CN107682871B - 无线传感器网络中继节点部署优化方法及无线传感器网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无线传感器网络中继节点部署优化方法及无线传感器网络。其中,优化方法包括根据传感器的聚集区域来设定传感器节点部署区域,为每个传感器节点部署区域分配相应支配度;获取传感器节点部署区域的有效通信区域,将任意两个有效通信区域间的重叠区域均作为中继节点部署区域;以部署成本最低为目标,且以传感器节点部署区域相应的支配度为约束,建立整数线性规划模型,求解模型得到中继节点部署区域中所部署的中继节点数量;对支配度大于1的传感器节点部署区域,按照数据量大小将其内的传感器节点分组,且分组的数量与其支配度相等,每组传感器节点分别由不同的中继节点进行管理。本发明将部署成本降到最低,且提高了通信网络的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器网络领域,尤其涉及一种无线传感器网络中继节点部署优化方法及无线传感器网络。
背景技术
无线传感器网络是由分布在不同区域的传感器组成的无线通信网络,被广泛应用在医疗监控、森林防火和环境监测等领域。在单层无线传感器网络模型中,无线传感器节点均具有数据接收与发送功能,而通常传感器节点放置于户外等恶劣环境中,容易受到破坏,一旦发生损坏,经由其转发的数据将无法传输到基站;另外,传感器节点转发大量数据会消耗更多能量,寿命因此受到影响。基于上述原因,双层无线传感器网络模型被大量应用。在双层模型中,无线传感器节点组成底层,他们将数据发送到中继节点,中继节点组成上层网络,将其覆盖的传感器的数据收集并发送到基站。
在无线传感器网络的双层模型中,一个中继节点转发数据的能力是有限的。但是在很多实际应用中,为了满足工程上的需求,会将多个传感器集成到一起,作为一个传感器组。相对于单一传感器,传感器组的数据并发量大大增加,这就要求在部署中继节点时要将传感器节点的数据量考虑在内。
在很多场合下,传感器的分布具有聚集特性,即实现特定功能的传感器或传感器组之间距离往往很近,远小于传感器和中继节点的通信半径。传统的方法把传感器看作一个点,对无线传感器网络建立网络图等模型,寻找将图上的点全覆盖的中继节点部署算法。这种传统方法没有利用传感器的聚集特性,不能降低问题的规模,算法的时间复杂度高,实现困难。
近几年来,多目标粒子群优化算法、遗传算法、模拟退火算法等启发式算法被大量应用到中继节点的部署及优化中,这些算法的实现依赖于具体的实际问题,不能保证在合理的时间给出最优的方案。
此外,以上方法只能保证一个传感器被一个中继节点覆盖,但是当某个中继节点断电或损坏时,将无法完成数据的转发。因此,降低问题的规模,寻找问题的最优解,并建立后备容错机制,成为研究的重要方向。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本发明的第一目的是提供一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,其预先建立传感器的聚集区域,为每个区域设定中继节点的支配度,对区域进行多重覆盖约束,以部署成本最小为目标,完成中继节点的部署,这种部署方法利用区域的多重覆盖,实现数据的负载均衡,并建立后备容错机制,从而实现了部署成本最低、减轻负载、提高网络可靠性的目的。
本发明的一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,包括:
步骤1:根据传感器的聚集区域来设定传感器节点部署区域,并为每个传感器节点部署区域分配相应支配度;支配度为每个传感器节点部署区域所对应的中继节点的数量;
步骤2:获取所有设定的传感器节点部署区域的有效通信区域,将任意两个有效通信区域间的重叠区域均作为中继节点部署区域;
步骤3:以部署成本最低为目标,且以传感器节点部署区域相应支配度为约束,建立整数线性规划模型,求解模型得到中继节点部署区域中所部署的中继节点数量;
步骤4:对支配度大于1的传感器节点部署区域,按照数据量大小将其内的传感器节点分组,且分组的数量与其支配度相等,每组传感器节点分别由不同的中继节点进行管理,以实现中继节点的负载均衡。
优选地,该方法还包括:
对支配度大于1的传感器节点部署区域,建立并配置后备容错机制,一旦某个中继节点出现故障,其覆盖的区域中失去连接的传感器切换到后备中继节点。
优选地,若一个中继节点出现故障,采用集合划分原理将其支配区域内传感器节点均衡划分到其余完好中继节点。
优选地,在所述步骤1中,人为设定传感器的聚集区域,再以聚集区域中最远两个传感器节点的连线为直径作圆,作为传感器节点部署区域。
优选地,在所述步骤1中,根据规划或预期数据量大小及容错性,为每个传感器节点部署区域分配相应支配度。
优选地,在所述步骤2中,传感器节点部署区域的有效通信区域为一圆形区域。
优选地,圆形的传感器节点部署区域的有效通信区域的圆心为相应传感器节点部署区域的中心。
优选地,圆形的传感器节点部署区域的有效通信区域的半径为:
传感器节点和中继节点的最大通信半径与相应传感器节点部署区域的中心到其区域边界的最远距离的差值。
其中,以每块传感器节点部署区域Si的中心为圆心,以αi(i=1,2,...,m)为半径作圆,得到传感器节点部署区域Si和中继节点的有效通信区域Ri,各有效通信区域间的重叠区域记为需要部署中继节点的候选区域Cj(j=1,2,...,n),其中αi=r-ri,ri表示第i块区域中心到区域边界的最远距离,r表示。
具体地,在步骤3中,建立m×n维矩阵A,A中的元素aij表示设定区域Si能否与候选区域Cj通信,若可以,aij为1;否则为0。
所建立的整数线性规划模型中,目标函数定义为:
Y表示部署成本,cj表示第j块候选区域部署成本,xj表示第j块候选区域部署中继节点数量,约束条件为:
Ax≥d
优选地,在所述步骤4中,采用集合划分原理来均衡区域内数据负载。
本发明的第二目的是提供一种无线传感器网络。
本发明的一种无线传感器网络,其中的中继节点采用上述所述的无线传感器网络中继节点部署优化方法来实现。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明设定传感器的聚集区域,以及传感器节点部署区域,有效减少了问题的规模,使求最优解变得简单。
(2)本发明先建立传感器的聚集区域,为每个区域设定中继节点的支配度,对区域进行多重覆盖约束,以部署成本最小为目标,完成中继节点的部署,这种部署方法利用区域的多重覆盖,实现数据的负载均衡,并建立后备容错机制,从而实现了部署成本最低、减轻负载、提高网络可靠性的目的,针对区域内数据量大的特性,提出了对传感器聚集区域多重覆盖的方法,可以实现区域内负载均衡和建立后备容错机制。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的一种无线传感器网络中继节点部署方法的实施例一流程图。
图2是本发明的一种无线传感器网络中继节点部署方法的实施例二流程图。
图3是无线传感器聚集区域示意图。
图4是传感器聚集区域处理后的设定区域示意图。
图5是传感器和中继节点的通信图。
图6是中继节点候选部署区域示意图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是本发明的一种无线传感器网络中继节点部署方法的流程图。
如图1所示,本发明的一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,包括:
步骤1:根据传感器的聚集区域来设定传感器节点部署区域,并为每个传感器节点部署区域分配相应支配度;支配度为每个传感器节点部署区域所对应的中继节点的数量。
在具体实施中,在所述步骤1中,人为设定传感器的聚集区域,再以聚集区域中最远两个传感器节点的连线为直径作圆,作为传感器节点部署区域。
而且在所述步骤1中,根据规划或预期数据量大小及容错性,为每个传感器节点部署区域分配相应支配度。
例如:
图3所示为传感器的聚集区域示意图,这些聚集区域的形状并不规则,所以本发明对传感器的聚集区域作以下处理:
以聚集区域中最远两点的连线为直径作圆,作为传感器节点部署区域,如图4所示。
需要注意的是,由于在很多实际应用中,具有相同功能的传感器分布较为集中,因此相对于通信半径,每个传感器节点部署区域的半径很小。相对于单个传感器,设定区域内数据并发量明显增加,这就需要根据区域数据量大小,由di(i=1,2,...,9)个中继节点分别支配对应的传感器节点部署区域Si(i=1,2,...,9),di被称为支配度。在本实施例中,为九块设定区域分配的支配度分别为:(3,4,3,2,2,3,3,2,2)。
步骤2:获取所有设定的传感器节点部署区域的有效通信区域,将任意两个有效通信区域间的重叠区域均作为中继节点部署区域。
在具体实施中,传感器节点部署区域的有效通信区域为一圆形区域。
其中,圆形的传感器节点部署区域的有效通信区域的圆心为相应传感器节点部署区域的中心。
圆形的传感器节点部署区域的有效通信区域的半径为:
传感器节点和中继节点的最大通信半径与相应传感器节点部署区域的中心到其区域边界的最远距离的差值。
例如:以每个传感器节点部署区域Si的中心为圆心,以αi(i=1,2,...,9)为半径作圆,得到传感器节点部署区域Si和中继节点的有效通信区域Ri(i=1,2,...,9),其中αi=r-ri,ri表示第i块设定区域的半径,r表示传感器和中继节点的最大通信半径。
如图5所示,以第一块区域为例,r1为其半径,以R1中心为圆心,r-r1为半径作圆,假如中继节点部署在圆上的A点,该中继节点也能覆盖设定区域内所有传感器,这就保证了所作圆为传感器节点部署区域Ri和中继节点的有效通信区域。
各有效通信区域间的重叠区域记为Cj(j=1,2,...,7),如图6所示。
步骤3:以部署成本最低为目标,且以传感器节点部署区域相应支配度为约束,建立整数线性规划模型,求解模型得到中继节点部署区域中所部署的中继节点数量。
具体地,建立9×7维矩阵A,A中的元素aij表示Ri能否与Cj通信,若可以,aij为1;否则为0。
所建立的整数线性规划模型中,目标函数定义为:
Y表示部署成本,cj表示第j块区域部署成本,xj表示第j块有效通信区域部署中继节点数量,约束条件为:
Ax≥d
在本实施例中,设每个中继节点的部署成本均为1,得到的目标函数为:
约束条件为:
解以上线性规划模型,得到结果x1=3,x2=1,x3=2,x4=2,x5=1,x6=2,x7=2。
步骤4:对支配度大于1的传感器节点部署区域,按照数据量大小将其内的传感器节点分组,且分组的数量与其支配度相等,每组传感器节点分别由不同的中继节点进行管理,以实现中继节点的负载均衡。
具体地,采用集合划分原理来均衡区域内数据负载。
例如:
以设定区域1为例,假设区域内有9个传感器,其数据量分别为(32,49,65,25,80,62,27,45,71)。采用集合划分原理均衡区域内数据负载。设一个区域内有p个传感器,被d个中继节点支配,问题可以描述为:将p个数划分到d个集合中,使各集合元素尽可能相等。它的数学模型可以表示为:
其中xlk表示设定区域Si中第l个传感器是否被第k个中继节点支配,若是,xlk=1,反之,xlk=0。al表示设定区域Si中第l个传感器组的数据量大小。经过负载均衡后,三个中继节点承担的数据量分别为(80,45,27),(71,49,32),(70,62,25)。
如图2所示,本发明的一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,还包括:
步骤5:对支配度大于1的传感器节点部署区域,建立并配置后备容错机制,一旦某个中继节点出现故障,其覆盖的区域中失去连接的传感器切换到后备中继节点。
假如负载数据量为(80,45,27)的中继节点出现故障,则其支配的传感器应被其他两个中继节点支配,此时其他两个中继节点承担的数据量分别为(71,49,32,80),(70,62,25,45,27)。
具体地,若一个中继节点出现故障,采用集合划分原理将其支配区域内传感器节点均衡划分到其余完好中继节点。
本发明设定传感器的聚集区域,以及传感器节点部署区域,有效减少了问题的规模,使求最优解变得简单。
本发明先建立传感器的聚集区域,为每个区域设定中继节点的支配度,对区域进行多重覆盖约束,以部署成本最小为目标,完成中继节点的部署,这种部署方法利用区域的多重覆盖,实现数据的负载均衡,并建立后备容错机制,从而实现了部署成本最低、减轻负载、提高网络可靠性的目的,针对区域内数据量大的特性,提出了对传感器聚集区域多重覆盖的方法,可以实现区域内负载均衡和建立后备容错机制。
本发明还提供了一种无线传感器网络。
本发明的一种无线传感器网络,其中的中继节点采用如图1所示的无线传感器网络中继节点部署优化方法来实现。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,其特征在于,包括:
步骤1:根据传感器的聚集区域来设定传感器节点部署区域,并为每个传感器节点部署区域分配相应支配度;支配度为每个传感器节点部署区域所对应的中继节点的数量;
步骤2:获取所有设定的传感器节点部署区域的有效通信区域,将任意两个有效通信区域间的重叠区域均作为中继节点部署区域;
步骤3:以部署成本最低为目标,且以传感器节点部署区域相应支配度为约束,建立整数线性规划模型,求解模型得到中继节点部署区域中所部署的中继节点数量;
步骤4:对支配度大于1的传感器节点部署区域,按照数据量大小将其内的传感器节点分组,且分组的数量与其支配度相等,每组传感器节点分别由不同的中继节点进行管理,以实现中继节点的负载均衡;
人为设定传感器的聚集区域,再以聚集区域中最远两个传感器节点的连线为直径作圆,作为传感器节点部署区域。
2.如权利要求1所述的一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,其特征在于,该方法还包括:
对支配度大于1的传感器节点部署区域,建立并配置后备容错机制,一旦某个中继节点出现故障,其覆盖的区域中失去连接的传感器切换到后备中继节点。
3.如权利要求2所述的一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,其特征在于,若一个中继节点出现故障,采用集合划分原理将其支配区域内传感器节点均衡划分到其余完好中继节点。
4.如权利要求1所述的一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,其特征在于,在所述步骤1中,根据规划或预期数据量大小及容错性,为每个传感器节点部署区域分配相应支配度。
5.如权利要求1所述的一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,其特征在于,在所述步骤2中,传感器节点部署区域的有效通信区域为一圆形区域。
6.如权利要求5所述的一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,其特征在于,圆形的传感器节点部署区域的有效通信区域的圆心为相应传感器节点部署区域的中心。
7.如权利要求5所述的一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,其特征在于,圆形的传感器节点部署区域的有效通信区域的半径为:
传感器节点和中继节点的最大通信半径与相应传感器节点部署区域的中心到其区域边界的最远距离的差值。
8.如权利要求1所述的一种无线传感器网络中继节点部署优化方法,其特征在于,在所述步骤4中,采用集合划分原理来均衡区域内数据负载。
9.一种无线传感器网络,其特征在于,所述无线传感器网络中的中继节点采用如权利要求1-8中任一项所述的无线传感器网络中继节点部署优化方法来实现。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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