CN106454858B - 一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，包括以下步骤：S1、采用节点不均匀布置的拓扑策略模型，节点数量以等差数列的形式来分布；S2、控制区域数据产生速率：通过每一轮对节点剩余能量的采集，通过SINK就算出各区域能耗的数学期望和标准差，再判断是否触发控制命令；S3、通过设置节点的分布形状满足要求的覆盖度。本发明的方法，能够实现其能耗平衡性，另外还对节点的分布形状进行效率研究，提高了节点的利用率。

Description

一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法

技术领域

本发明涉及无线传感器领域，特别涉及一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法。

背景技术

在无线传感器网络中，节点的电量通常受限很难得到补充，通讯距离不够，在庞大的节点网络中通常采用多跳的策略来把信息发送至汇聚节点，但这一策略的不足之处是离汇聚节点较近的节点不仅要发送自己的数据，而且还有作为远离汇聚节点的节点的信息路由中转节点，承担更大量的信息发送任务，则汇聚节点附近的节点比其他节点消耗能量消耗得更快，长此以往，汇聚节点附近的节点一旦比其他节点更早地失效后，网络就有大片区域无法得到监测，其他节点的信息也难以发送至汇聚节点。这种网络能耗不平衡的情况称之为热区问题。

如图1，下面对热区问题进行分析与建模：设区域内节点密度为p,每一个环代表外侧一环的下一跳区域，设共有M个环，每个节点的数据产生速度相同为b，i为环序数，则环i的负载可以理解成所以数据流量与环i中节点个数的比值，则

环i要承担的数据流量转发量为

ring_fu＝p*((2*M*r)²-π*(i*r)²)*b

环i中节点的总数为

ring_s＝p*(π*((i+1)*r)²-π*(i*r)²)

环i的负载为

可以看出i越小，Load就越大，则可以表明在多跳的无线传感器网络中越靠近汇聚节点的节点负载越大。

热区问题实质上是能量分布不均匀问题，在理论上可作出如下策略：让环的宽度不同，但节点密度均匀。让各圆环的宽度随与基站的距离增大而减小，而且每一环内的节点都可以作为***一环的节点的下一跳节点，则环内有更多的节点来承担路由中转，达到汇聚节点附近的能量更大的目的。但在实际操作上，该策略的节点密度均匀，只是通过在图纸中划大大圆环区域来增加汇聚节点附近的能量，并不现实。

在多跳的无线传感器网络中通过拓扑设计来缓解热区问题是非常必要的，也有过很多关于这方面的研究，如文献[1]中提出的一种节点初始能量分布不均匀的策略和文献[2]中提出的一种以距离来确定节点分布数量的函数关系式，但都存在现实中难操作的缺点。

文献[1]为：W.R.Heinzelman,A.Chandrakasan,H.Balakrishnan.Energy-efficient communication protocol for wireless micro-sensor networks[C].InProc.of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences,January 2000.

文献[2]为：Lian J,Naik K,Agnew G.Date Capacity Improvement of Wire-less Sensor Networks Using Non-Uniform Sensor Distribution[J].inter-nationalJournal of Distributed Sentor Networks,2006,2(2):121-1。

文献为[3]：陆克中,刘应玲.一种线型无线传感器网络的节点布置方案[J].计算机应用,2007,27(7):1566-1568

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于节点线型拓扑的自适应采集率的数据收集方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，包括以下步骤：

S1、采用节点不均匀布置的拓扑策略模型，节点数量以等差数列的形式来分布；

S2、控制区域数据产生速率：通过每一轮对节点剩余能量的采集，通过SINK就算出各区域能耗的数学期望和标准差，再判断是否触发控制命令；

S3、通过设置节点的分布形状满足要求的覆盖度。

步骤S1中，所述节点数量以等差数列的形式来分布，具体为：圆环内节点的密度随着与基站距离的增加而依次减少，依次减少满足等差数列。这样能达到汇聚节点附近的能量更大的目的，有更多的能量来承担能量中转的任务。

所述步骤S1，具体为：

S101、划分网络：把线型网络等分成n个区域，记每个区域编号为a_i，设每个区域长度都为L，每个区域面积均为S，区域a_i内节点密度为ρ_i；其中1≤i≤n；

S102、计算区域a_i的总能耗：

记区域内每个节点的电量e,并假定区域内的数据产生速率相同，每轮为M；在传感器发送模块的消耗能量公式中可以看出，数据发送距离对能耗影响非常大，而式中距离的次数2,4的取值具体也是与实际环境密切相关的，如果在室外传输条件好的情况下，通常都能取到2，在传输环境较差的地方例如室内或者隧道只能取4，而本来研究的是具体适用于桥梁的线性网络拓扑，桥梁属于室外传输条件较好的环境，所以本技术方案取2。

由于每个区域的数据产生速率相同，与节点数量无关，则每轮每个区域接收和发送的数据量为n*M；

从宏观上看，区域a_n需要转发本区域采集以及***区域产生的所有数据，在接收上由于是采用分簇的拓扑，数据接收量也可以近似地认为也是认为是接收本区域以及***区域产生的数据,数据传输距离假定为区域与区域间的中心距离L；则对区域a_i:

每轮接收的数据消耗能量E_Rx为

E_Rx＝E_clec*n*M；

其中E_clec为接收单位报文损耗能量；

每轮发送数据消耗的能量E_Tx为

E_Tx＝n*M*(E_elec+E_amp*L²)；

其中E_elec为发射单位报文损耗能量；E_amp为放大功率能量；

每轮区域a_i总耗能E为

E＝E_Rx+E_Tx＝n*M*(E_clec+E_elec+E_amp*L²)；

S103、算出区域总能量和区域总能耗的比值K：

要使网络整体的能量消耗均匀，则可以理解成每个节点每个区域的能量消耗达到平衡，而要使区域和每个节点的寿命接近，能耗达到平衡，即要使每个区域的节点总能量与每轮能量消耗量的比值保持一致，这样就能从网络的整体上达到各区域能耗的平衡，从而使得大体上各节点的能耗也达到平衡；

每个区域a_i总能量为

ρ_i*S*e

记区域a_i总能量和区域a_i每轮的总耗能比值为K：

S104、用K里面的ρ_i表出节点总个数并求出ρ_i关于网络节点总数g的表达式，区域面积为S；则

则网络节点总数为g为

则

化简：

代入得

因M、E_clec、E_elec、E_amp、L均为定值，则化简得

则区域a_i的节点数量a_s为：

从该式看出离汇聚节点越近，区域a_i的节点数量就越多，区域与区域之间的节点个数关系是呈等差数列关系。现有技术也提出了一些拓扑设计，但不尽完美，例如文献[2]中提出了一种节点初始能量不同的策略，但在现实中由于电池技术的限制和让节点的初始电量不相同的操作性难，这种做法并不现实。文献[3]也提出了一个可以使网络能量分布不均匀节点部署函数公式，但在实际上如果根据一个节点密度关于与汇聚节点距离的公式来布置，操作起来也是相当的困难，为了平衡能量消耗并且在现实中有一定的可操作性，本发明将网络划分成n个等分区域，区域节点密度随着与汇聚节点的距离增大而减小的节点不均匀布置的策略，这种策略在现实中可操作性强。

所述步骤S2，具体为：

设定一个区域内的节点集合成一簇，且成员经过n轮都不改变，即其他区域的节点无法成为本簇的成员；

由于簇头可以收集各个成员的能量信息，附带在传感数据一起，簇头就计算出能量分布情况，所有为了平衡簇头与簇头之间的通信能耗和区域内簇头与节点成员之间的通信能耗，本设计采用根据区域内节点能量剩余情况选举簇头的机制；

从第一轮开始人为地先设定每个区域的簇头，节点成员开始采集数据并与簇头通信的期间，把自身剩余的能量剩余信息一同发送至簇头节点，在轮换的前一刻，簇头根据成员的能量情况，把指定信息给剩余能量最大的成员节点，如果剩余能量最多的节点有不止一个，则在剩余能量的最大的这些成员中随机选出簇头，完成轮换。

所述步骤S2，具体为：

每一轮簇头都可以把自身成员的能量剩余情况掌握到，簇头把信息发送至汇聚节点后，汇聚节点得到各区域整体的节点能量剩余情况后，算出各节点剩余能量e_j和各区域平均剩余能量E_j，剩余能量平均值E_ave,其中1≤j≤g，则

得出E_ave后，汇聚节点通过计算各区域平均剩余能量E_j与E_ave的标准差X和方差x，获知各区域剩余能量情况对E_ave的偏离情况；

标准差X:

方差x:

通过预先设定阈值K，当K处于一个特定的水平时，汇聚节点就广播控制降低区域剩余节点能量低于平均值E_ave并偏离得最大的区域的数据发生速率。

由于节点能耗主要于通信距离有关，在此节点布置的策略下和簇头选举机制下路由路径的不确定性可以使网络能耗有一定的均衡性，但这种随机得来均衡性并不够好，尤其是远离汇聚节点较远的区域，节点分布的数量与离汇聚节点较近的区域的节点数量相差甚远，因此与下一跳簇头形成的路由路径的可能性相对离汇聚节点较近的区域的路由路径可能性数量差距也非常大，由于区域内节点的能量调整是通过选举剩余能量最大的节点作为簇头来调整的，这种路由路径数量上的差别使得远离汇聚节点区域的节点的能量相对来说有更小的可能性获得能耗较小的路由路劲，在多次工作轮换的情况下，远离汇聚节点的区域相对来说会有更大的可能性成为消耗能量最快的区域。为了缓解远离汇聚节点区域消耗能量的速度相对其他区域较快这个问题，本技术方案提出一种汇聚节点广播控制能耗过快的区域的数据产生速率的机制，能够进一步地平衡网络的能耗。

步骤S3,所述节点的分布形状，当节点设置在桥梁两侧时，节点的分布形状包括：对等腰三角形、对矩形。

所述对等腰三角形，具体设置过程为：

节点O、A、B的感应半径为r,桥梁模型宽为h，J为其中的一个节点，等腰三角形的底OA等于d,假设r＞h，要满足三角形OAB被无缝覆盖，且覆盖度至少为2，则需要线段长度满足OJ≥OA；在覆盖度至少为2的等腰三角形部署，必须满足:

若需要满足覆盖度至少为3的无缝覆盖，则三角形OAB必须都在圆O、A、B的监测范围内，则必须满足:

r≥d。

所述对矩形，具体设置过程为：

节点A、B、C、D的感应半径为r,桥梁模型宽为h，等腰三角形的底AB＝d,假设r＞h，要达到矩形ABCD覆盖度至少2的无缝覆盖，E、F、G均为其中的一个节点，区域EFG只有被圆A覆盖的区域要被圆B或D覆盖,则需要AG+FB≥AB，即

同样要满足矩形ABCD覆盖度为至少3的无缝覆盖，则至少需要圆A与圆C的交点E对AC的垂直距离大于AB，即

该式同时也是矩形ABCD覆盖度为至少4的无缝覆盖的满足条件。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明提出一种适用于现实桥梁的线型拓扑策略，该策略采用节点不均匀分布的策略来避免热区问题带来的网络能耗不均问题，通过数学计算计算出节点在特定区域分布的数量，策略在分簇机制上基于节点的剩余能量来选择簇头，并采用一种牺牲数据采集量来进一步平衡网络能耗的办法，在这些策略下，在仿真中得以证实其能耗平衡性，另外还对节点的分布形状进行效率研究，提高了节点的利用率。

附图说明

图1为热区问题建模示意图。

图2为本发明所述一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法的流程图。

图3为图2所述方法的簇头选举流程图。

图4为不均匀分布节点剩余能量的仿真图。

图5为均匀分布节点剩余能量的仿真图。

图6为节点位置图。

图7为没有数据产生速率调整机制下的节点剩余能量的仿真图。

图8为有数据产生速率调整机制下的方差走势的仿真图。

图9为有数据产生速率调整机制下的节点剩余能量的仿真图。

图10为覆盖度为2的矩形与等腰三角形效率比较图。

图11为覆盖度为3的矩形与等腰三角形效率比较图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图2，一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，包括以下步骤：

S1、采用节点不均匀布置的拓扑策略模型，节点数量以等差数列的形式来分布；

S2、控制区域数据产生速率：通过每一轮对节点剩余能量的采集，通过SINK就算出各区域能耗的数学期望和标准差，再判断是否触发控制命令；

S3、通过设置节点的分布形状满足要求的覆盖度。

步骤S1中，所述节点数量以等差数列的形式来分布，具体为：圆环内节点的密度随着与基站距离的增加而依次减少，依次减少满足等差数列。

所述步骤S1，具体为：

S101、划分网络：把线型网络等分成n个区域，记每个区域编号为a_i，设每个区域长度都为L，每个区域面积均为S，区域a_i内节点密度为ρ_i；其中1≤i≤n；

S102、计算区域a_i的总能耗：

记区域内每个节点的电量e,并假定区域内的数据产生速率相同，每轮为M；则每轮每个区域接收和发送的数据量为n*M；

数据传输距离假定为区域与区域间的中心距离L；则对区域a_i:

每轮接收的数据消耗能量E_Rx为

E_Rx＝E_clec*n*M；

其中E_clec为接收单位报文损耗能量；

每轮发送数据消耗的能量E_Tx为

E_Tx＝n*M*(E_elec+E_amp*L²)；

其中E_elec为发射单位报文损耗能量；E_amp为放大功率能量；

每轮区域a_i总耗能E为

E＝E_Rx+E_Tx＝n*M*(E_clec+E_elec+E_amp*L²)；

S103、算出区域总能量和区域总能耗的比值K：

每个区域a_i总能量为

ρ_i*S*e

记区域a_i总能量和区域a_i每轮的总耗能比值为K：

S104、用K里面的ρ_i表出节点总个数并求出ρ_i关于网络节点总数g的表达式，区域面积为S；则

则网络节点总数为g为

则

化简：

代入得

因M、E_clec、E_elec、E_amp、L均为定值，则化简得

则区域a_i的节点数量a_s为：

从该式看出离汇聚节点越近，区域a_i的节点数量就越多，区域与区域之间的节点个数关系是呈等差数列关系。

所述步骤S2，具体为：

簇头把信息发送至汇聚节点后，汇聚节点得到各区域整体的节点能量剩余情况后，算出各节点剩余能量e_j和各区域平均剩余能量E_j，剩余能量平均值E_ave,其中1≤j≤g，则

得出E_ave后，汇聚节点通过计算各区域平均剩余能量E_j与E_ave的标准差X和方差x，获知各区域剩余能量情况对E_ave的偏离情况；

标准差X:

方差x:

通过预先设定阈值K，当K处于一个特定的水平时，汇聚节点就广播控制降低区域剩余节点能量低于平均值E_ave并偏离得最大的区域的数据发生速率。

如图3，所述步骤S2，具体为：

设定一个区域内的节点集合成一簇，且成员经过n轮都不改变，即其他区域的节点无法成为本簇的成员；

由于簇头可以收集各个成员的能量信息，附带在传感数据一起，簇头计算出能量分布情况；

从第一轮开始设定每个区域的簇头，节点成员开始采集数据并与簇头通信的期间，把自身剩余的能量剩余信息一同发送至簇头节点，在轮换的前一刻，簇头根据成员的能量情况，把指定信息给剩余能量最大的成员节点，如果剩余能量最多的节点有不止一个，则在剩余能量的最大的这些成员中随机选出簇头，完成轮换。

步骤S3,所述节点的分布形状，当节点设置在桥梁两侧时，节点的分布形状包括：对等腰三角形、对矩形。

所述对等腰三角形，具体设置过程为：

节点O、A、B的感应半径为r,桥梁模型宽为h，J为其中的一个节点，等腰三角形的底OA等于d,假设r＞h，要满足三角形OAB被无缝覆盖，且覆盖度至少为2，则需要线段长度满足OJ≥OA；在覆盖度至少为2的等腰三角形部署，必须满足:

若需要满足覆盖度至少为3的无缝覆盖，则三角形OAB必须都在圆O、A、B的监测范围内，则必须满足:

r≥d。

所述对矩形，具体设置过程为：

节点A、B、C、D的感应半径为r,桥梁模型宽为h，等腰三角形的底AB＝d,假设r＞h，要达到矩形ABCD覆盖度至少2的无缝覆盖，E、F、G均为其中的一个节点，区域EFG只有被圆A覆盖的区域要被圆B或D覆盖,则需要AG+FB≥AB，即

同样要满足矩形ABCD覆盖度为至少3的无缝覆盖，则至少需要圆A与圆C的交点E对AC的垂直距离大于AB，即

该式同时也是矩形ABCD覆盖度为至少4的无缝覆盖的满足条件。

为了验证上述的节点分布策略及控制数据产生速率控制机制是否能真正达到能耗平衡和节点部署形状的效率，本小节采用Matlab进行编程仿真验证，并对结果进行分析。

一、节点不均匀部署与均匀部署的能耗比较

参数设置

表1参数设置

仿真结果如图4、5。

实验结果表明，在上述参数的设定下，在节点不均匀分的策略中，在第549轮出现第一个节点死亡，节点剩余总能量为0.91，占初始总能量的3.3％，而节点均匀分布在第121轮出现第一个节点死亡，节点剩余总能量为13.50，占初始总能量的49.09％。从这结果可以看出，节点不均匀分布的策略确实可以提高网络能耗的均匀型，提高网络寿命。

二、数据产生速率调整机制的效果

表2参数设置

实验结果见图6、7、8、9。

实验结果分析：

由于节点随机分布，采用两个机制各3次实验取平均，得出有数据产生速率调整机制的平均总剩余能量为5.35，第一个节点死亡轮数为1049，而没有数据产生速率调整机制的平均总剩余能量为9.38，第一个节点死亡轮数平均为933。实验结果表明有数据产生速率调整机制确实能一定程度上进一步延长网络的寿命。

三、节点布置形状的效率比较

表3参数设置

桥梁宽度	8米
		节点感应半径	10米

实验结果见图10、11。实验结果表明在覆盖度至少为2的要求下，矩形分布要比等腰三角形分布效率要高，而在覆盖度至少为3的要求下，等腰三角形分布要比矩形分布效率高。

根据以上的分析，如果按1000m*8m的桥梁分为10个区域，每个区域长度为100m，那么远离SINK第一个区域可以采用5个节点来达到覆盖度为1的网络，当第一个区域布置5个节点，根据之前的工作就意味着第二个区域放10个节点，第三个区域放，15个节点，以此类推那么从第三个区域开始就是按覆盖度为2，最高效率的矩形布置。从第五个区域开始就是按覆盖度为3，最高效率的等腰三角形布置。从第七个区域开始就是按覆盖度为4，最高效率的矩形布置。从而达到不浪费节点功能，提高监测精确度的目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、采用节点不均匀布置的拓扑策略模型，节点数量以等差数列的形式来分布；

S2、控制区域数据产生速率：通过每一轮对节点剩余能量的采集，通过SINK就算出各区域能耗的数学期望和标准差，再判断是否触发控制命令；

S3、通过设置节点的分布形状满足要求的覆盖度；

所述节点的分布形状，当节点设置在桥梁两侧时，节点的分布形状包括：对等腰三角形、对矩形；

所述对等腰三角形，具体设置过程为：

节点O、A、B的感应半径为r,桥梁模型宽为h，J为其中的一个节点，等腰三角形的底OA等于d,假设r＞h，要满足三角形OAB被无缝覆盖，且覆盖度至少为2，则需要线段长度满足OJ≥OA；在覆盖度至少为2的等腰三角形部署，必须满足:

若需要满足覆盖度至少为3的无缝覆盖，则三角形OAB必须都在圆O、A、B的监测范围内，则必须满足:

r≥d。

2.根据权利要求1所述解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，其特征在于：步骤S1中，所述节点数量以等差数列的形式来分布，具体为：圆环内节点的密度随着与基站距离的增加而依次减少，依次减少满足等差数列。

3.根据权利要求1所述解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，其特征在于，所述步骤S2，具体为：

设定一个区域内的节点集合成一簇，且成员经过n轮都不改变，即其他区域的节点无法成为本簇的成员；

由于簇头可以收集各个成员的能量信息，附带在传感数据一起，簇头计算出能量分布情况；

从第一轮开始设定每个区域的簇头，节点成员开始采集数据并与簇头通信的期间，把自身剩余的能量剩余信息一同发送至簇头节点，在轮换的前一刻，簇头根据成员的能量情况，把指定信息给剩余能量最大的成员节点，如果剩余能量最多的节点有不止一个，则在剩余能量的最大的这些成员中随机选出簇头，完成轮换。

4.根据权利要求1所述解决在多跳传感器网络中存在的热区问题的方法，其特征在于：所述对矩形，具体设置过程为：

节点A、B、C、D的感应半径为r,桥梁模型宽为h，等腰三角形的底AB＝d,假设r＞h，要达到矩形ABCD覆盖度至少2的无缝覆盖，E、F、G均为其中的一个节点，区域EFG只有被圆A覆盖的区域要被圆B或D覆盖,则需要AG+FB≥AB，即

同样要满足矩形ABCD覆盖度为至少3的无缝覆盖，则至少需要圆A与圆C的交点E对AC的垂直距离大于AB，即

该式同时也是矩形ABCD覆盖度为至少4的无缝覆盖的满足条件。