CN109688557A - 一种协作节点选择方法、装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种协作节点选择方法及装置，该方法包括：向预先建立的候选集合中的每个候选节点广播协作请求消息；接收候选集合中的各个候选节点返回的候选节点数据，候选节点数据包括候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离和候选节点中心度；根据候选节点数据计算候选集合中的各个候选节点的效益值；根据各个候选节点的效益值，从候选集合中选择协作节点。本申请在保证网络连通性的同时，以均衡网络中的能量消耗为目标，利用候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离以及候选节点中心度计算候选集合中的各个候选节点的权益值，进而根据各个候选节点的选出协作节点。能够最大限度的降低节点能耗、延长网络生存时间。

Description

一种协作节点选择方法、装置
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种协作节点方法、装置。
背景技术
无线传感器网络中，路由负责将节点采集的数据进行分组转发到汇聚节点，但是由于传感器网络中能量有限，能量效率直接关系到无线传感器网络的生存时间。降低节点的能量消耗，在源节点到目的节点之间找到一条最佳的路由，将数据在最佳的路径上进行传递，能够有效均衡网络中的能量。在实际应用场景中，如果选择不出合适的协作节点，节点间的协作性就会很差，会造成大量的能量消耗。
目前常用的节能路由方法主要有：泛洪路由方法和有序分配路由方法。
泛洪路由方法的基本思想是源节点将消息发送给所有邻居节点，各个邻居节点再将消息转发给目的节点。泛洪路由方法虽然能够以最快速度将消息发送到目的节点，但是容易产生大量的消息副本，浪费了大量的能量。有序分配路由方法的基本思想是综合考虑了功耗、QoS和分组优先权等因素，采用多路径传输方法，有较好的网络健壮性。虽然该方法能够保证网络的容错性，但是当网络规模较大时，维护多路径网络的运行会带来巨大的能量消耗。当前的节能路由方法要么是产生大量的消息副本，要么是维护多路径网络的运行会带来巨大的能量消耗。。
发明内容
本申请针对当前的节能路由方法要么是产生大量的消息副本，要么是维护多路径网络的运行会带来巨大的能量消耗的问题，提供一种路由发现方法及装置。
本申请提供一种协作节点选择方法，包括：
向预先建立的候选集合广播协作请求消息；
接收候选集合中的各个候选节点返回的候选节点数据，所述候选节点数据包括候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离和候选节点中心度；
根据所述候选节点数据计算候选集合中的各个候选节点的效益值；
根据所述各个候选节点的效益值，从所述候选集合中选择协作节点。
可选的，所述根据所述候选节点数据计算候选集合中的各个候选节点的效益值步骤，包括：
根据所述候选节点数据通过公式计算所述候选集合中的各个候选节点的效益值，其中，为候选节点剩余能量，为信道增益，为候选节点到源节点的距离，Ci为候选节点中心度。
可选的，所述向预先建立的候选集合广播协作请求消息步骤之前，还包括：
根据信噪比大于或等于预先设定的信噪比阈值的节点建立所述候选集合，其中，所述候选集合中的候选节点的个数大于或等于N，N为源节点的天线数目。
可选的，所述根据所述各个候选节点的效益值，从所述候选集合中选择协作节点步骤，包括：
对所述候选集合中的各个候选节点按照效益值的递减顺序进行排序，并筛选出排序在前的N个候选节点确定为协作节点，其中N为源节点的天线数目。
可选的，所述根据所述各个候选节点的效益值，从所述候选集合中选择协作节点步骤之后，还包括：
判断自身剩余能量是否低于预先设定的能量阈值；
若是，则向基站发送指示消息，以使所述基站重新选择簇头节点。
本申请还提供一种协作节点选择装置，包括：
广播模块，用于向预先建立的候选集合广播协作请求消息；
接收模块，用于接收候选集合中的各个候选节点返回的候选节点数据，所述候选节点数据包括候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离和候选节点中心度；
计算模块，用于根据所述候选节点数据计算候选集合中的各个候选节点的效益值；
选择模块，用于根据所述各个候选节点的效益值，从所述候选集合中选择协作节点。
可选的，所述计算模块，具体用于：
根据所述候选节点数据通过公式计算所述候选集合中的各个候选节点的效益值，其中，为候选节点剩余能量，为信道增益，为候选节点到源节点的距离，Ci为候选节点中心度。
可选的，所述装置还包括：
候选集合建立模块，用于根据信噪比大于或等于预先设定的信噪比阈值的节点建立所述候选集合，其中，所述候选集合中的候选节点的个数大于或等于N，N为源节点的天线数目。
可选的，所述选择模块，具体用于：
对所述候选集合中的各个候选节点按照效益值的递减顺序进行排序，并筛选出排序在前的N个候选节点确定为协作节点，其中N为源节点的天线数目。
可选的，所述装置还包括：
判断模块，用于判断自身剩余能量是否低于预先设定的能量阈值；
发送模块，用于若是，则向基站发送指示消息，以使所述基站重新选择簇头节点。
本申请提供的一种协作节点选择方法，在保证网络连通性的同时，以均衡网络中的能量消耗为目标，利用候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离以及候选节点中心度计算候选集合中的各个候选节点的权益值，进而根据各个候选节点的选出协作节点。能够最大限度的降低节点能耗、延长网络生存时间。
附图说明
图1为本申请第一实施例提供的一种协作节点选择方法的流程图；
图2为本申请第一实施例提供的一种协作节点选择方法的另一流程图；
图3为本申请第一实施例提供的一种协作节点选择方法的另一流程图；
图4为本申请第二实施例提供的一种协作节点选择装置的结构示意图；
图5为本申请第二实施例提供的一种协作节点选择装置的另一结构示意图；
图6为本申请第二实施例提供的一种协作节点选择装置的另一结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本申请提供一种协作节点选择方法、装置。以下分别结合本申请提供的实施例的附图逐一进行详细说明。
本申请第一实施例提供的一种协作节点选择方法如下：
本申请实施例的执行主体是簇头节点，如图1所示，其示出了本申请实施例提供的一种协作节点选择方法的流程图，包括以下步骤。
步骤S101，向预先建立的候选集合中的每个候选节点广播协作请求消息。
降低节点的能量消耗，在源节点到目的节点之间找到一条最佳的路由，将数据在最佳的路径上进行传递，能够有效均衡网络中的能量。
一般来说，无线传感器网络有大量节点，且能量有限不能直接跟基站进行通信，就需要有效的路由协议，而分簇路由协议是其中一种，它将邻近区域的节点组成一个簇，并选出簇头节点，簇内节点先将数据传给簇头节点，簇头节点将数据融合之后再转发给下一跳或直接转发给基站。
在实际应用场景中，如果选择不出合适的协作节点，节点间的协作性就会很差，会造成大量的能量消耗。为了提高节点能量效率，延长网络生存时间，可以利用传感器节点上的天线间的相互协作来完成数据的发生和接收，能够有效抵抗多径衰落，实现低能耗的可靠通信。簇头节点可以进行协作节点的选择，因此，为了有效地达到均衡网络能量消耗的目的，以簇头节点为执行主体，提出一种新型的协作节点选择方法。
优选地，如图2所示，其示出了本申请实施例提供的一种协作节点选择方法的另一流程图，所述步骤S101之前，还包括：
步骤S105，将信噪比大于或等于预先设定的信噪比阈值的节点加入到所述候选集合中，其中，所述候选集合中的候选节点的个数大于或等于N，N为源节点的天线数目。
信噪比，英文名称叫做SNR或S/N(SIGNAL-NOISE RATIO)，又称为讯噪比。是指一个电子设备或者电子***中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号(或信息)，并且该种信号并不随原信号的变化而变化。
在该步骤中，簇头节点首先对网络进行初始化，预先建立协作节点的候选集合。设定接收信噪比阈值当某个节点的信噪比大于或等于预先设定的信噪比阈值时，即时，则将该节点加入候选集合中。信噪比阈值可以根据需要自行设定，此处不作限定。否则该节点成为非协作节点，将从源节点的信息发送到簇头节点。保持候选集合中的节点数目大于或等于N，N为源节点的天线数目，保证从候选集合中选出的协作节点的个数能与源节点的天线数目对应，即能选出N个协作节点。如果候选集合中的节点数目小于N，则流程结束。
在一种优选的方案中，在候选集合创建好之后，候选集合中的每个候选节点根据当前所消耗的能量，计算自身的剩余能量和信道增益每个候选节点自身的剩余能量为每个候选节点自身的总能量减去消耗的能量的值，信道增益为信息传输时检测到的值。
在一种优选的方案中，在候选集合中的每个候选节点计算自身的剩余能量和信道增益之后，源节点向候选集合中的每个候选节点广播一个接收信号强度指示信号，候选集合中的每个候选节点根据收到的信号强度计算自身到源节点的距离
具体的，在候选集合中的节点计算自身到源节点的距离之后，执行步骤S101，簇头节点向候选集合中的每个候选节点广播一个协作请求消息，以供簇头节点对协作节点进行选择。
步骤S102，接收候选集合中的各个候选节点返回的候选节点数据，所述候选节点数据包括候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离和候选节点中心度。
具体的，候选集合中的各个候选节点在收到簇头节点的协作请求消息后将候选节点剩余能量信道增益候选节点到源节点的距离以及节点中心度Ci发送给簇头节点。
步骤S103，根据所述候选节点数据计算候选集合中的各个候选节点的效益值。
优选地，所述步骤S103，包括：根据所述候选节点数据通过公式计算所述候选集合中的各个候选节点的效益值，其中，为候选节点剩余能量，为信道增益，为候选节点到源节点的距离，Ci为候选节点中心度。
具体的，簇头节点将候选节点剩余能量信道增益候选节点到源节点的距离以及节点中心度Ci带入到公式中计算各个候选节点的效益值Qi。各个候选节点的效益值Qi与候选节点剩余能量成正比，与候选节点到源节点的距离的平方成反比。
步骤S104，根据所述各个候选节点的效益值，从所述候选集合中选择协作节点。
优选地，所述步骤S104，包括：对所述候选集合中的各个候选节点按照效益值的递减顺序进行排序，并筛选出排序在前的N个候选节点确定为协作节点，其中N为源节点的天线数目。
具体的，簇头节点对候选集合中的各个候选节点按照效益值的递减顺序进行排序，选出排序在前的N个候选节点确定为协作节点。因为源节点的天线数目为N，选择出的协作节点也为N个，以供源节点将数据传输到各个协作节点。
优选地，如图3所示，其示出了本申请实施例提供的一种协作节点选择方法的另一流程图，所述步骤S104之后，还包括：
步骤S106，判断自身剩余能量是否低于预先设定的能量阈值，若是，则执行步骤S107；若否，流程结束。
步骤S107，向基站发送指示消息，以使所述基站重新选择簇头节点。
具体的，经过一个周期时间后，如果簇头节点检测到自身剩余能量低于预先设定的能量阈值时，则向基站发送指示消息，以使基站对整个网络重新选择簇头节点。能量阈值可以根据需要自行设定，此处不作限定。待簇头节点选择完成后，再返回步骤S105，重新选择协作节点。
在一种优选的方案中，如果选择出的协作节点检测到自身剩余能量低于预先设定的能量阈值时，也可以向基站发送指示消息，以使基站对整个网络重新选择簇头节点，进而重新选择协作节点。
本申请首先对网络进行初始化，簇头节点通过设定信噪比阈值创建协作节点的候选集合。簇头节点向候选集合中每个候选节点广播一个协作请求消息，并利用候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离以及节点中心度计算各个候选节点的权益值。簇头节点对各个候选节点的权益值按照效益值的递减顺序进行排序，选出排序在前的N个候选节点确定为协作节点。
本申请提供的一种协作节点选择方法，在保证网络连通性的同时，以均衡网络中的能量消耗为目标，利用候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离以及节点中心度计算候选集合中的各个候选节点的权益值，进而根据各个候选节点的选出协作节点。能够最大限度的降低节点能耗、延长网络生存时间。
本申请第二实施例提供的一种协作节点选择装置如下：
在上述的实施例中，提供了一种协作节点选择方法，与之相对应的，本申请还提供了一种协作节点选择装置。
如图4所示，其示出了本申请实施例提供的一种协作节点选择装置的结构示意图，包括以下模块。
广播模块11，用于向预先建立的候选集合中的每个候选节点广播协作请求消息；
接收模块12，用于接收候选集合中的各个候选节点返回的候选节点数据，所述候选节点数据包括候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离和候选节点中心度；
计算模块13，用于根据所述候选节点数据计算候选集合中的各个候选节点的效益值；
选择模块14，用于根据所述各个候选节点的效益值，从所述候选集合中选择协作节点。
进一步地，所述计算模块，具体用于：
根据所述候选节点数据通过公式计算所述候选集合中的各个候选节点的效益值，其中，为候选节点剩余能量，为信道增益，为候选节点到源节点的距离，Ci为候选节点中心度。
进一步地，如图5所示，其示出了本申请实施例提供的一种协作节点选择装置的另一结构示意图，所述装置还包括：
候选集合建立模块15，用于将信噪比大于或等于预先设定的信噪比阈值的节点加入到所述候选集合中，其中，所述候选集合中的候选节点的个数大于或等于N，N为源节点的天线数目。
进一步地，所述选择模块，具体用于：
对所述候选集合中的各个候选节点按照效益值的递减顺序进行排序，并筛选出排序在前的N个候选节点确定为协作节点，其中N为源节点的天线数目。
进一步地，如图6所示，其示出了本申请实施例提供的一种协作节点选择装置的另一结构示意图，所述装置还包括：
判断模块16，用于判断自身剩余能量是否低于预先设定的能量阈值；
发送模块17，用于若是，则向基站发送指示消息，以使所述基站重新选择簇头节点。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种协作节点选择方法，其特征在于，包括：
向预先建立的候选集合中的每个候选节点广播协作请求消息；
接收候选集合中的各个候选节点返回的候选节点数据，所述候选节点数据包括候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离和候选节点中心度；
根据所述候选节点数据计算候选集合中的各个候选节点的效益值；
根据所述各个候选节点的效益值，从所述候选集合中选择协作节点。
2.根据权利要求1所述的协作节点选择方法，其特征在于，所述根据所述候选节点数据计算候选集合中的各个候选节点的效益值步骤，包括：
根据所述候选节点数据通过公式计算所述候选集合中的各个候选节点的效益值，其中，为候选节点剩余能量，为信道增益，为候选节点到源节点的距离，Ci为候选节点中心度。
3.根据权利要求1所述的协作节点选择方法，其特征在于，所述向预先建立的候选集合中的每个候选节点广播协作请求消息步骤之前，还包括：
将信噪比大于或等于预先设定的信噪比阈值的节点加入到所述候选集合中，其中，所述候选集合中的候选节点的个数大于或等于N，N为源节点的天线数目。
4.根据权利要求1所述的协作节点选择方法，其特征在于，所述根据所述各个候选节点的效益值，从所述候选集合中选择协作节点步骤，包括：
对所述候选集合中的各个候选节点按照效益值的递减顺序进行排序，并筛选出排序在前的N个候选节点确定为协作节点，其中N为源节点的天线数目。
5.根据权利要求1所述的协作节点选择方法，其特征在于，所述根据所述各个候选节点的效益值，从所述候选集合中选择协作节点步骤之后，还包括：
判断自身剩余能量是否低于预先设定的能量阈值；
若是，则向基站发送指示消息，以使所述基站重新选择簇头节点。
6.一种协作节点选择装置，其特征在于，包括：
广播模块，用于向预先建立的候选集合中的每个候选节点广播协作请求消息；
接收模块，用于接收候选集合中的各个候选节点返回的候选节点数据，所述候选节点数据包括候选节点剩余能量、信道增益、候选节点到源节点的距离和候选节点中心度；
计算模块，用于根据所述候选节点数据计算候选集合中的各个候选节点的效益值；
选择模块，用于根据所述各个候选节点的效益值，从所述候选集合中选择协作节点。
7.根据权利要求6所述的协作节点选择装置，其特征在于，所述计算模块，具体用于：
根据所述候选节点数据通过公式计算所述候选集合中的各个候选节点的效益值，其中，为候选节点剩余能量，为信道增益，为候选节点到源节点的距离，Ci为候选节点中心度。
8.根据权利要求6所述的协作节点选择装置，其特征在于，所述装置还包括：
候选集合建立模块，用于将信噪比大于或等于预先设定的信噪比阈值的节点加入到所述候选集合中，其中，所述候选集合中的候选节点的个数大于或等于N，N为源节点的天线数目。
9.根据权利要求6所述的协作节点选择装置，其特征在于，所述选择模块，具体用于：
对所述候选集合中的各个候选节点按照效益值的递减顺序进行排序，并筛选出排序在前的N个候选节点确定为协作节点，其中N为源节点的天线数目。
10.根据权利要求6所述的协作节点选择装置，其特征在于，所述装置还包括：
判断模块，用于判断自身剩余能量是否低于预先设定的能量阈值；
发送模块，用于若是，则向基站发送指示消息，以使所述基站重新选择簇头节点。
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