基于最小密度束的降低无线传感器网络电能消耗的方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于密度束的降低无线传感器网络电能消耗的方法，用于解决由自身所携电能有限的传感器节点组成的无线传感器网络的电能消耗问题，属于无线传感器网络控制【技术领域】。通过对无线传感器网络的拓扑结构进行控制，使整个无线传感器网络在规定时间内保持连通状态的同时，将处于活跃状态的传感器节点减到最少，使得在该时间范围内网络整体耗电量最小。本方法尤其适用于大规模、自组织、随机部署、环境复杂以及网络连接状态可预测的或者网络连接呈周期性变化的无线传感器网络。
【专利说明】基于最小密度束的降低无线传感器网络电能消耗的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线传感器网络控制【技术领域】，具体涉及无线传感器网络拓扑控制方法，用于减少整个无线传感器网络的电能消耗。
【背景技术】
[0002]目前，在无线传感器网络中，普遍使用不可自生电力的电池为网络传感器节点提供信号传输和接收所需的能量。对于由带电量有限的传感器节点组成的无线传感器网络而言，一些处于网络主干上的传感器节点会很快用尽自身电量，进而可能从整个网络中脱离出去，导致整个网络各个传感器节点之间可能不再连接。在无线传感器网络中，传感器节点大量的电量消耗成为维护网络连接的瓶颈问题。因此，如何控制无线传感器网络的拓扑结构，从而降低整个网络的电量消耗，成为该领域比较热门的研究方向。
[0003]对于这类主要依靠传感器节点自身携带电能维持工作的无线传感器网络，技术人员通常会忽视网络自身的拓扑结构设计，或者随机应用一些简单的静态拓扑方法。尚未见到一种有效的通过动态控制网络拓扑结构来减少整个网络电能消耗的方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决在自身所携电能有限的传感器节点组成的无线传感器网络的电能消耗问题，提出一种降低无线传感器网络电能消耗的方法。通过对无线传感器网络的拓扑结构进行控制，使整个无线传感器网络在规定时间内保持连通状态的同时，将处于活跃状态的传感器节点减到最少，使得在该时间范围内网络整体耗电量最小。本方法尤其适用于大规模、自组织、随机部署、环境复杂以及网络连接状态可预测的或者网络连接周期性变化无线传感器网络。
[0005]本发明方法包括以下步骤:
[0006]步骤一、获取无线传感器网络在规定时间范围内连续时间段的工作状态信息。所述工作状态包括无线传感器在各时间段内接收数据包所需消耗的电量、发送数据包所需消耗的电量，以及在各时间段内不同传感器节点之间的通信关系。
[0007]步骤二、根据步骤一所获得的工作状态信息，建立起在规定时间范围内该网络的时空图。
[0008]步骤三、对步骤二获得的时空图进行处理，获得其子时空图H。其中，子时空图需要满足以下要求:在规定时间范围内，子时空图中任意一个节点和其他所有节点至少存在一条有向路径；同时，相较原始时空图要减小总电量开销。
[0009]步骤四、根据时空图H对无线传感器网络的拓扑结构进行设置，将子时空图H中每个节点对应的实际网络中的传感器节点打开，从而在保证网络正常工作的前提下最大程度减少整个网络电能消耗。
[0010]有益效果
[0011]本发明通过提出基于时空图的网络拓扑结构控制方法，对自身所携电量有限的无线传感器网络进控制。通过动态的拓扑设计方法对时空图进行控制，根据得到的拓扑结构来确定传感器节点在指定时间段的开闭状态。在满足在规定时间范围内网络连通性的基础上，尽可能地关闭更多数量的传感器节点，从而优化网络拓扑结构，延长网络的生存时间，显著降低网络电能开销。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为无线传感器网络在某一时间段的通信状态。
[0013]图2为无线传感器网络在四个不同时间段的通信状态变化。
[0014]图3为在整个时间范围T (分为4个连续的时间段)内，一个数据包从节点V1传送到节点V5所经过的有向路径(黑粗线表示)。
[0015]图4为束的示意图。
[0016]图5为本发明【具体实施方式】中对时空图4的处理流程示意图。
[0017]图6为GrdLDB，GrdLDB?在网络节点选择率上的性能体现。
[0018]图7为GrdLDB，GrdLDB’在网络电能效率上的性能体现。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】做进一步详细说明。
[0020]一种降低无线传感器网络电能消耗的方法，能够保证整个无线传感器网络在规定时间内保持连通状态，且在此时间范围内，处于活跃状态的传感器节点最少，使得在该时间范围内网络整体耗电量最小。
[0021]为实现上述目的，本发明方法的具体实现过程包括以下步骤:
[0022]步骤一、获取无线传感器网络在规定时间范围内连续时间段的工作状态信息。所述工作状态信息包括传感器节点在各时间段内接收数据包所需消耗的电量、发送数据包所需消耗的电量，以及在各时间段内不同传感器节点之间的通信关系。
[0023]具体的，将所述规定时间范围T划分成连续时间段集合，T={1，? ? ?，〖}，其中七为整数，代表时间段；V= Iv1, ? ? ?，％}表示无线传感器节点集合，n为整数。图1表现了在时间段I (t=l)时某具体无线传感器网络中各传感器节点的通信关系。图2表现了某无线传感器网络在连续四个时间段(时间段1、2、3、4)内的不同通信状态。
[0024]同时，对于在某一时间段t内无线传感器网络中任意一个传感器节点V丨(i为整
数,1≤i≤n), q,(v丨)表示该节点在该时间段内发送数据包所需消耗的电量；表示该节点在该时间段内接收数据包所需消耗的电量；
[0025]C{V\) =+即表示无线传感器节点Vi在t时间段的耗电量即权值。
[0026]此外，还可以用关于在时空图4中节点度外心来设置节点V丨的权值c(v丨):c {v{) ^ c{v\) Id(y\) , d(v;)=v;节点出度+1节点入度。C (V;)表示了节点V;在t时间段每个度的平均耗电量即权值。
[0027]步骤二、根据步骤一所获得的工作状态信息，建立起在规定时间范围T内该网络的时空图。[0028]首先，令Gt = (Vt, Et)表示某时间段t内无线传感器网络的通信关系图。其中，边
【权利要求】
1.一种基于最小密度束的降低无线传感器网络电能消耗的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、获取无线传感器网络在规定时间范围内连续时间段的工作状态信息；所述工作状态信息包括传感器节点在各时间段内接收数据包所需消耗的电量、发送数据包所需消耗的电量，以及在各时间段内不同传感器节点之间的通信关系； 具体的，将所述规定时间范围T划分成连续时间段集合，
2.如权利要求1所述的一种基于贪心删除的降低无线传感器网络电能消耗的方法，其特征在于，所述步骤一中，采用时空图4中节点度外V,')来设置节点V丨的权值C(V():
【文档编号】H04W84/18GK103501529SQ201310476472
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月13日 优先权日:2013年10月13日
【发明者】李凡, 银志圆, 王昱 申请人:北京理工大学