專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)能耗平衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)能耗平衡方法，具體來說是涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí) 能耗平衡方法。
技術(shù)背景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在人們難以接近的危險(xiǎn)區(qū)域，電池替換十分不便， 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗進(jìn)而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)商用的關(guān)鍵技術(shù)。無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化不但與單節(jié)點(diǎn)和全網(wǎng)的能耗降低有關(guān)，而且在很大程度 上取決于能耗在全網(wǎng)分布的平衡程度。因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用高效的能 耗平衡方法勢(shì)在必行。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗平衡方法主要包括局部能耗平衡方法和全局能 耗平衡方法。其中局部能耗平衡方法主要采用自適應(yīng)功率控制和類首領(lǐng)輪換等 技術(shù)實(shí)現(xiàn)某一路徑或者區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的能耗平衡。全局能耗平衡方法主要 采用多徑傳輸和不平等聚類等技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同路徑或者區(qū)域之間的能耗平衡。顯然，上述現(xiàn)有技術(shù)存在許多不足，具體來講，局部能耗平衡方法僅能減 少某一路徑或者區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的能耗差異，無法實(shí)現(xiàn)重負(fù)荷和輕負(fù)荷路徑 或區(qū)域之間的能耗平衡，可能導(dǎo)致某一路徑或者區(qū)域過熱，節(jié)點(diǎn)提前死亡，從 而縮短網(wǎng)絡(luò)壽命。而全局能耗平衡方法，雖能有效降低不同路徑或者區(qū)域之間 的能耗差異，但由于沒有考慮路徑或者區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的能耗平衡，可能導(dǎo) 致某些節(jié)點(diǎn)因過熱而死亡，同樣縮短了網(wǎng)絡(luò)壽命。 發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供以網(wǎng)絡(luò)壽命為指標(biāo)同時(shí)兼顧 局部和全局能耗平衡的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)能耗平衡方法。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是它包括如下步驟a) 將感知相關(guān)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)組織成一個(gè)類，并建立類內(nèi)傳輸路徑；b) 實(shí)現(xiàn)類內(nèi)各節(jié)點(diǎn)能耗平衡； C)建立每個(gè)類與其鄰居類之間的路徑；d)基站以某一類首領(lǐng)為源節(jié)點(diǎn)從其多條傳輸路徑中選擇壽命最長(zhǎng)的路徑作 為該類的最佳傳輸路徑，從而實(shí)現(xiàn)了基于多徑的類間能耗平衡。所述的步驟a)中，感知相關(guān)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)是指所有能夠檢測(cè)到某一事件的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)具有感知數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性和感知與轉(zhuǎn)發(fā)操 作的時(shí)間相關(guān)性。所述的步驟a)中，類內(nèi)傳輸路徑通過如下方式建立，選舉與類內(nèi)所有其他 節(jié)點(diǎn)平均距離較小的中心節(jié)點(diǎn)為類首領(lǐng)，類內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)沿檢測(cè)值增大的方向建 立指向類首領(lǐng)的路徑。所述的步驟b)包含如下步驟bl)采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的混合傳輸模式，降低同一類內(nèi)傳輸路 徑上不同節(jié)點(diǎn)的能耗不平衡；b2)當(dāng)相鄰傳輸路徑存在較大的能耗差異時(shí)，使高能耗路徑屮的多親子節(jié)點(diǎn) 通過可選輸入鏈路輸出部分?jǐn)?shù)據(jù)到低能耗路徑；b3)靠近類首領(lǐng)的節(jié)點(diǎn)通過采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的混合傳輸模式實(shí)現(xiàn)其與類首領(lǐng)的能耗平衡。所述的步驟c)中，類間路徑采用弧線形以切割更多的類內(nèi)徑向路徑，從而將類間路徑的能耗分?jǐn)偟礁鳁l類內(nèi)路徑。所述的步驟d)中，路徑壽命是指該路徑包含的所有節(jié)點(diǎn)殘余能量的最小值。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明提出了一種通過逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的混合傳輸模式以及相鄰路徑間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，降低類內(nèi)節(jié)點(diǎn)間能耗差異；通過在多條類間路徑中選擇高殘余能量路徑實(shí)現(xiàn)類間能耗平衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗平衡方法。這種能耗 平衡方法同時(shí)考慮了區(qū)域內(nèi)的局部能耗平衡和區(qū)域間的全局能耗平衡，其與局 部能耗平衡方法相比，能有效地降低重負(fù)荷區(qū)域的能耗，減少熱點(diǎn)區(qū)域?qū)W(wǎng)絡(luò)壽命的影響；與全局能耗平衡方法相比，能有效地減少區(qū)域內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)之間的 能耗差異，防止部分節(jié)點(diǎn)由于過熱提前死亡而縮短網(wǎng)絡(luò)壽命。本發(fā)明通過采用 逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的混合傳輸、相鄰路徑間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及在多條類 間路徑中選擇高殘余能量路徑等技術(shù)，有效地減輕了重負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和區(qū)域的能耗， 減少部分節(jié)點(diǎn)和區(qū)域由于過熱提前死亡而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)斷裂現(xiàn)象，從而延長(zhǎng)了網(wǎng) 絡(luò)壽命，具有很好的可用性和實(shí)用性。


圖1是本發(fā)明所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)能耗平衡方法流程圖。 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中基于感知相關(guān)性的聚類和類內(nèi)傳輸路徑示意圖。 圖3是基于感知相關(guān)性的多個(gè)類和類間路徑示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本實(shí)施例應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)和基站，以網(wǎng)絡(luò)壽命為指標(biāo) 同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部和全局能耗平衡的分級(jí)能耗平衡方法。如圖1所示，其具體包含 如下步驟第一、將感知相關(guān)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)組織成一個(gè)類，并建立類內(nèi)傳輸路徑。 監(jiān)控同一事件源的傳感器節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的感知相關(guān)性，具體表現(xiàn)為相鄰傳 感器節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性和感知與轉(zhuǎn)發(fā)操作的時(shí)間相關(guān)性，因此將感知 相關(guān)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)組織成一個(gè)類將有利于感知數(shù)據(jù)的充分聚合和類內(nèi)的能 耗平衡。設(shè)在時(shí)刻^(w e N)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有,e N)個(gè)事件源由休眠轉(zhuǎn)為活動(dòng)，則在 這A個(gè)區(qū)域中傳感器節(jié)點(diǎn)開始收集數(shù)據(jù)。所有能夠檢測(cè)到某一事件的傳感器節(jié)點(diǎn) 組成了一個(gè)基于感知相關(guān)性的類，并且越靠近事件源的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)值越大，越遠(yuǎn) 離事件源的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)值越小，與事件源等距或接近等距的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)值近似相等。 從而形成了以事件源為中心，以同心圓為等值線，由內(nèi)往外逐級(jí)遞減的檢測(cè)值 分布模式。由于類首領(lǐng)節(jié)點(diǎn)接收類內(nèi)所有其他節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)值，而無線傳輸能耗 隨距離指數(shù)增大，因此選舉與類內(nèi)所有其他節(jié)點(diǎn)平均距離較小的中心節(jié)點(diǎn)為類 首領(lǐng)有利于減少類的總能耗。類內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)沿檢測(cè)值增大的方向建立指向類首 領(lǐng)的路徑。圖2給出了基于感知相關(guān)性的聚類和類內(nèi)傳輸路徑示意圖。其中H節(jié)點(diǎn)表示類首領(lǐng)，其它節(jié)點(diǎn)表示類內(nèi)普通成員。a系列節(jié)點(diǎn)構(gòu)成最高檢測(cè)值等值線節(jié)點(diǎn)，b系列節(jié)點(diǎn)構(gòu)成次高檢測(cè)值等值線節(jié)點(diǎn)，依此類推。箭頭起始點(diǎn)為數(shù)據(jù) 發(fā)送節(jié)點(diǎn)，終止點(diǎn)為數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)。所有箭頭指向中心表示類內(nèi)普通成員節(jié)點(diǎn)沿檢測(cè)值增大的方向建立指向類首領(lǐng)H節(jié)點(diǎn)的路徑。設(shè)區(qū)域/(0</^/0中的傳感器節(jié)點(diǎn)為&,, (^N)，并且假設(shè)測(cè)量值之間的差異小 于閾值M時(shí)可近似認(rèn)為二者相等。下面給出了基于感知相關(guān)性的聚類和類內(nèi)傳 輸路徑建立方法。1) 如果S,，,.的測(cè)量值大于O,那么S,，,向其鄰居廣播該測(cè)量值。當(dāng)&幾乎在同一 測(cè)量時(shí)刻感知到大小不同的2個(gè)或2個(gè)以上測(cè)量值時(shí)，表明該節(jié)點(diǎn)位于2個(gè)或2 個(gè)以上類的邊界或邊界附近，選擇較大的測(cè)量值并將該測(cè)量值廣播到鄰居。2) 5,， , (m e A0比較接收到的測(cè)量值和其自身測(cè)量值，然后根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行 不同操作。2.1)如果接收到的測(cè)量值大于其自身的測(cè)量值，那么把該鄰居節(jié)點(diǎn)放入父母 輩列表。2.2) 如果接收到的測(cè)量值小于其自身的測(cè)量值，那么把該鄰居節(jié)點(diǎn)放入子女列表。2.3) 否則把該鄰居節(jié)點(diǎn)放入兄弟列表。3) S,，,根據(jù)上述3個(gè)列表的狀態(tài)判斷自己充當(dāng)?shù)慕巧?.1) 如果其父母輩列表是空的，并且其子女列表非空，則指定其為候選類首領(lǐng)。3.2) 如果其子女列表是空的，并且其父母輩列表非空，則指定其為類邊沿節(jié) 點(diǎn)；如果類邊沿節(jié)點(diǎn)在同一測(cè)量時(shí)刻感知到2個(gè)或者2個(gè)以上的測(cè)量值，表明 該節(jié)點(diǎn)同時(shí)也是2個(gè)或者2個(gè)以上類的邊界節(jié)點(diǎn)。3.3) 如果其父母輩列表和子女列表都非空，則指定其為中繼節(jié)點(diǎn)。4) 如果候選類首領(lǐng)的兄弟列表是非空的，即有幾個(gè)候選的類首領(lǐng)。此時(shí)隨機(jī) 挑選一個(gè)侯選類首領(lǐng)為正式類首領(lǐng)。如果候選類首領(lǐng)的兄弟列表是空的，該候 選類首領(lǐng)直接被指定為正式類首領(lǐng)。正式類首領(lǐng)告知其子女列表中的所有傳感 器節(jié)點(diǎn)和所有其它的候選類首領(lǐng)最終的類首領(lǐng)選舉結(jié)果，以便這些傳感器節(jié)點(diǎn) 把測(cè)量值轉(zhuǎn)發(fā)給同一聚合節(jié)點(diǎn)。5) 如果&,,已經(jīng)是其他一個(gè)或多個(gè)類的成員，則稱S,，,屬于類/的邊界區(qū)節(jié)點(diǎn)集合，記為/eBorder，其中BorderczW。設(shè)包含&,,的各個(gè)類的類號(hào)組成集合Active,則S,，,把本次測(cè)量值與來自其他事件源的歷史最大測(cè)量值{vali^JG e Active)都轉(zhuǎn)發(fā)給類首領(lǐng)。類首領(lǐng)比較測(cè)量值的大小，如果 value,. <formula>formula see original document page 6</formula>.為i'sBorder )eActive " 類/的邊界節(jié)點(diǎn)。6) 為了平衡等值線上兄弟節(jié)點(diǎn)之間的能耗并減少能耗平衡的控制開銷，采用 一種局部的節(jié)點(diǎn)輸入鏈路數(shù)平衡方法。設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，其中某些子 節(jié)點(diǎn)僅有一個(gè)父母輩節(jié)點(diǎn)，稱這些子節(jié)點(diǎn)為單親子節(jié)點(diǎn)，并稱來自單親子節(jié)點(diǎn) 的輸入鏈路為必選輸入鏈路；某些子節(jié)點(diǎn)擁有2個(gè)或者2個(gè)以上的父母輩節(jié)點(diǎn)， 則稱這些子節(jié)點(diǎn)為多親子節(jié)點(diǎn)，并稱來自多親子節(jié)點(diǎn)的輸入鏈路為可選輸入鏈 路。6.1) 初始化每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的輸入鏈路數(shù)為其必選輸入鏈路的個(gè)數(shù)。6.2) 每個(gè)多親子節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)其各個(gè)父母輩節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的輸入鏈路數(shù)，選擇當(dāng)前輸入鏈路數(shù)最小的父母輩節(jié)點(diǎn)為其下一跳中繼節(jié)點(diǎn)，并將其輸入鏈路數(shù)加1。 第二、實(shí)現(xiàn)類內(nèi)各節(jié)點(diǎn)能耗平衡?；诟兄嚓P(guān)性的聚類使類內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知和轉(zhuǎn)發(fā)操作具有很強(qiáng)的時(shí) 間相關(guān)性，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)感知并轉(zhuǎn)發(fā)自身測(cè)量數(shù)據(jù)的能耗近似相等。然而由 于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式，類邊沿節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)需經(jīng)過多個(gè)節(jié) 點(diǎn)的中繼才能到達(dá)類首領(lǐng)，導(dǎo)致靠近類首領(lǐng)的傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)荷過重，遠(yuǎn)離 類首領(lǐng)的傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)荷較輕。采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的混合傳 輸模式，降低同一類內(nèi)傳輸路徑上不同節(jié)點(diǎn)的能耗不平衡。當(dāng)相鄰傳輸路徑存 在較大的能耗差異時(shí)，可以使高能耗路徑中的多親子節(jié)點(diǎn)盡可能通過可選輸入 鏈路輸出部分?jǐn)?shù)據(jù)到低能耗路徑，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可通過逐漸增加該路徑間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù) 據(jù)量，減少高能耗路徑的轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)荷，同時(shí)增加低能耗路徑的轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)荷，直至相 鄰路徑間的能耗差異最小，從而實(shí)現(xiàn)類內(nèi)路徑間的動(dòng)態(tài)能耗平衡。類首領(lǐng)雖然 接收整個(gè)類中大量的數(shù)據(jù)，然而由于其執(zhí)行了聚合功能，其輸出數(shù)據(jù)量可能遠(yuǎn) 小于鄰近傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)，因此靠近類首領(lǐng)的節(jié)點(diǎn)可以通過混合傳輸技術(shù)實(shí) 現(xiàn)其與類首領(lǐng)的能耗平衡，從而使類內(nèi)任何節(jié)點(diǎn)間的能耗差異降低到最小值。第三、建立每個(gè)類與其鄰居類之間的路徑。在基于感知相關(guān)性的聚類操作的基礎(chǔ)上，建立每個(gè)類與其鄰居類之間的路 徑。為了降低類間路徑與其他類內(nèi)路徑的能耗差，類間路徑采用弧線形以切割 更多的類內(nèi)徑向路徑，將類間路徑的能耗分?jǐn)偟礁鳁l類內(nèi)路徑，在類內(nèi)路徑中 采用混合傳輸技術(shù)盡量減少類內(nèi)路徑和類間路徑的交叉節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)負(fù)荷，從而實(shí) 現(xiàn)被切割的類內(nèi)路徑中各節(jié)點(diǎn)的能耗平衡。圖3給出了基于感知相關(guān)性的多個(gè)類和類間路徑示意圖。其中各個(gè)類均通過感知相關(guān)性原理產(chǎn)生，路徑l、路徑2 和路徑3分別表示類2與相鄰的類1、類3、類5的類間路徑，類2根據(jù)能耗平 衡原理選擇其中一條路徑作為最佳傳輸路徑向基站傳輸感知數(shù)據(jù)。如果類中存在邊沿節(jié)點(diǎn)，表明類邊沿與空閑區(qū)域相連，采用以下的空閑節(jié) 點(diǎn)聚類與類間路徑建立方法。這里空閑節(jié)點(diǎn)指從來沒有檢測(cè)到任何事件源數(shù)據(jù) 的傳感器節(jié)點(diǎn)。l)初始化每個(gè)節(jié)點(diǎn)自身的路徑長(zhǎng)度為oo。類邊沿節(jié)點(diǎn)向鄰居發(fā)送問候分組， 如果鄰居空閑節(jié)點(diǎn)已成為空閑類成員，則重新進(jìn)行聚類；反之類邊沿節(jié)點(diǎn)向鄰 居發(fā)送初始探測(cè)分組，探測(cè)分組包含的路徑長(zhǎng)度為1。鄰居空閑節(jié)點(diǎn)接收到探測(cè) 分組，如果其自身的路徑長(zhǎng)度大于l，則該節(jié)點(diǎn)自身路徑長(zhǎng)度修改為1，將探測(cè) 分組發(fā)送節(jié)點(diǎn)作為上一跳節(jié)點(diǎn)，并廣播探測(cè)分組，其中探測(cè)分組包含的路徑長(zhǎng)度增加為2，否則丟棄該分組，不執(zhí)行任何操作。依此類推當(dāng)空閑節(jié)點(diǎn)接收到探 測(cè)分組，并且其自身的路徑長(zhǎng)度大于探測(cè)分組包含的路徑長(zhǎng)度時(shí)，該節(jié)點(diǎn)自身 路徑長(zhǎng)度修改為探測(cè)分組包含的路徑長(zhǎng)度，將探測(cè)分組發(fā)送節(jié)點(diǎn)作為上一跳節(jié) 點(diǎn)，并廣播探測(cè)分組，其中探測(cè)分組包含的路徑長(zhǎng)度加l,否則丟棄該分組，不 執(zhí)行任何操作。直到探測(cè)分組到達(dá)網(wǎng)絡(luò)邊沿節(jié)點(diǎn)，此時(shí)沿原路返回探測(cè)結(jié)束消 息，其中包含邊沿節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志。2)類邊沿節(jié)點(diǎn)發(fā)起空閑節(jié)點(diǎn)聚類操作。如果鄰居空閑節(jié)點(diǎn)己成為空閑類成員，則通過類首領(lǐng)通知類邊界節(jié)點(diǎn)發(fā)起聚類操作；否則沿探測(cè)分組建立的路徑 通知網(wǎng)絡(luò)邊沿節(jié)點(diǎn)發(fā)起聚類操作。類邊界節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)邊沿節(jié)點(diǎn)發(fā)送聚類探測(cè)分 組，其傳播規(guī)則與初始探測(cè)分組相似。設(shè)存在/條邊界線或邊沿線，待聚類的空 閑節(jié)點(diǎn)總數(shù)為g ，空閑節(jié)點(diǎn)/(0<_/^g)與邊線《0<"/)的路徑長(zhǎng)度記為length,,.。 如果length, , = max (min length,,),則選舉節(jié)點(diǎn)義為空閑類的類首領(lǐng)。類邊沿節(jié)點(diǎn)變?yōu)槠渌鶎兕惻c該空閑類的邊界節(jié)點(diǎn)。3)空閑類首領(lǐng)發(fā)起路徑建立探測(cè)分組，建立其自身與各個(gè)類邊界節(jié)點(diǎn)的類內(nèi) 路徑。然后采用與上述普通類間路徑建立相似的方法，建立空閑類與其鄰居類 的類間路徑。第四、基站以某一類首領(lǐng)為源節(jié)點(diǎn)從其多條傳輸路徑中選擇壽命最長(zhǎng)的路徑作為該類的最佳傳輸路徑，從而較好地實(shí)現(xiàn)了基于多徑的類間能耗平衡。當(dāng)每個(gè)類與鄰居類建立類間路徑之后，類首領(lǐng)將本類的標(biāo)識(shí)、鄰居類標(biāo)識(shí)和自身的殘余能量報(bào)告給基站，這里假設(shè)通過混合傳輸技術(shù)類內(nèi)節(jié)點(diǎn)能獲得良 好的能耗平衡，以類首領(lǐng)的殘余能量表示該類節(jié)點(diǎn)的平均殘余能量。由于無線 傳感器能耗平衡是一項(xiàng)相對(duì)長(zhǎng)期的任務(wù)，不必時(shí)刻保持所有節(jié)點(diǎn)的殘余能量精 確相等，同時(shí)為了減少殘余能量報(bào)告的次數(shù)，把節(jié)點(diǎn)的殘余能量量化成若干個(gè) 等級(jí)，稱為節(jié)點(diǎn)的殘余能量級(jí)。2個(gè)節(jié)點(diǎn)只要?dú)堄嗄芰考?jí)相等，即被認(rèn)為具有相 等的殘余能量，類首領(lǐng)也僅在殘余能量級(jí)發(fā)生變化時(shí)，才向基站報(bào)告新的殘余 能量。基站接收到所有類的自身標(biāo)識(shí)、鄰居類標(biāo)識(shí)和類殘余能量級(jí)之后，可推導(dǎo) 出以各個(gè)類首領(lǐng)為源節(jié)點(diǎn)以基站為目的節(jié)點(diǎn)的多條傳輸路徑，這里把整個(gè)類看 作是傳輸路徑的一個(gè)宏節(jié)點(diǎn)，因此這種傳輸路徑又稱骨干傳輸路徑；然后基站以某一類首領(lǐng)為源節(jié)點(diǎn)從其多條傳輸路徑中選擇壽命最長(zhǎng)的路徑作為該類的最 佳傳輸路徑，從而較好地實(shí)現(xiàn)了基于多徑的類間能耗平衡。 本發(fā)明給出如下的路徑壽命定義。定義1:路徑壽命是該路徑包含的所有節(jié)點(diǎn)殘余能量的最小值。設(shè)P(/)為某一傳輸路徑，通過在該傳輸路徑上增加節(jié)點(diǎn)可形成原路徑的擴(kuò)展 路徑EP(/)?；窘邮盏剿蓄惖淖陨順?biāo)識(shí)、鄰居類標(biāo)識(shí)和類殘余能量級(jí)之后， 理論上需計(jì)算以各個(gè)類首領(lǐng)為源節(jié)點(diǎn)以基站為目的節(jié)點(diǎn)幾乎所有可能的路徑。 為了減少計(jì)算復(fù)雜性，采用先計(jì)算靠近基站的內(nèi)層類的最佳傳輸路徑，再以這 些路徑為基礎(chǔ)，進(jìn)行路徑擴(kuò)展的原則，逐步生成全網(wǎng)所有類的最佳傳輸路徑。 給出如下的第"層類的定義。定義2:第一層類是指與基站直接相鄰的類，第二層類是指與第一層類直 接相鄰而與基站不直接相鄰的類，依此類推第"">2)層類是指與第"-l ">2) 層類直接相鄰而與任何第W (0<m<W-l)層類不直接相鄰的類。規(guī)定當(dāng)二條路徑壽命相等時(shí)，選擇經(jīng)過的類較少的路徑，第一層類選擇不 經(jīng)過其它類而直接到基站的路徑為類的最佳傳輸路徑，第一層類最佳路徑的壽 命為類自身的殘余能量。給出第"層第^優(yōu)先類的定義。定義3 :設(shè)第w層共有m個(gè)類，其中某個(gè)類最佳傳輸路徑壽命在第^層類 中第A長(zhǎng)(0<A<m+l )，或者其最佳傳輸路徑的壽命并列第A長(zhǎng)而最佳路徑包含 的類較少，則稱該類為第"層第A;優(yōu)先類。在此基礎(chǔ)上，給出第M層鄰&類的定義。定義4:第"層中與第 -1 (">1 )層第A優(yōu)先類直接相鄰而與任何第"-l層第y (0<y'<。優(yōu)先類不直接相鄰的類為第"層鄰A類。我們記第"+l層鄰A:類為nd(M + l,",第"+l層第A優(yōu)先類為rnd(" + 1力，進(jìn)一 步地給出第w+l層鄰A連續(xù)擴(kuò)展路徑、鄰&第乂優(yōu)先分離擴(kuò)展路徑和鄰A鄰/分 離擴(kuò)展路徑的定義。定義5 :第"+l層鄰A類與第《層第yH尤先類最佳傳輸路徑i^組成的擴(kuò)展 路徑稱為第"+l層鄰A連續(xù)擴(kuò)展路徑記為CEP +I t = nd(" + l,yt)#i^ ;第"+l層鄰A 類跨越若干類與第《層第J'優(yōu)先類最佳傳輸路徑&,組成的擴(kuò)展路徑稱為第 層鄰A第乂優(yōu)先分離擴(kuò)展路徑記為nd(" + l,W-^ ;第"+l層鄰A類跨越若干類與 第"+l層鄰連續(xù)擴(kuò)展路徑CEP"^組成的擴(kuò)展路徑稱為第w+1層鄰A:鄰/分離擴(kuò) 展路徑記為nd(" + l," ~ CEP +U 。為了便于比較源于同一節(jié)點(diǎn)的各路徑的壽命，我們定義不包含源節(jié)點(diǎn)的路徑壽命為該路徑的純壽命。設(shè)P(/)為某一傳輸路徑，則該路徑的純壽命記為 PLf尸(,)。容易證明第2層的鄰1類選擇第1層第1優(yōu)先類作為下一跳宏節(jié)點(diǎn)時(shí)其傳 輸路徑最佳。證明設(shè)第l層共有m個(gè)類，其中第1優(yōu)先類最佳傳輸路徑壽命為該類的 殘余能量^^,)，其他類的最佳傳輸路徑壽命為相應(yīng)類的殘余能量&^) (0<iKm+l)，第2層鄰1連續(xù)擴(kuò)展路徑的純壽命為？1^(，一1|)，第2層鄰1第 &優(yōu)先分離擴(kuò)展路徑的純壽命為PLfnd(2,1Hnd(w 。 根據(jù)第A優(yōu)先類的定義有五rnd(U) ^五nid(l," ， ( 1 )PT f — E, (2)fUnd(2，，md(，u — d(i，i) ,PT f < F (3)PLfnd(2'l)#rnd(l'l)=五rnd(l,l) ^五md(l,fc) ^ PLfnd(2,l)~nKi(l，A:) °即第2層鄰1類選擇第1層第1優(yōu)先類作為下一跳宏節(jié)點(diǎn)時(shí)其傳輸路徑最 佳。證畢。設(shè)第二層包含《個(gè)類，同理第二層鄰2連續(xù)擴(kuò)展路徑的純壽命不短于鄰2 第&(2<&<^+1)優(yōu)先分離擴(kuò)展路徑，但可能短于鄰2鄰1分離擴(kuò)展路徑。我們 根據(jù)第2層鄰2連續(xù)擴(kuò)展路徑和鄰2鄰1分離擴(kuò)展路徑的純壽命大小，決定第2 層鄰2類最佳傳輸路徑的選擇。PLfnd(2,2)#md(l,2)=五rad(1，2) ， ( 5 )PLfnd(2,2) iKl(2,l)#rnd(U)《Lfnd(21)#rnd(11) ° (6)(1)如果i:—,2一Lf;d(2，，dd,D， (7)貝'J PLfnd(2,2)#md(1,2)=五rn叫,2) ^ Lfnd(2,')Wnd(L,D 2 PLfnd(2,2)~nd(2,1)#rnd(u)，艮卩鄰2層令|3 2連 續(xù)擴(kuò)展路徑更佳。(2^t^￡rad(1,2)<Lfnd(2,1)#rad(u)， (8) 在第2層鄰2類和鄰1類之間尋找一條路徑，該路徑記為nd(2,2) nd(2,1)。 如果存在一條路徑nd(2,2) ~ nd(2,1)，使得PTf (9)rUnd(2,2) nd(2力z (1(1,2)° 、乂 y由于PLfnd(2,2)~nd(2,l)#rad(l,l) = (PLfnd(2,2)"Kl(2,1), Lfnd(2,l)#md(l,l)) >五md(1,2) ， (10)即第2層鄰2鄰1分離擴(kuò)展路徑更佳。反之如果對(duì)于所有的路徑nd(2,2) nd(2,1)，存在如下的不等式 PTf <F、 (11)<formula>formula see original document page 11</formula>° ( 12 )即第2層鄰2連續(xù)擴(kuò)展路徑更佳。為了降低尋找鄰2類和鄰1類之間合適路徑的復(fù)雜性，可以限定該路徑的 長(zhǎng)度。同理對(duì)于第2層鄰A類，我們根據(jù)第2層鄰k連續(xù)擴(kuò)展路徑和鄰k鄰j(0<j<k)分離擴(kuò)展路徑的純壽命大小，決定第2層鄰A類最佳傳輸路徑的選擇。當(dāng)?shù)?層所有類完成最佳傳輸路徑的選擇之后，對(duì)各類最佳傳輸路徑壽命進(jìn)行排序， 得到第2層各類的優(yōu)先序號(hào)，該信息可用于第3層各類最佳傳輸路徑的選擇。依此類推，全網(wǎng)所有類均可建立基于能耗平衡的最佳傳輸路徑。
權(quán)利要求
1、一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)能耗平衡方法，其特征在于該方法包括如下步驟a)將感知相關(guān)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)組織成一個(gè)類，并建立類內(nèi)傳輸路徑；b)實(shí)現(xiàn)類內(nèi)各節(jié)點(diǎn)能耗平衡；c)建立每個(gè)類與其鄰居類之間的路徑；d)基站以某一類首領(lǐng)為源節(jié)點(diǎn)從其多條傳輸路徑中選擇壽命最長(zhǎng)的路徑作為該類的最佳傳輸路徑，從而實(shí)現(xiàn)了基于多徑的類間能耗平衡。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)能耗平衡方法，其特征 在于所述的歩驟a)中，感知相關(guān)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)是指所有能夠檢測(cè)到某一 事件的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)具有感知數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性和感知與轉(zhuǎn)發(fā) 操作的時(shí)間相關(guān)性。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)能耗平衡方法，其特征 在于所述的步驟a)中，類內(nèi)傳輸路徑通過如下方式建立，選舉與類內(nèi)所有其 他節(jié)點(diǎn)平均距離較小的中心節(jié)點(diǎn)為類首領(lǐng)，類內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)沿檢測(cè)值增大的方向 建立指向類首領(lǐng)的路徑。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)能耗平衡方法，其特征在于所述的步驟b)包含如下步驟b 1 )采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的混合傳輸模式，降低同 一類內(nèi)傳輸路 徑上不同節(jié)點(diǎn)的能耗不平衡；b2)當(dāng)相鄰傳輸路徑存在較大的能耗差異時(shí)，使高能耗路徑中的多親子節(jié)點(diǎn) 通過可選輸入鏈路輸出部分?jǐn)?shù)據(jù)到低能耗路徑；b3)靠近類首領(lǐng)的節(jié)點(diǎn)通過采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的混合傳輸模式 實(shí)現(xiàn)其與類首領(lǐng)的能耗平衡。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)能耗平衡方法，其特征在于所述的步驟C)中，類間路徑采用弧線形以切割更多的類內(nèi)徑向路徑，從而將類間路徑的能耗分?jǐn)偟礁鳁l類內(nèi)路徑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)能耗平衡方法，其特征在于所述的步驟d)中，路徑壽命是指該路徑包含的所有節(jié)點(diǎn)殘余能量的最小 值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級(jí)能耗平衡方法。該方法包含如下步驟a.將感知相關(guān)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)組織成一個(gè)類，并建立類內(nèi)傳輸路徑；b.實(shí)現(xiàn)類內(nèi)各節(jié)點(diǎn)能耗平衡；c.建立每個(gè)類與其鄰居類之間的路徑；d.基站以某一類首領(lǐng)為源節(jié)點(diǎn)從其多條傳輸路徑中選擇壽命最長(zhǎng)的路徑作為該類的最佳傳輸路徑，從而較好地實(shí)現(xiàn)了基于多徑的類間能耗平衡。本發(fā)明通過逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和直接轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的混合傳輸模式以及相鄰路徑間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，降低類內(nèi)節(jié)點(diǎn)間能耗差異；通過在多條路徑中選擇高殘余能量路徑實(shí)現(xiàn)類間能耗平衡。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠有效降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)的能耗差異，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
文檔編號(hào)H04L12/28GK101237414SQ200810059850
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月22日
發(fā)明者楊海波, 蔡文郁, 陳友榮 申請(qǐng)人:浙江樹人大學(xué)