CN112291829A - 一种面向区块链应用的无线传感器网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，包含信息交互子系统和能量补充子系统，其中，信息交互子系统中各节点通过分层路由方法实现信息交互；能量补充子系统通过异序补能方法实现能量补充，本发明在传统的无线传感器网络中高效快速的引入区块链应用，同步节点在网络中执行传统区块链节点的任务，整个网络在引入区块链应用的同时对原有传感器设备无过多改造需求，辅以与之匹配的路由方法和补能方法保证系统稳定运行，极大程度的降低了传统电力通信网引入区块链应用的难度，加速了电力物联网建设进程。

Description

一种面向区块链应用的无线传感器网络系统

技术领域

本发明涉及及通信技术领域，具体涉及一种面向区块链应用的无线传感器网络系统。

背景技术

电力物联网因其强大的感知互联能力已经成为智能电网建设的必由之路，其中区块链技术凭借主体对等、不可篡改和多点共识等特性，成为物联网的建设关键环节：多中心属性可降低传统架构运维中心的高额运维成本，多点共识有助于识别非法节点，依托基于哈希算法的链式区块结构有助于构建可信电子存证，助益电力物联网稳定可靠运行。

电力物联网由感知层、网络层、平台层、应用层组成，其中网络层将依托电力通信网进行承载，但是现有网架和性能很难满足电力物联网对设备智能化水平和网络资源调配能力的高要求，尤其是无线接入网络部分依托由大量传感器节点构成的传统无线传感器网络感知环境，受限于传感器体积，其性能和续航能力极为有限，但区块链应用的多方共识和分布式账本技术需要很高的性能和续航能力，故而无线接入网络部分需要考虑成本的基础上设计合理的改造方案，以迎接万物互联时代的到来。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，降低了传统电力通信网引入区块链应用的难度，加速了电力物联网建设进程。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种面向区块链应用的无线传感器网络系统,包含信息交互子系统和能量补充子系统，其中，信息交互子系统中各节点通过分层路由方法实现信息交互；能量补充子系统通过异序补能方法实现能量补充：

进一步的，所述分层路由方法包括以下步骤：

获取节点的上传距离及和邻居节点的距离，计算传输效率；

获取节点的剩余能量和传输能耗，计算能量均衡度；

根据所述传输效率和所述能量均衡度计算节点间的通信链路状态值；

获取当前节点与同步点的相对距离，计算上传模式切换阈值；

完成全网同步路由建立。

进一步的，所述传输效率为：

其中，i和j为节点编号，

V为节点集，te_ij为节点i将节点j作为下一跳节点的传输效率值，d_ij为节点i和节点j间的距离；FN(i)为节点i的前向邻居集合：

FN(v_i)＝{v_j|ud_i＜ud_j,d_ij≤R,v_j∈V}，

其中，R为传感器节点的最大通信距离；ud_i为节点i的上传距离，

d_im为节点v_i到同步点s_m间的距离；ud_j为节点j的上传距离，

d_jm为节点v_j到同步点s_m间的距离S为同步点集。

进一步的，所述能量均衡度为：

其中，es_ij为节点i将节点j作为下一跳节点的能量均衡度，

和

分别为节点i和节点j的剩余能量；c_ij为节点i将单位数据发送至节点j所消耗的能量：

其中，E_elec、E_fs和E_mp为一阶无线通信能量消耗模型的能耗参数，d₀为一阶无线通信能量消耗模型的距离阈值；

c_js为节点j将单位数据发送至距离自己最近的同步节点所消耗的能量：

进一步的，所述通信链路状态值为：

其中，ls_ij为节点i与节点j间的通信链路状态值，es_ij'为es_ij的归一化值，其计算公式为

其中，max{es_ij}和min{es_ij}为节点i到所有前向节点的能量均衡度的最大值和最小值。

进一步的，所述上传模式切换阈值为：

其中，

表示传感器节点切换上传模式的阈值。

进一步的，节点的上传距离小于上传模式切换阈值时将距离其最近的同步点作为下一跳，节点的上传距离大于上传模式切换阈值时选择最大通信链路状态值对应的前向邻居节点作为下一跳，完成传感器节点向多个同步点的路由建立，同步点之间采取泛洪的方式进行通信，完成全网同步路由建立。

进一步的，所述异序补能方法包括以下步骤：

获取剩余能量及能耗情况，计算节点和同步节点的补能紧迫度；

根据同步节点和传感器节点的补能紧迫度建立最优充电集合；

每个补能周期为最优充电集合中的所有节点补能至满电状态，完成每周期补能任务。

进一步的，所述补能紧迫度的表达式为：

其中，

和

分别代表节点i和同步节点m的补能紧迫度，ud^max代表所有节点中的最大上传距离，E^v为传感器节点的电池容量，

为传感器节点的最大储能值，

为同步节点m过去n个周期的能耗平均值，

为同步节点的最大储能值，ε为控制变量，用于调整补能紧迫度的差异程度。

进一步的，所述最优充电集合为：

其中，OCS为最优补能集合；集合SCPS和VCPS分别为同步节点和传感器节点按补能紧迫度由高到低的顺序建立的补能优先序列，其中SCPS(k)和VCPS(k)分别代表补能紧迫度第k大的同步节点和传感器节点；E^s为同步节点的电池容量；P为移动充电车的充电功率；T为单个补能周期的时间；

和

分别代表移动补能设备访问上角标所示点集所需的最小时间。

本发明的有益效果是：

区块链应用中所有节点均需配备高性能硬件及充足的带宽以保证稳定运行，这大大制约了基于电力通信网的物联网引入区块链技术的效率，本发明为传统电力通信网无线接入层设计了一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，同步节点在网络中执行传统区块链节点的任务，整个网络在引入区块链应用的同时对原有传感器设备无过多改造需求，辅以与之匹配的路由方法和补能方法保证系统稳定运行，极大程度的降低了传统电力通信网引入区块链应用的难度，加速了电力物联网建设进程。

附图说明

图1为本发明计算流程示意图；

图2为移动补能设备、传感器节点、同步节点及基站位置分布图，其中基站和一个同步节点共同位于网络中心位置；

图3为区块链网络系统和对比算法生命周期对比结果；

图4为区块链网络系统和对比算法平均节点能耗对比结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种面向区块链应用的无线传感器网络系统,包含信息交互子系统和能量补充子系统，其中，信息交互子系统中各节点通过分层路由方法实现信息交互；能量补充子系统通过异序补能方法实现能量补充。

一种信息交互子系统,该系统用于支持同区块链应用相关的所有信息交互，由基站、普通节点及同步节点组成，其中，普通节点仅负责探测环境并生成相应的传感数据并基于分层路由方法将其发送至同步节点；这些数据将在同步节点之间洪泛以建立区块链应用的对应的分布式账本，基站则负责将账本上传至调度中心进行监管，分层路由方法包括以下步骤：

获取节点的上传距离及和邻居节点的距离，计算传输效率

传输效率为：

其中，i和j为节点编号，

V为节点集，te_ij为节点i将节点j作为下一跳节点的传输效率值，d_ij为节点i和节点j间的距离，FN(i)为节点i的前向邻居集合：

FN(v_i)＝{v_j|ud_i＜ud_j,d_ij≤R,v_j∈V}，

其中，R为传感器节点的最大通信距离；ud_i为节点i的上传距离，

d_im为节点v_i到同步点s_m间的距离；ud_j为节点j的上传距离，

d_jm为节点v_j到同步点s_m间的距离，S为同步点集。

获取节点的剩余能量和传输能耗，计算能量均衡度

能量均衡度为：

其中，es_ij为节点i将节点j作为下一跳节点的能量均衡度，

和

分别为节点i和节点j的剩余能量，c_ij为节点i将单位数据发送至节点j所消耗的能量：

其中，E_elec、E_fs和E_mp为一阶无线通信能量消耗模型的能耗参数；d₀为一阶无线通信能量消耗模型的距离阈值；

c_js为节点j将单位数据发送至距离自己最近的同步节点所消耗的能量：

根据所述传输效率和所述能量均衡度计算节点间的通信链路状态值通信链路状态值为

其中，ls_ij为节点i与节点j间的通信链路状态值，es_ij'为es_ij的归一化值，其计算公式为

其中，max{es_ij}和min{es_ij}为节点i到所有前向节点的能量均衡度的最大值和最小值。

获取当前节点与同步点的相对距离，计算上传模式切换阈值

上传模式切换阈值为：

其中，

为传感器节点切换上传模式的阈值；N为传感器节点数。

完成全网同步路由建立

当节点的上传距离小于上传模式切换阈值时将距离其最近的同步节点作为下一跳；当节点的上传距离大于上传模式切换阈值时选择最大通信链路状态值对应的前向邻居节点作为下一跳，完成传感器节点向多个同步节点的路由建立，同步节点之间采取洪泛的方式进行通信，完成全网同步路由建立。

能量补充子系统，该系统用于为网络提供稳定的能量补充，系统主体为移动充电设备，具体的，根据与网络系统相匹配的异序补能方法，对同步节点及普通节点补能以保障网络长期稳定运行，异序补能方法包括以下步骤：

获取剩余能量及能耗情况，计算节点和同步节点的补能紧迫度

计算公式为：

其中，

和

分别代表节点i和同步节点m的补能紧迫度，ud^max代表所有节点中的最大上传距离，E^v为传感器节点的电池容量，

为传感器节点的最大储能值

为同步节点m过去n个周期的能耗平均值，

为同步节点的最大储能值，ε为控制变量，用于调整补能紧迫度的差异程度。

根据同步节点和传感器节点的补能紧迫度建立最优充电集合

计算公式为：

其中，OCS为最优补能集合；集合SCPS和VCPS分别为同步节点和传感器节点按补能紧迫度由高到低的顺序建立的补能优先序列，其中SCPS(k)和VCPS(k)分别代表补能紧迫度第k大的同步节点和传感器节点；E^s为同步节点的电池容量；P为移动充电车的充电功率；T为单个补能周期的时间；

和

分别代表移动补能设备访问上角标所示点集所需的最小时间。

每个补能周期为最优充电集合中的所有节点补能至满电状态，完成每周期补能任务。

为了检验本发明实施例提出的分层路由方法的性能，在相同的环境及异序补能方法下，将本发明中的无线传感器网络系统与基于纯洪泛路由的网络系统进行仿真并比较，具体仿真过程如下：

首先，初始化网络环境，100个普通传感器节点随机分布在300米×300米的区域内；9个同步节点均匀的分布在300米×300米的区域内；每个传感器和同步节点均知晓自身的地理位置并具备唯一ID；基站部署在网络中部，坐标为(150,150)，仅负责定期从同步节点随机选择数据账本上传至调度中心备份；每个传感器节点的最大通信半径为30米；每个同步节点的洪泛半径为100米。

在进行路由选择时，节点间的链路状态与传输到该节点的能耗和传输效率有关，优先选取传输能耗低且传输效率较高的节点作为下一跳节点，此外当节点距离同步节点较近时适宜直接上传。本发明采用传输效率和能量均衡度表征节点成为下一跳节点的可能性，将其融合成链路状态，根据链路状态最优原则进行路由选择，并通过上传模式切换阈值确定不同节点的数据上传模式，此外，移动补能设备根据异序补能方法为网络持续补能，移动补能设备、传感器节点、同步节点及基站位置分布如图2所示。

为了检验本发明提出的无线传感器网络的性能，将其与在相同异序补能方法支持下的基于纯洪泛路由的传统区块链网络在相同网络环境下进行仿真并比较，其中传统区块链网络具体指所有节点均需要像同步节点一样接收全网数据并洪泛以同步区块链账本。

采用Matlab作为仿真工具，系统仿真环境参数设置如下：

1)100个节点和9个同步节点分别随机和均匀的分布在300米×300米的区域内，横坐标范围(0，300)，纵坐标范围(0,300),且传感器节点和同步节点都不具备移动性；

2)基站静止，位置为(150,150)；

3)发射和接收机电路处理1比特数据所消耗的能量为50焦耳^-9，即E_elec＝50焦耳^-9/比特；

4)采用自由空间模型发射和接收机电路向单位面积发送1比特数据所消耗的能量为100焦耳^-12，即E_fs＝100焦耳^-12/比特/米²；

5)采用多径传输模型发射和接收机电路向单位面积发送1比特数据所消耗的能量为0.0013焦耳^-12，即E_mp＝0.0013焦耳^-12/比特/米⁴；

6)一阶无线通信能量消耗模型的距离阈值为87米，即d₀＝87米；

7)节点每次发送的数据量为8kbit；

8)移动充电设备的速度为5m/s,即V＝5m/s；

9)移动充电设备的功率为0.1w，即P＝0.1w；

10)控制变量ε为1，即ε＝1；

仿真结果如图3和图4所示，从图3中可以看出，本发明方法中的无线传感器网络系统的生命周期高于对比方法，从图4中可以看出，虽然同步节点的能耗高于对比算法中平均节点能耗，但是本发明系统中的传感器节点能耗远低于对比算法。

通过上述仿真结果可以获知，面向区块链应用，虽然同步节点的能耗高于对比方法平均节点能耗，但基于同步节点的分层路由方法中传感器节点的能耗极低，对原有无线网络传感设备的改造需求极低。此外，通过基于移动充电设备的异序补能方法满足同步节点高能耗的同时可以为节点补能，在相同补能环境下本发明网络系统的生命周期远高于对比方法。因此，本发明方法中的分层路由方法和异序补能方法降低了区块链应用的引入难度，优化了网络的可持续性，保证了区块链应用在系统中运行的稳定性及可靠性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种面向区块链应用的无线传感器网络系统,其特征在于，包含信息交互子系统和能量补充子系统，其中，信息交互子系统中各节点通过分层路由方法实现信息交互；能量补充子系统通过异序补能方法实现能量补充。

2.根据权利要求1所述的一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，其特征在于，所述分层路由方法包括以下步骤：

获取节点的上传距离及和邻居节点的距离，计算传输效率；

获取节点的剩余能量和传输能耗，计算能量均衡度；

根据所述传输效率和所述能量均衡度计算节点间的通信链路状态值；

获取当前节点与同步点的相对距离，计算上传模式切换阈值；

完成全网同步路由建立。

3.根据权利要求2所述的一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，其特征在于，所述传输效率为：

其中，i和j为节点编号，

V为节点集，te_ij为节点i将节点j作为下一跳节点的传输效率值，d_ij为节点i和节点j间的距离；FN(i)为节点i的前向邻居集合：

FN(v_i)＝{v_j|ud_i＜ud_j,d_ij≤R,v_j∈V}，

其中，R为传感器节点的最大通信距离，ud_i为节点i的上传距离，

d_im为节点v_i到同步点s_m间的距离；ud_j为节点j的上传距离，

d_jm为节点v_j到同步点s_m间的距离，S为同步点集。

4.根据权利要求3所述的一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，其特征在于，所述能量均衡度为：

其中，es_ij为节点i将节点j作为下一跳节点的能量均衡度，

和

分别为节点i和节点j的剩余能量；c_ij为节点i将单位数据发送至节点j所消耗的能量：

其中，E_elec、E_fs和E_mp为一阶无线通信能量消耗模型的能耗参数，d₀为一阶无线通信能量消耗模型的距离阈值；

c_js为节点j将单位数据发送至距离自己最近的同步节点所消耗的能量：

5.根据权利要求4所述的一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，其特征在于：所述通信链路状态值用为：

其中，ls_ij为节点i与节点j间的通信链路状态值，es_ij'为es_ij的归一化值，其计算公式为

其中，max{es_ij}和min{es_ij}为节点i到所有前向节点的能量均衡度的最大值和最小值。

6.根据权利要求5所述的一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，其特征在于，所述上传模式切换阈值为：

其中，

表示传感器节点切换上传模式的阈值。

7.根据权利要求6所述的一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，其特征在于：节点的上传距离小于上传模式切换阈值时将距离其最近的同步点作为下一跳，节点的上传距离大于上传模式切换阈值时选择最大通信链路状态值对应的前向邻居节点作为下一跳，完成传感器节点向多个同步点的路由建立，同步点之间采取泛洪的方式进行通信，完成全网同步路由建立。

8.根据权利要求1所述的一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，其特征在于，所述异序补能方法包括以下步骤：

获取剩余能量及能耗情况，计算节点和同步节点的补能紧迫度；

根据同步节点和传感器节点的补能紧迫度建立最优充电集合；

每个补能周期为最优充电集合中的所有节点补能至满电状态，完成每周期补能任务。

9.根据权利要求8所述的一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，其特征在于，所述补能紧迫度的表达式为：

其中，

和

分别代表节点i和同步节点m的补能紧迫度，ud^max代表所有节点中的最大上传距离，E^v为传感器节点的电池容量，

为传感器节点的最大储能值，

为同步节点m过去n个周期的能耗平均值，

为同步节点的最大储能值，ε为控制变量，用于调整补能紧迫度的差异程度。

10.根据权利要求9所述的一种面向区块链应用的无线传感器网络系统，其特征在于，所述最优充电集合为：

其中，OCS为最优补能集合；集合SCPS和VCPS分别为同步节点和传感器节点按补能紧迫度由高到低的顺序建立的补能优先序列，其中SCPS(k)和VCPS(k)分别代表补能紧迫度第k大的同步节点和传感器节点；E^s为同步节点的电池容量；P为移动充电车的充电功率；T为单个补能周期的时间；

和

分别代表移动补能设备访问上角标所示点集所需的最小时间。

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