能量消耗要大于接收能量消耗。假定Et为发送数据能量消耗，Er为接收数据的能量消耗，则传感器节点能量消耗模型可用如下数学公式表示：
Et＝Eelec*∈t+ε*∈t*dn
Er＝Eelec*∈r
其中，驱动电路的能耗Eelec和发送能耗系数ε是常数，由环境因素决定；d是传感器节点双方通信的距离。传感器节点能量消耗与数据收发量成正比关系，其与传感器节点间的通信距离成指数关系。如果通信距离d和数据收发量∈t越大，则传感器节点消耗的能量就越多，这也符合实际应用情况。
在本发明的一些实施例中，每个传感器区域中包括一个传感器节点，N个传感器节点依据Voronoi划分N个传感器区域，每个传感器区域皆包括多个顶点。依据Voronoi进行划分可以使每个传感器区域具有唯一性，更加便于算法执行。
下面简述一下在本发明的一些实施例中，Voronoi划分的原则。
假设在三维WSN空间中有一个传感器节点集合Ni(xi,yi,zi),i＝ 1,2,…,N，可理解为带标记的传感器节点；则传感器节点Ni所在的传感器区域V(Ni)中的任意一点(x,y,z)到节点Ni的距离都比给定传感器节点集合中的任何其他节点近。假设N个传感器节点N1,N2,…,Nn随机分布在目标区域中，可以将三维WSN划分为N个有界的凸多面体 V(N1),V(N2),…,V(Nn)，即N个传感器区域，每个凸多面体只包含一个传感器节点Ni。
在本发明的一些实施例中，每个传感器区域V(Ni)都有Mi个的顶点，当有Mcover_i个的顶点被覆盖，此时传感器区域V(Ni)的当前覆盖率为：
Coverage(Ni)＝Mcover_i/Mi
通过这种方式，只需要判断每个传感器区域有几个顶点被覆盖，可以快速简单的判断出这个传感器区域V(Ni)的当前覆盖率是否已经达到了目标覆盖率。
在本发明的一些实施例中，当满足下列至少一个条件时所述顶点被判断为覆盖：
当所述顶点到该传感器区域的传感器节点的距离小于该传感器节点的感知半径rs；
当顶点到邻居节点的距离小于邻居节点的感知半径rs，并且邻居节点到该传感器区域的传感器节点的距离小于该传感器节点的感知半径rs。
参考图2，以传感器节点Ni所在的传感器区域V(Ni)为例，对于传感器区域V(Ni)的任一顶点Mi(j)，判断是否被覆盖的方式很简单，如果直接被该传感器区域自身的传感器节点Ni覆盖，那么即可直接判断出该顶点Mi(j)已被覆盖；如果顶点Mi(j)不能被自身的传感器节点，则需要进一步判断是否被邻居节点覆盖，当传感器节点Ni与邻居节点的距离小于感知半径rs，并且顶点Mi(j)与邻居节点的距离也小于感知半径rs时，即可同样判定顶点Mi(j)被覆盖。
在本发明的一些实施例中，对三维WSN整体的覆盖率计算则可以通过对每个传感器区域的覆盖计算之后求平均值得出，即：
Figure BDA0002557633430000101
在本发明的一些实施例中，冗余判断的依据为：对CM值设置为 1的传感器区域，如果将该传感器区域内的传感器节点关闭，该传感器区域的CM值仍然为1，则该传感器节点可以休眠，该传感器节点为冗余节点。找到冗余节点并使其休眠，可以有效的减少能量的浪费，延长WSN的使用寿命。
在本发明的一些实施例中，对CM值设置为1的传感器区域，如果将该传感器区域内的传感器节点关闭，该传感器区域的CM值仍然为变为0，则此时需要查看是否存在权值比自身高且处于休眠状态的邻居节点，如果唤醒邻居节点并且关闭当前传感器区域的传感器节点，能够满足自身区域和邻居节点区域的覆盖率，那么可以将邻居节点唤醒，关闭当前传感器节点。
在本发明的一些实施例中，根据传感器区域中的传感器节点的能量的高低与邻居节点数的多少确定传感器节点的权值，能量越少且邻居节点数越多的权值越高。不难理解，邻居节点多的传感器节点容易被众多邻居节点感知范围覆盖，使其处于休眠状态时，并不会影响整个传感器区域的感知，不会出现感知空洞。同时，能量少的也需要多进行休眠，避免过早出现感知空洞。
在本发明的一些实施例中，权值的计算关系式为：
Figure BDA0002557633430000111
其中，H(Ni)表示传感器节点Ni的权值，M(Ni)为传感器节点Ni的邻居节点各数，M为传感器区域中的传感器节点的总数，Es是传感器节点当前的剩余能量，E0是传感器节点具有的初始能量，Eavg代表传感器区域内的所有传感器节点平均能量，x,y,z互相成比例关系。可以取x＝0.1,y＝0.2,z＝0.6，容易看出，传感器节点剩余能量越少、邻居节点数越多，节点的权值越高，这样可以优先让剩余能量较少且邻居节点数较多的传感器节点进行冗余判断。优先让能量少的节点进行冗余判别，可以有效防止出现节点过早死亡造成空洞的现象。
在本发明的一些实施例中，上述三维WSN节点调度方法还包括：将离三维WSN的中心节点近的一半节点划分为内层节点，将离三维WSN的中心节点远的一半节点划分为外层节点，内层节点的目标覆盖率小于外层节点的目标覆盖率。由于数据传输是从外层节点往内层节点传输的，所以内层节点接收转发的数据量比外层节点多；又根据网络能量消耗分析可知，三维WSN中外层节点消耗少，内层节点消耗大；可以让外层节点尽可能处于工作状态，以达到充分利用节点能量，提高监测性能的目的。目标覆盖率的选取：如果要求总体覆盖率
Figure BDA0002557633430000121
则内层节点的目标覆盖率可以设定为
Figure BDA0002557633430000122
外层节点的目标覆盖率可以设定为
Figure BDA0002557633430000123
同时三维WSN整体的覆盖率仍然为
Figure BDA0002557633430000124
在本发明的一些实施例中，上述三维WSN节点调度方法还包括：选取汇聚权值最大的传感器节点为汇聚节点；在所述汇聚节点在能量低于预设的最低汇聚能量界限时，会选取新的传感器节点作为新的汇聚节点。
下面简单叙述一下汇聚节点的选择。
基于Voronoi划分，对于三维WSN的外层节点：N1,N2,…,Nm，使用下列公式对外层节点N1,N2,…,Nm进行比对，选择C(Ni)较小的节点作为汇聚节点。
Figure BDA0002557633430000125
公式中C(Ni)为选取汇聚节点的权值，D(Ni,sink)是传感器节点距离基站距离，Es代表传感器节点剩余能量，Eavg代表所在V(Si)区域内传感器节点平均能量，a、b为比例系数。由公式可知，节点距离基站越近，剩余能量大，越有可能成为汇聚节点。
在上述步骤完成之后，会进入数据的传输和融合阶段。普通的传感器节点数据包发送到各自对应的汇聚节点，汇聚节点则需要对收到的来自各节点的信息进行数据融合，减少数据冗余，之后把对整合好的数据发送到基站。
在本发明的一些实施例中，由于汇聚节点长期处于活跃状态，处理冗余信息以及转发数据的过程中，能量消耗大，需要在一定的时段以后，选取新的汇聚节点。因此上述三维WSN节点调度方法包括：传感器区域内的作为汇聚节点的传感器节点在能量接近预设的最低汇聚能量界限时会选取新的传感器节点作为新的汇聚节点。最低汇聚能量界限会根据实际的WSN网络的不同而调整。
根据本发明第二方面实施例的计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行上述的三维WSN节点调度方法。通过存储介质可以便于计算机可执行指令的存储和转移，便于在后续更便捷的使用上述的三维WSN节点调度方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上述结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种三维WSN节点调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
将三维WSN中的所有传感器节点划分为N个传感器区域；每个所述传感器区域中包括一个所述传感器节点，N个所述传感器节点依据Voronoi划分所述N个传感器区域，每个所述传感器区域皆包括多个顶点；
逐个计算每一所述传感器区域的当前覆盖率并与预设的目标覆盖率进行比较，将当前覆盖率大于等于预设的目标覆盖率的传感器区域的CM值设置为1，反之CM值设置为0；
根据所述传感器区域中的传感器节点的能量的高低与邻居节点数的多少确定所述传感器节点的权值，能量越少且邻居节点数越多的权值越高；
对所述CM值为0的所述传感器区域，依次唤醒该传感器区域的邻居节点中权值由低到高的处于休眠状态的邻居节点，直至该传感器区域的所述CM值为1；
对所述CM值为1的所有传感器区域，依次从权值由高到低的所述传感器节点进行冗余判断，将所述三维WSN中的冗余节点休眠；
其中，每个所述传感器区域的覆盖率约束公式为：
Coverage(Ni)＝Mcover_i/Mi
其中Mi为所述传感器区域的顶点个数，Mcover_i为被覆盖的顶点个数,Ni表示任一所述传感器节点；
所述三维WSN节点调度方法，还包括以下步骤：
选取权值最大的传感器节点为汇聚节点；
在所述汇聚节点在能量低于预设的最低汇聚能量界限时，会选取新的传感器节点作为新的汇聚节点。
2.根据权利要求1所述的三维WSN节点调度方法，其特征在于，当满足下列至少一个条件时所述顶点被判断为覆盖：
当所述顶点到该传感器区域的传感器节点的距离小于该传感器节点的感知半径；
当顶点到邻居节点的距离小于邻居节点的感知半径，并且邻居节点到该传感器区域的传感器节点的距离小于该传感器节点的感知半径。
3.根据权利要求1或2所述的三维WSN节点调度方法，其特征在于，所述冗余判断的依据为：
对CM值设置为1的所述传感器区域，如果将该传感器区域内的传感器节点关闭，该传感器区域的CM值仍然为1，则该传感器节点可以休眠，该传感器节点为冗余节点。
4.根据权利要求1所述的三维WSN节点调度方法，其特征在于，所述权值的计算关系式为：
Figure FDA0003481894980000021
其中，H(Ni)表示传感器节点Ni的权值，M(Ni)为传感器节点Ni的邻居节点各数，M为传感器区域中的传感器节点的总数，Es是传感器节点当前的剩余能量，E0是传感器节点具有的初始能量，Eavg代表传感器区域内的所有传感器节点平均能量，x,y,z互相成比例关系。
5.根据权利要求1所述的三维WSN节点调度方法，其特征在于，还包括：
将离三维WSN的中心节点近的一半节点划分为内层节点，将离三维WSN的中心节点远的一半节点划分为外层节点，内层节点的目标覆盖率小于外层节点的目标覆盖率。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至5任一项所述的一种三维WSN节点调度方法。
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