CN114095945A - 一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法和系统，节点通过网络覆盖度和剩余能量来计算节点自身的调度优先级，并在邻居节点集合中发送和接收包含调度优先级的消息；任意节点si将其邻居节点划分为LSN和HSN两组节点；首先，节点si判断LSN组内邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si随机等待一段时间并监听HSN组内邻居节点发送的active message；然后，节点si继续判断LSN组内邻居节点和HSN组内转入工作状态的邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si广播active message并进入工作状态。

Description

一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法和系统
技术领域
本发明涉及一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法和系统，用于无线传感网络中，属于无线传感网络技术领域。
背景技术
作为物联网和智慧社会的关键支撑技术之一，无线传感网(Wireless SensorNetwork，WSN)已得到广泛部署和应用。无线传感网是由部署在目标监测区域内的大量传感器节点构成的一个自组织网络，对覆盖区域内的信息进行智能的感知、采集和处理。随着网络规模和业务量的增加，能耗已成为严重制约无线传感网功效充分发挥的重要瓶颈之一。一方面，降低能耗能够延长网络的生存时间；另一方面，降低能耗对环境保护大有裨益。迄今，国内外学者针对无线传感网的能耗节省问题展开了诸多研究，主要采用网络分簇组织、协作中继、节点休眠调度、数据聚集和负载平衡等措施来减低网络运行能耗。其中，节点休眠调度作为一种非常有效的降低网络能耗和延长网络服务时间的机制，备受学者关注。
无线传感网中节点有限的能量限制了节点的计算能力、存储能力和通信能力，这些限制是设计网络相关协议不得不考虑的约束条件。因此，设计节点休眠调度策略时也必须在考虑上述这些约束条件的基础上尽量优化关键的网络服务性能指标，主要包括能量效率、网络寿命、网络覆盖度、连通性和平均传输时延。其中，能量效率是WSN最关注的一项性能指标，能量效率通常定义为单位能量发送的有效信息量，也定义为单位能量维持的网络运行时间。大多数节点休眠调度方法都以提高节点能量效率、延长网络寿命为首要目标。覆盖度是指在目标监测区域内，某一目标区域能被多少节点有效感知或被节点有效感知的百分比，如k度覆盖和全覆盖等。在保证一定覆盖度的前提下，通过减少工作节点的数量，让部分节点进入休眠，可以降低节点能耗和延长网络寿命。当网络内所有节点都是连通的时候，称网络是连通的。节点休眠可能会影响网络连通性，需要保证网络连通性以便使数据能被汇聚节点正确接收，可以用与汇聚节点连通的节点数量的比例来表征连通性。平均传输时延是指所有数据包从源节点发出后直到被汇聚节点正确接收所经历的平均时间。
按计算方式，节点休眠调度可采用集中式调度方法和分布式调度策略。集中式方法通常需要由一个计算中心对全网状态信息进行收集，根据设计的调度算法生成调度策略或规则，并广播给全网节点。集中式调度方法的性能通常要比分布式调度方法更优，但对资源耗费高、扩展性差且实现困难。相比而言，分布式调度策略允许节点根据自身或周围节点的信息，对自身工作状态进行自发调度，实现相对简单且可扩展性较好。鉴于到无线传感网缺乏统一调度中心，且传感器节点的资源受限，无线传感网主要采用分布式的节点休眠调度机制方法。
由于节点休眠调度机制主要通过延长处于休眠状态的时间或增加休眠节点的数量来节省网络能量，不可避免会对网络覆盖度和连通信等性能指标带来影响。因此，在设计节点休眠调度机制需考虑WSN感知区域的覆盖度和连通性，并可能需要在多个指标之间进行合理的折中。现有技术工作基于不同需求和度量指标设计了多种适用于WSN的节点休眠调度机制，并且大都采用表现更好的分布式休眠调度策略。目前休眠调度研究工作的难点仍在于合理平衡网络覆盖度和节点能耗，并且没有充分利用网络整体拓扑信息和网络各节点的状态信息来更加科学的调度某些节点进入休眠状态。
发明内容
发明目的：针对大规模无线传感网随机部署造成的网络拓扑结构不合理、冗余数据过多且节点能量使用不均衡等问题，本发明提供一种无线传感网络中综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法和系统，实现了基于优先级的分布式节点休眠调度方法，通过综合考虑网络覆盖率和节点剩余能量来构造节点进行休眠决策的优先级，能够合理组织无线传感网中节点的工作状态和承担的任务，有效降低了网络边界效应问题，均衡了网络节点使用的能耗，显著延长了网络服务时间。
技术方案：一种无线传感网络中综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法，包括如下内容：
1)网络中所有节点初始状态设置为未决策状态，通过发送和接收Hello消息来得到邻居节点工作状态和位置关系；
2)节点通过收集的自身和邻居节点的状态信息，综合考虑网络覆盖度和剩余能量来计算节点自身的调度优先级，并在邻居节点集合中发送和接收包含调度优先级的消息；
3)基于收集的调度优先级信息，任意节点si可以将其邻居节点划分为低优先级调度节点集合(LSN)和高优先级调度节点集合(HSN)两组节点。其中，LSN是比节点si调度优先级低的邻居节点的集合，而HSN是优先级比节点si高的邻居节点的集合；
4)首先，节点si判断LSN组内邻居节点对节点si的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si随机等待一段时间并监听HSN组内邻居节点发送的active message；
5)然后，节点si继续判断LSN组内邻居节点和HSN组内转入工作状态的邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si广播active message并进入工作状态。
所述2)中，综合考虑网络覆盖度和剩余能量来计算节点自身的调度优先级的方法为：
节点si的调度优先级P(si)为:P(si)＝CA(si)/RE(si)，其中CA(si)为节点si的覆盖率，RE(si)为节点si的剩余能量。如果节点的调度优先级相同，则规定ID号越小的节点的优先进行休眠调度。
无线传感网中的节点状态一般分为“发送”、“接收”、“空闲”和“休眠”四种情况，其中发送模式下节点能耗最大，接收和空闲模式下只需侦听信号节点能耗较少，而休眠模式下节点只保留定时器工作，能耗最少。简单起见，也可以将节点的状态分为工作和休眠两种模式。因此，通过合理调度节点由工作状态转入休眠模式来降低网络能耗一直是业界研究和关注的焦点。节点休眠调度机制是指在保持网络正常服务性能的前提下，通过合理组织和安排分布在网络中各节点的工作/休眠状态，以便有效均衡网络中节点的负载并显著降低网络能耗，从而达到增强网络效能和延长网络生存时间的目标。实际上，网络服务性能需求根据具体应用而不同，包括覆盖度、连通性、吞吐量和时延等性能指标。为保证对目标监测区域的完全覆盖，通常传感节点的部署密集度较高，距离较近的邻居节点存在覆盖冗余，并且许多节点处于空闲监听模式而造成了不必要的能量耗费。因此，无线传感网中常用的节点休眠调度策略一般是指在确保一定网络覆盖度和连通性的基础上，由节点自主决策选择适当的时机轮流在休眠和工作模式间切换的策略。
本发明设计的基于优先级的节点休眠调度方法是一种分布式调度机制，主要针对用于目标区域监测的无线传感网应用场景。节点可以根据自身获取的感知邻居节点的信息计算其感知区域被感知邻居节点覆盖的比率(简称覆盖率)，并可以根据初始能量和能耗使用情况计算出自己的剩余能量，然后根据剩余能量和覆盖率自主进行休眠调度。
分布式节点休眠调度机制的设计目标是在满足对目标监测区域一定覆盖度和节点连通性需求的基础上，最小化工作节点的数量，以便尽可能降低全网能耗，延长网络寿命。如前所述，节点休眠调度机制在网络能耗和覆盖度两个指标之间不可避免存在折衷，优化目标是最大化能量使用效率，即在满足相同覆盖度的条件下最小化能量消耗，或在能量消耗相同的条件下最大化对监测区域的覆盖度。
本发明设计的分布式节点休眠调度机制主要遵循两条基本原则：一是在保证对目标监测区域一定程度覆盖(允许个别覆盖盲区的出现，但网络整体覆盖率必须达到阂值)的前提下，使处于工作状态的节点数量尽量少；二是要尽量平衡节点间的能耗，允许相邻节点尽可能轮流休眠和工作，从而避免两个或多个互为邻居节点的节点同时进入休眠状态而出现不可预测的覆盖盲区。具体而言，如果节点的覆盖率满足预设门限则可以自主决定转入休眠状态，并且尽可能使剩余能量较少的节点优先(以较大的概率)转入休眠状态。此外，为了减少休眠调度机制引入的控制开销，节点之间的信息交互应尽量少。
网络寿命是度量休眠调度机制性能优劣常用的一项评判指标，也是评估无线传感网整体性能最有效的指标之一。网络寿命通常是指从网络开始工作到基站接收的信息不再能满足系统预设要求为止的持续时间。因此，网络寿命能反映系统的可用性，包括能量效率、连通性和覆盖度等。但是，在实际网络环境中根据不同的应用需求，网络寿命也有不同的定义标准，如基于有效节点数、目标区域覆盖度、连通性等指标来定义网络寿命。相比而言，基于有效节点数的网络寿命定义最简单，如通常采用第一个节点失效的时刻作为网络寿命中止的时刻。综合考虑连通性和覆盖度来定义网络寿命更为合理，因为连通性能保证节点收集到的数据信息有效传输到汇聚节点，而覆盖度能保证节点对目标监测区域的有效覆盖。
具体而言，当无线传感网部署完毕后，传感节点将感知到的信息发送到基站，假定初始时基站能收集到信息总量对应的覆盖面积为Ω。随着时间的推移，将会出现节点耗尽能量而失效的情况，从而导致基站收集的信息量对应的覆盖面积不断下降。当所有节点传输到基站的信息量对应的覆盖面积与初始覆盖面积Ω的百分比低于设定门限值Th时，即认为网络寿命终止。不难看出，这种基于收集信息量的网络寿命定义同时兼顾了网络的连通信和覆盖度，可以有效判别网络的可用性。阈值θ的值越高，表明系统对目标监测区域的覆盖度要求就越高。当θ＝1时，表示要求感知信息对目标监测区域的完全覆盖；当θ＝0时，表示只有当基站完全收不到任何感知信息时，网络寿命才终止。
采用本发明的综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法，节点按轮次执行休眠调度方法，不断循环执行综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法。每轮次开始，所有节点进行自我调度使其处于工作状态或休眠状态，并且在该轮次内节点状态保持不变，到下一个轮次节点基于定时器唤醒重新执行休眠调度方法。每个轮次开始，所有节点都置于未决策状态，每个节点给所有通信邻居节点发送包含自身位置和ID信息的Hello消息。节点根据获取的邻居节点信息和自身状况计算其本轮的调度优先级，并将优先级广播给通信邻居节点，优先级高的节点可优先做出是否进入休眠状态的决策。为了消除覆盖冗余、均衡节点能耗，那些感知区域被邻居节点覆盖比率高的节点和剩余能量相对较少的节点应该拥有更高的调度优先级。由此，可以设定节点si的调度优先级P(si)为：P(si)＝CA(si)/RE(si)，其中CA(si)为节点si的覆盖率，RE(si)为节点si的剩余能量。如果节点的调度优先级相同，则规定ID号越小的节点优先进行调度。节点的覆盖率可根据文献[李建洲,王海涛,陶安,刘波.无线传感网中概率估计的冗余控制算法[J].计算机与数字工程,2013,41(06):866-869+954.]给出的方法基于邻居节点的位置和感知范围信息计算得出，节点的剩余能量可以根据选定的能耗模型计算得到。
通过优先级消息的广播和比对，节点si可以将邻居节点分为两组：一组是比si调度优先级低的邻居节点的集合，记为LSN(si)；另一组是优先级比si高的邻居节点的集合(即si的优先级低于该邻居集合)，记为HSN(si)。然后，节点si按照综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法来决策自身是否进入休眠状态。首先，节点si仅考虑LSN(si)组内的节点对自身感知区域的覆盖程度，若能满足预先设定的覆盖度要求，则节点si选择进入休眠状态；否则，节点si也不会立刻选择进入工作状态而会随机等待一定时长。因为，如果HSN(si)组内已有节点确认进入工作状态(发送active message)，那么节点si可同时考虑HSN(si}和LSN(si)组内的工作节点对自身感知区域的覆盖，再次进行决策。若此时能够满足覆盖阂值要求，则si进入休眠状态；否则，si进入工作状态，并发送“active massage"。每轮次所有节点执行完休眠调度后，均会进入休眠状态或者工作状态，并保持这一状态直到这一轮次时间结束，而下一轮次开始后又会进入新的决策阶段(等待时间和轮次时间的确定需要根据业务需求和节点分布情况仔细选择)。
一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度系统，包括：
信息获取模块，使网络中所有节点通过发送和接收Hello消息来得到邻居节点工作状态和位置关系；
调度优先级计算模块，使节点通过网络覆盖度和剩余能量来计算节点自身的调度优先级，并在邻居节点集合中发送和接收包含调度优先级的消息；
节点划分模块，基于收集的调度优先级信息，任意节点si将其邻居节点划分为低优先级调度节点集合和高优先级调度节点集合两组节点，两个集合分别简称LSN和HSN；其中，LSN是比自身调度优先级低的邻居节点的集合，HSN是优先级比自身高的邻居节点的集合；
节点休眠调度模块，首先，节点si判断LSN组内邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si随机等待一段时间并监听HSN组内邻居节点发送的active message；
然后，节点si继续判断LSN组内邻居节点和HSN组内转入工作状态的邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si广播active message并进入工作状态。
一种计算机设备，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行上述计算机程序时实现如上所述的综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度系统方法。
一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有执行如上所述的综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度系统方法的计算机程序。
有益效果：本发明主要针对目标区域监测场景提出了一种分布式无线传感网节点休眠调度方法。结合感知节点对目标监测区域的覆盖程度和节点之间的连通性，定义了适用于环境监测场景的网络寿命，作为衡量休眠调度策略的关键性能指标。为了延长网络寿命，设计了区分业务优先级的分布式休眠调度策略，让冗余节点能够进入休眠以节省能量。综合考量节点被其邻居节点的覆盖程度以及自身的剩余能量来确定节点休眠调度的优先级。本发明能够降低信息交互带来的能量开销，有效解决边界效应问题。仿真实验表明，本发明方法可以在满足预定网络覆盖度的条件下显著提高能量效率，通过平衡节点能耗有效延长了网络寿命。
附图说明
图1是用于目标区域监测的无线传感网网络模型；
图2是本发明实施例的方法流程图；
图3是不同休眠调调度方法下网络存活期随网络覆盖度的变化情况图；
图4是两种休眠调度方法下平均休眠节点数随网络工作轮次的变化情况图；
图5是两种休眠调度方法下所有节点剩余能量的均值和标准差比较图；
图6是两种休眠调度方法下的能量效率变化情况图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
1、网络模型
基于优先级的节点休眠调度方法是一种分布式调度机制，主要针对用于目标区域监测的无线传感网应用场景，具体网络模型如图1所示，假定WSN的目标监测区域设定为二维矩形区域，并且传感节点随机分布在目标区域内，节点感知的信息可通过多跳中继的方式传送到位于监测区域中心的一个汇聚节点(基站)。初始时部署的所有传感节点可以对目标区域进行完全覆盖，并且假设所有传感节点是同构的，即具有相同的初始能量、感知范围和通信范围，并所有节点一经部署便不再移动。此外，假设节点可以通过某种方式(GPS或其他定位技术)获悉自身地理位置，并且可以计算自身的能耗以估计其剩余能量。
感知范围是节点能感知到环境信息的区域，而通信范围是节点一跳所达的区域，两者一般分别设定为以传感器节点为中心，以某个值r和R为半径的圆形区域，并且节点的感知范围一般小于通信范围。假定目标监测区域中部署的传感节点集合为S＝{s1,s2,...sn}，某目标点p的位置坐标是(x,y)，如果p与传感器节点si之间的欧氏距离小于或等于节点si的感知半径，即d(p,si)≤r，则认为点p被节点si所覆盖。由此，可以得出节点si的感知(覆盖)范围集合为：SC(si)＝{p∈A|d(p,si)≤r}。如果节点sj与si之间的欧式距离满足d(si,sj)≤R，那么称节点sj是si的通信邻居节点(Communication Neighbor,CN)。由此，得出节点sj的通信邻居节点集合为：CN(si)＝{sj∈S|d(sj,si)≤R}。类似的，如果sk与si之间的的感知范围存在交叠区域，即满足d(sk,sj)＜2r，则称节点sk是si的感知邻居节点(SensingNeighbor,SN)。由此，可以给出si的感知邻居节点为:SN(si)＝{sk∈S|d(sk,si)＜2r}。
值得注意的是，无线传感网中基于全覆盖策略的休眠调度机制对于处于目标监测区域边界的节点来说显然不合理，如图1所示。图1中的节点A,B,C均是边界节点(它们都是感知区域超出目标监测区域的节点)，由于边界节点覆盖的是目标监测区域的边界部分，加之其邻居节点相对较少，很难满足完全被覆盖的条件而进入休眠状态。因此，长时间的工作会造成边界节点较早耗尽能量，使得边界区域成为覆盖盲区，长此以往，节点覆盖的监控区域将会逐步向目标监测区域的中心收缩，这种现象称为“边界效应”问题。边界效应问题会严重影响网络的覆盖程度，降低网络的可靠性。因此，为了尽可能避免无线传感网出现边界效应问题，节点休眠调度机制应允许部分边界节点在满足相对较低覆盖率的条件下进入休眠以均衡节点能耗消，从而有效消除网络覆盖盲区和延长网络工作寿命。
2、能耗模型
无线信号传播过程中会发生衰减，通常采用自由空间模型来计算传播损耗，如下：
Figure BDA0003362152010000071
式中Lp为路径损耗，d为传播距离，λ为信号波长。一般情况下，无线通信的能量消耗与通信距离的关系如下。
E＝kdn (2)
其中k是系数，参数n通常满足2≤n≤4。n的取值与很多因素有关，如天线质量、障碍物和噪声干扰等。
节点接收数据的能耗计算公式如下：
ER(L)＝L*Eelec (3)
其中，L表示接收的数据包长度，Eelec表示无线收发电路处理单位数据所消耗能量。
在WSN中，节点发送数据能耗通常根据节点发送数据的距离d，分别采用自由空间能耗模型(公式(4))和多路衰减模型(公式(5))。
ET(L,d)＝L*Eelec+L*εfs*d2,d＜d0 (4)
ET(L,d)＝L*Eelec+L*εmp*d4,d≥d0 (5)
其中，
Figure BDA0003362152010000081
εfs与εmp分别表示两种能耗模型的功率放大系数。从上面的公式也可以看出，簇头间通信采用多跳转发的方式更为节能。
假设节点si的初始能量是已知的，基于上述能耗模型可以计算得到节点发送数据和接收数据的总能耗，进而通过初始能量减去总能耗可以得到节点当前的剩余能量RE(si)。
3、调度方法执行步骤
节点执行综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法的具体步骤如下：
1)网络中所有节点初始状态设置为未决策状态，通过发送和接收Hello消息来了解邻居节点工作状态和位置关系；
2)节点通过收集的自身和邻居节点的状态信息，综合考虑网络覆盖度和剩余能量来计算节点自身的调度优先级，并在邻居集合中发送和接收包含调度优先级的消息；
3)基于收集的调度优先级信息，节点可以将其邻居节点划分为LSN和HSN两组，LSN是比自身调度优先级低的邻居节点的集合，HSN是优先级比自身高的邻居节点的集合；
4)首先，节点si判断LSN组内邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si随机等待一段时间并监听HSN组内邻居节点广播的active message；
5)然后，节点si继续判断LSN组内节点和HSN组内工作的节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si广播active message并进入工作状态。
4、仿真实验
仿真实验基于OMNet++(Objective Modular Network TestBed in C++)仿真软件，OMNet++是一款开源的基于组件的模块化网络仿真平台，主要用于通信网络和分布式系统的仿真。OMNet++是一个强大的离散事件仿真器，具有完善的图形界面接口和可嵌入式仿真内核。本仿真实验使用的是版本是OMNeT++5.6。仿真过程中，设定无线传感网的目标监测区域为500mx500m的正方形区域，该区域内随机部署1000个传感节点，传感节点的感知半径为l0m，通信半径为20m。在区域中心设置一个汇聚节点，汇聚节点能量不受限。在每一个轮次，节点将感知到的环境信息通过多跳方式传送到中心汇聚节点。为了便于计算网络寿命，假定每一个轮次均为一个单位时间，网络寿命可以通过执行的轮次数来量化。每个传感节点能量有限，初始能量设为50个单位能量，假设每一个轮次中节点处于工作状态消耗1个单位能量，休眠则不消耗能量，当能量耗尽时，该节点即失效。
仿真实验主要是比较提出的综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法(Priority Based Distributed Sleep Scheduling，简称PBDSS)与已有的休眠调度策略在覆盖率、网络寿命和能量效率等性能指标上的优劣。仿真中PBDSS调度策略的覆盖率阈值θ设定为0.8，作为比较对象的休眠调度机制选择文献[[5]Zairi S,Zouari B,Niel E,etal.Nodes self-scheduling approach for maximizing wireless sensor networklifetime based on remaining energy[J].IET wireless sensor systems,2012,2(1):52-62.]中提出的基于剩余能量的贪心调度策略(energy remaining greedy scheduling,ERGS)，ERGS的主要思想是在保证网络完全覆盖的前提下允许多余节点休眠已节省能量，并且休眠调度的优先级设置仅考虑了节点剩余能量一个因素。网络寿命采取最简单的定义，即当第一个节点因能量耗尽失效时网络寿命中止。
首先，观察不同休眠调调度策略下网络存活期(网络寿命中前执行的轮次数)随目标监测区域覆盖度的变化情况，如图3所示。从图中可以看出，本文提出的PBDSS策略下的网络寿命可持续90个轮次，而ERGS策略下的网络寿命仅为50个轮次。造成ERGS网络寿命较短的主要原因在于ERGS要求网络全覆盖而导致明显的网络边界效应问题，某些监测边界区域可能只被少量节点(甚至一个节点)覆盖，该节点在每个轮次都无法进入休眠状态而过快耗尽能量，进而导致监测空洞的出现，网络寿命(以第一个节点耗尽能量的时刻来衡量)终止。而从覆盖率来看，ERGS策略下网络始终保持完全覆盖，而PBDSS策略下的覆盖率随着时间推移不断减少，但整个生命周期内均可确保目标区域的覆盖率不低于85％。因此，可以认为PBDSS策略以牺牲适当覆盖率显著延长了网络寿命。
图4给出两种休眠调度策略下平均休眠节点数随网络工作轮次的变化情况。PBDSS策略在前50轮次中平均每轮次大概有550个节点休眠，剩余450个工作节点覆盖了90％以上的目标监测区域。ERGS策略每轮次平均大概有380个节点休眠，剩余的620个工作节点覆盖了100％的目标监测区域。也就是说，相比之下PBDSS策略下每轮次的休眠节点增加了40％以上。此外，PBDSS策略在随后的40轮次中休眠节点的数量在不断减少，但依然平均保持在300个节点以上。
图5对比了网络寿命中止时两种休眠调度策略下所有节点剩余能量的均值和标准差。可以明显看出，PBDSS策略下的剩余能量的均值和标准差都远小于ERGS算法。PBDSS策略能够充分利用并平衡节点的能量，因此使网络寿命得以延长；而ERGS算法由于要求对目标监测区域的完全覆盖，导致网络寿命终止时，部分节点己经耗尽能量，而其他节点仍剩余许多的能量，造成了浪费。
最后，对比分析两种休眠调度策略下的能量效率，如图6所示。这里定义能量效率为覆盖率除以工作节点数的比例(显然覆盖率越大且节点数越少能量效率越高)，可以看出，PBDSS策略的能量效率总是高于ERGS策略，并且两者均随着轮次数的增加能量效率降低。这是因为刚开始节点有更多的机会选择进入休眠状态，而随着部分节点的失效，工作节点的数量需要持续增加。
一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度系统，包括：
信息获取模块，使网络中所有节点通过发送和接收Hello消息来得到邻居节点工作状态和位置关系；
调度优先级计算模块，使节点通过网络覆盖度和剩余能量来计算节点自身的调度优先级，并在邻居节点集合中发送和接收包含调度优先级的消息；
节点划分模块，基于收集的调度优先级信息，任意节点si将其邻居节点划分为低优先级调度节点集合和高优先级调度节点集合两组节点，两个集合分别简称LSN和HSN；其中，LSN是比自身调度优先级低的邻居节点的集合，HSN是优先级比自身高的邻居节点的集合；
节点休眠调度模块，首先，节点si判断LSN组内邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si随机等待一段时间并监听HSN组内邻居节点发送的active message；
然后，节点si继续判断LSN组内邻居节点和HSN组内转入工作状态的邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si广播active message并进入工作状态。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度系统各模块或者综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

Claims (10)

1.一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法，其特征在于，包括如下内容：
1)网络中所有节点通过发送和接收Hello消息来得到邻居节点工作状态和位置关系；
2)节点通过网络覆盖度和剩余能量来计算节点自身的调度优先级，并在邻居节点集合中发送和接收包含调度优先级的消息；
3)基于收集的调度优先级信息，任意节点si将其邻居节点划分为低优先级调度节点集合和高优先级调度节点集合两组节点，两个集合分别简称LSN和HSN；其中，LSN是比自身调度优先级低的邻居节点的集合，HSN是优先级比自身高的邻居节点的集合；
4)首先，节点si判断LSN组内邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si随机等待一段时间并监听HSN组内邻居节点发送的active message；
5)然后，节点si继续判断LSN组内邻居节点和HSN组内转入工作状态的邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si广播active message并进入工作状态。
2.根据权利要求1所述综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法，其特征在于，所述节点休眠调度方法完整执行一遍为一轮次，所述节点休眠调度方法执行至少一轮次。
3.根据权利要求2所述综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法，其特征在于，所述1)内容为每个轮次的开始，每个轮次开始，所有节点都置于未决策状态，每个节点给所有通信邻居节点发送包含自身位置和ID信息的Hello消息。
4.根据权利要求2所述综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法，其特征在于，每轮次开始后所有节点按照休眠调度方法进行自我休眠调度，并且节点处于三种状态之一：未决策状态、工作状态、休眠状态，并且在该轮次内节点状态保持不变，到下一个轮次节点基于定时器唤醒重新执行休眠调度方法。
5.根据权利要求2所述综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法，其特征在于，所述2)中，综合考虑网络覆盖度和剩余能量来计算节点自身的调度优先级的方法为：
节点si的调度优先级P(si)为:P(si)＝CA(si)/RE(si)，其中CA(si)为节点si的覆盖率，RE(si)为节点si的剩余能量。如果节点的调度优先级相同，则规定ID号越小的节点的优先进行休眠调度。
6.根据权利要求1所述综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法，其特征在于，节点休眠调度方法用于目标区域监测的无线传感网应用场景。
7.根据权利要求1所述综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法，其特征在于，节点根据自身获取的感知邻居节点的信息计算其感知区域被感知邻居节点覆盖的比率，简称覆盖率，并根据初始能量和能耗使用情况计算出自己的剩余能量，然后根据剩余能量和覆盖率自主进行休眠调度。
综合考虑连通性和覆盖度来定义网络寿命，连通性使节点收集到的数据信息有效传输到汇聚节点，而覆盖度使节点对目标监测区域的有效覆盖；
当无线传感网部署完毕后，传感节点将感知到的信息发送到基站，假定初始时基站能收集到信息总量对应的覆盖面积为Ω，随着时间的推移，当所有节点传输到基站的信息量对应的覆盖面积与初始覆盖面积Ω的百分比低于设定门限值Th时，即认为网络寿命终止；阈值θ的值越高，表明对目标监测区域的覆盖度要求就越高；当θ＝1时，表示要求感知信息对目标监测区域的完全覆盖；当θ＝0时，表示只有当基站完全收不到任何感知信息时，网络寿命才终止。
8.一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度系统，其特征在于，包括：
信息获取模块，使网络中所有节点通过发送和接收Hello消息来得到邻居节点工作状态和位置关系；
调度优先级计算模块，使节点通过网络覆盖度和剩余能量来计算节点自身的调度优先级，并在邻居节点集合中发送和接收包含调度优先级的消息；
节点划分模块，基于收集的调度优先级信息，任意节点si将其邻居节点划分为低优先级调度节点集合和高优先级调度节点集合两组节点，两个集合分别简称LSN和HSN；其中，LSN是比自身调度优先级低的邻居节点的集合，HSN是优先级比自身高的邻居节点的集合；
节点休眠调度模块，首先，节点si判断LSN组内邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si随机等待一段时间并监听HSN组内邻居节点发送的active message；
然后，节点si继续判断LSN组内邻居节点和HSN组内转入工作状态的邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点si广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点si广播active message并进入工作状态。
9.一种计算机设备，其特征在于，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行上述计算机程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度系统方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质存储有执行如权利要求1-7中任一项所述的综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度系统方法的计算机程序。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102695249A (zh) * 2011-03-23 2012-09-26 北京天地互连信息技术有限公司 IPv6无线传感器网络节能方法
CN102695251A (zh) * 2011-03-21 2012-09-26 上海贝尔股份有限公司 移动通信系统中的节能方法
CN102802246A (zh) * 2012-08-06 2012-11-28 电子科技大学 一种无线传感器网络的节能方法及休眠决策系统
US20130235773A1 (en) * 2012-03-06 2013-09-12 Interdigital Patent Holdings, Inc. Method and apparatus for power savings in a wireless local area network
US20140153458A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 Qualcomm Incorporated Power saving modes in wireless devices
CN103987053A (zh) * 2014-05-16 2014-08-13 哈尔滨工程大学 一种无线传感器网络覆盖控制方法
CN113507737A (zh) * 2021-06-11 2021-10-15 西安邮电大学 一种基于竞争协作的WSNs关键节点休眠调度方法
CN113595903A (zh) * 2021-07-12 2021-11-02 哈尔滨工程大学 基于fcm分簇拓扑的无线传感器网络节点休眠调度方法
EP4046429A1 (en) * 2019-10-14 2022-08-24 Qualcomm Incorporated Power saving for pedestrian user equipments

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102695251A (zh) * 2011-03-21 2012-09-26 上海贝尔股份有限公司 移动通信系统中的节能方法
CN102695249A (zh) * 2011-03-23 2012-09-26 北京天地互连信息技术有限公司 IPv6无线传感器网络节能方法
US20130235773A1 (en) * 2012-03-06 2013-09-12 Interdigital Patent Holdings, Inc. Method and apparatus for power savings in a wireless local area network
CN102802246A (zh) * 2012-08-06 2012-11-28 电子科技大学 一种无线传感器网络的节能方法及休眠决策系统
US20140153458A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 Qualcomm Incorporated Power saving modes in wireless devices
CN103987053A (zh) * 2014-05-16 2014-08-13 哈尔滨工程大学 一种无线传感器网络覆盖控制方法
EP4046429A1 (en) * 2019-10-14 2022-08-24 Qualcomm Incorporated Power saving for pedestrian user equipments
CN113507737A (zh) * 2021-06-11 2021-10-15 西安邮电大学 一种基于竞争协作的WSNs关键节点休眠调度方法
CN113595903A (zh) * 2021-07-12 2021-11-02 哈尔滨工程大学 基于fcm分簇拓扑的无线传感器网络节点休眠调度方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BAHIA ZEBBANE等: "Energy-efficient protocol based sleep-scheduling for wireless sensor networks", 2012 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPLEX SYSTEMS (ICCS) *
党小超;蒲世强;郝占军;: "一种三维无线传感器网络节点调度算法", 计算机工程与应用, no. 07 *
温俊;蒋杰;窦文华;: "公平的有向传感器网络方向优化和节点调度算法", 软件学报, no. 03 *
程卫芳;廖湘科;沈昌祥;: "有向传感器网络最大覆盖调度算法", 软件学报, no. 04 *
符祥;路春平;曾接贤;: "基于全局贪心的有向传感器网络覆盖算法", 现代电子技术, no. 14 *
贾明伟;吴敏;沙超;王汝传;: "基于邻居节点位置的无线传感网休眠算法", 计算机技术与发展, no. 04 *

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