CN112423310A - 一种单链型大坝监测无线传感器网络节点优化部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单链型大坝监测无线传感器网络节点优化部署方法，采用链型网络拓扑结构，所有节点分布在一个线型区域，汇聚节点位于该线型区域的一端，所有传感器节点位于汇聚节点的同一侧，并以最优不等间距部署，越靠近汇聚节点的传感器节点，两节点之间的间距越小。每个传感器节点以多跳的方式将数据传输到汇聚节点，然后通过对能耗的分析，得到各跳的最优距离，最大程度地均衡各节点的能耗，延长网络的生命周期。

Description

一种单链型大坝监测无线传感器网络节点优化部署方法

技术领域

本发明公开了一种单链型大坝监测无线传感器网络节点部署方法，属于无线传感器网络和电子测控领域。

背景技术

无线传感器网络是大量的传感器节点通过自组织方式构成一种新型的无线网络。由于无线传感器网络具有监测精度高、功耗低、成本低、覆盖区域大、易于部署等显著的优点，因而，无线传感器网络得到了广泛而迅猛的发展。将无线传感器网络(WSN)的节点部署到特定区域，对某些环境数据进行监测和采集，可广泛应用于环境监测、医疗监护、农业养殖和灾难抢险等特殊领域，如何设计适合不同工程应用的WSN成为一大课题。

节点部署是无线传感器网络研究的一个重点问题，它直接影响网络的生命周期、可靠性以及可扩展性等性能。在不同的实际应用场景下，无线传感器网络的监测环境和目的不尽相同，所以应采取对应的部署策略，使组网效果最优，节约部署成本，满足覆盖要求。

无线传感器网络中存在节点能耗不均衡导致的“能量空洞”问题，传感器节点向汇聚节点传输数据，通常要通过中间节点的路由，离汇聚节点越近的节点，需转发的数据也越多，因而会消耗更多的能量，因此汇聚节点附近的传感器节点能量将很快耗尽，汇聚节点也就无法收集数据，严重影响了系统生命周期。

本发明针对线型监测区域以及实际工程应用，提出了一种单链型大坝监测无线传感器网络节点部署方法，即将所有节点部署在一个线型区域，汇聚节点位于该线型区域的一端，所有传感器节点位于汇聚节点的同一侧，并以最优不等间距部署，越靠近汇聚节点的传感器节点，两节点之间的间距越小。然后通过对能耗的分析，得到各跳的最优距离，同时可以实现全网的能耗均衡和生命周期最优化。

发明内容

无线传感器网络中存在节点能耗不均衡导致的“能量空洞”问题，可能会出现某些节点提前死亡，整个网络生命周期受到很大的影响。为了解决能耗均衡的问题，节省能量，针对线型监测区域以及实际工程应用，提出了一种单链型大坝监测无线传感器网络节点部署方法。具体如下：

根据节点的能量消耗模型，当n个节点都有1个数据包需经过跳到达汇聚节点，每跳的通信距离为d_i，对于第i个节点来说，共发送(n-i+1)个数据包，接收(n-i)个数据包，计算出节点i的能耗

为：

其中，e_tx和e_rx分别表示发送和接收1位数据的能耗，E_st和E_sr分别是发送启动能量和接收启动能量，l是所要发送数据的长度，e_te是发送一位数据发送电路的能量消耗，e_ta是发送1位数据通过1米距离的能耗，d是发送端到接收端的距离，β是路径损耗常数，k为数据包的长度与数据包的包头长度之和，n为传感器的个数，i为第i个传感器节点的序号，d_i为第i个传感器节点与第i-1个传感器节点的距离。

2、将n个节点的能耗累加，计算出整个网络的能耗

为：

3、对第3项对d_i求偏导，并根据总距离固定的限制条件，计算出d_i的最优值：

1)当β＝2时，

2)当β＝3时，

其中，r为汇聚节点与最远传感器节点的距离，i为序号。

采用上述技术方案带来的有益效果：

对单链型无线传感器网络，采用不等间距的节点优化部署方法，有效地避免了节点能耗不均衡导致的“能量空洞”问题，使得所有传感器节点同步均衡消耗能量，因而具有相同的生命周期，显著地延长了网络的生命周期，在实际使用中大大地减少了维护工作量。

附图说明

图1是本发明的拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细阐述：

本发明采用的网络模型如下：

1)在多跳网络环境下，n个传感器节点不等间距线性排列，离汇聚节点最远的节点(第n个节点)到汇聚节点的距离为r米。

2)所有传感器节点的初始能量相等。

3)汇聚节点的能量不限。

根据节点的能量消耗模型，单跳状态下传输1位的能量消耗(e_b)为：

e_tx＝e_te+e_tad^β

其中，e_tx和e_rx分别表示发送和接收1位数据的能耗，E_st和E_sr分别是发送启动能量和接收启动能量，l是所要发送的有效数据的长度，e_te是发送1位数据发送电路的能量消耗，e_ta是发送1位数据通过1米距离的能耗，d是发送端到接收端的距离，β是路径损耗常数。

如图1所示为本发明的网络拓扑结构图，假设第m个节点有数据向汇聚节点发送，则每个有效数据位经m个传感器节点发送，m-1个传感器节点接收跳到达汇聚节点，完成传输的网络能耗e_bm为：

其中，α是数据包的包头长度。

假设所有节点都有1个数据包需经过跳到达汇聚节点，每跳的通信距离为d_i，对于第i个节点来说，共发送(n-i+1)个数据包，接收(n-i)个数据包，第i个节点的能耗

为：

其中，k＝α+l，是数据包和包头的总长度。

对n个节点的能耗进行求和，网络的能耗

为：

当n，r一定的情况下，上式前两个和项是固定值，第3个和项是变化的，它引起

的变化，但

在有限闭区间内总存在最小值，对应一组最优的d_i值。对第3项对d_i求偏导，并令其偏导数为λ，即求得d_i：

将d_i代入总距离固定的限制条件公式：

求得λ的值：

将公式(5)代入公式(4)，并令β＝2，则就得到各跳的最优距离d_i：

将公式(5)代入公式(4)，并令β＝3，则就得到各跳的最优距离d_i：

综上所述，本发明针对无线传感器网络的“能量空洞”问题，不等间距地部署所有传感器节点，提出了一种单链型大坝监测无线传感器网络的节点优化部署方法，通过对能耗分析得出部署的网络各跳传感器节点的最优距离，实现了所有传感器节点的能量均衡消耗，大幅度延长了网络的生命周期。

以上实施实例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单链型大坝监测无线传感器网络节点优化部署方法，其特征在于：采用链型网络拓扑结构，所有节点分布在一个线型区域，汇聚节点位于该线型区域的一端，所有传感器节点位于汇聚节点的同一侧，并以最优不等间距部署，越靠近汇聚节点的传感器节点，两节点之间的间距越小。

2.根据权利要求1所述一种单链型大坝监测无线传感器网络节点优化部署方法，其特征在于：当路径损耗常数β＝2时，传感器每跳最优距离为：

3.根据权利要求1所述一种单链型大坝监测无线传感器网络节点优化部署方法，其特征在于：当路径损耗常数β＝3时，传感器每跳最优距离为：

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