一种基于传输范围控制优化无线传感网络的拓扑控制方法与流程

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其是一种针对要求高可靠性低延迟周期性数据收集的无线传感器传输范围控制的方法。

背景技术：

技术的进步让传感器的体积更小，精度更高，成本更低。得益于此，传感器网络在各个领域也有了广泛的应用。由于构建传感器网络需要大量传感器节点，所以传感器节点通常造价低廉。受制于成本，传感器节点的电池，cpu，内存和通信能力都是有限的，对传感器网络的优化的主要目标是提高传感器网络的寿命和可靠性，降低传感器的延迟。

拓扑控制技术是一种广泛运用于无线传感器网络的优化方法，用来减少通信干扰和能量消耗。拓扑控制技术得到应用的基础在于传感器节点的功率可调。通过调整传感器节点的发送功率就可以改变它的传输半径以调整网络的拓扑结构。它给网络带来的好处是：(1)减少节点的能量消耗。拓扑控制技术可以调整那些相距较近的节点采用较低的发送功率以节省能量。(2)减少通信干扰。当传感器节点密度较高时，节点的传输范围相互覆盖，当多个节点同时使用一个频段进行数据通信时，会产生干扰。因此，减小节点的传输半径可以减小节点同时通信时的干扰。虽然通过拓扑控制技术减少传输半径可以取得良好的效果，但是我们发现，一类采用数据聚合技术的对延迟和包丢失敏感的无线传感器网络采用上述思想的拓扑控制技术并不能取得很好的效果。这类网络中使用数据聚合技术可以让多个节点的数据包相遇后都会聚合成一个数据包。但是在网络环境较差，无线通信链路质量不好时，会有大量的丢包，并且由于丢包后的多次重传，也会导致网络延迟非常大。所以，如何在这样的应用中采取合适的拓扑控制技术实现快速，高效，高可靠性的网络数据收集是一个具有挑战的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种能减少数据收集延迟、提高数据收集可靠性的针对周期性数据收集无线传感器网络的优化方法。为实现上述目的，本发明提供一种基于传输范围控制优化无线传感网络的拓扑控制方法，包括如下步骤：步骤一、将传感器网络分层，每一层的宽度相同，形状为圆环。从中心开始对每层按照从小到大的顺序编号。0，1，2，3，…，汇集节点位于网络中心，它的层号设置为0；步骤二、计算每一层节点的平均能量消耗，找出最大能量消耗并以此分析各层节点的能量剩余；步骤三、依据节点的剩余能量增加节点的发射功率，并根据不明显降低节点通信质量和保持最小父节点数量的原则调整传输距离；步骤四、依据传输距离确定节点的父节点所在层号，重新构建传感器网络数据收集路径。

本发明的好处是：本发明利用了无线传感网络中的剩余能量提高了有能量剩余的节点的传输功率，提高了传输范围的同时保证了通信质量。因此，减少了各层节点传输到汇集节点的跳数，减少了数据收集的时间，提高了数据收集的可靠性。此外，本发明可以形成多条可同时进行的数据收集路径，减少数据收集时间的同时也减少了最靠近汇集节点的通信数据量，提高了网络寿命。

附图说明

图1为本发明实施网络中采用的数据聚合技术的原理示意图。

图2为本发明实施网络中采用的广播机制的原理示意图。

图3为本发明实施网络中不同层的节点数量示意图。

图4为本发明实施网络中采用传统方法的节点能量消耗及能量剩余示意图。

图5为本发明实施网络中采用传统方法和本发明方法的数据收集路径对比示意图。

图6为本发明实施网络中各层节点将数据包发送到汇集节点的可靠性对比示意图。

图7为本发明实施网络中采用传统方法和本发明方法的节点总能量消耗对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。实例的网络是一种周期性数据收集的无线传感器网络，网络的形状为半径为r(r＝126m)的圆形，部署方式是：汇集节点位于网络中心位置，n(n＝500)个传感器节点以均匀分布的方式部署在整个网络范围内。节点的初始传输功率和接收功率都为-20dbm。这种网络采用广播和重传的机制来保证数据传输的可靠性，使用数据聚合技术来减少节点之间的传输的数据量。其中，数据聚合技术的原理如图1所示。

本实例中，网络采用的数据聚合模型为应用广泛的增长型聚合模型当对m个原始数据包进行聚合时,可以根据下面的公式算出聚合生成的数据包的大小:

|θ′|＝|θ1|+ε·(|θ2|+|θ3|+…+|θm|)(1)

其中|θ′|表示聚合后的数据包大小，|θ1|，|θ2|，…，|θm|分别表示m个原始数据包的大小，ε为数据聚合的聚合率，本实例中取值为ε＝0.3。

本实例中，网络采用了广播机制，在进行数据传输时，发送节点通过广播的方式可以同时发送数据给多个接收节点。只要接收节点中的任意一个节点接收到发送节点发送的数据就可以保证数据继续向前传而不丢失。如图2所示,有两个发送节点在发送数据,它们所发送的数据并未被所有的接收节点接收。其中一个发送的数据只被一个接收节点接收到了,但是数据依然可以继续传输到汇集节点。所以,采用广播的方式能够提高数据传输的可靠性。

本实例主要包括如下内容。

步骤一，将网络分层。首先，汇集(sink)节点的层号为0，本实例中，层宽度d设定为21m，整个网络可以分成宽度相等的6层，从最靠近汇集节点的层向外编号分别为1，2，3，4，5，6。

图3给出了1到6层包含的节点个数，由于层的形状为环形且宽度相同，越远离圆心的层的面积越大，又因为传感器节点是均匀分布在网络中的，所以从第1层到第6层，节点的个数越来越多。

步骤二，分析网络能量消耗。首先，根据公式(2)计算各层节点的发送和接收的平均数据量。

其中表示第i层节点的子节点个数，表示位于j层的每个子节点发送的平均数据量，p表示传输过程中的包接收率，δ表示为了达到可靠性要求需要的重传次数，f表示在节点使用的聚合函数，本实例中具体的表达式为公式(1)。

然后，根据各层节点的发送和接收平均数据量计算各层节点的平均能量消耗，如下式：

其中，表示节点发送数据所用的功率，vsend表示节点发送数据的速度，表示节点接收数据所用的功率，vsend表示节点接收数据的速度。

再使用最大总能量消耗来计算各层节点可用的剩余能量，如下式：

图4给出了各层节点的总能量消耗和各层节点相对于最大能量消耗的剩余能量。

步骤三，调整节点的传输功率和传输距离。首先，将每层节点可用的剩余能量全部用于提高节点的传输距离和传输质量，方法是提高节点的传输功率，使用下式(5)求出节点可调整到的功率：

其中，elimit为传感器节点可调传输功率的硬件上限。

接着确定可调整到的传输范围，根据下式(6)可以确定在保证一定包接收率的前提下，可以调整到的最大传输范围。

其中，n为路径损耗指数，pl(r0)为基准距离下的损耗值，r0为基准距离。

公式(6)求得的距离为该层节点可调整至的最大传输距离，却不一定是最合适的传输距离。根据图3显示，越靠近汇集节点的层节点个数越少，所以，如果外层的节点传输距离太大会直接到达这些节点，导致能量消耗急剧增加，这会导致网络寿命缩短。所以，在本实例中节点距离调整的原则为，节点可调整至的通信距离要满足不大于3d的长度且该层节点的最小的父节点数为2个的条件。

步骤四，依据传输距离确定节点的父节点所在层号，重新构建传感器网络数据收集路径。图5对比了采用相同传输距离的方法和本发明中传输距离控制的方法的数据收集路径。从图5中可以看出，本方法中的数据收集的路径有两条，相比采用相同传输距离的方法，本方法下，节点可以用更少的跳数将数据传输到汇集节点。

综上所述，本发明的基于传输范围控制优化无线传感器网络的方法通过提高有能量剩余的节点的传输功率来提高传输距离。对比传统的同一传输范围的方法，本发明的优点在于：

(1)采用本发明方法的网络具有更高的数据收集可靠性。数据收集可靠性是指各层节点将数据包发送到汇集节点的可靠性。图6展示了实施网络中各层节点将数据包发送到汇集节点的可靠性.从图6中可以看到，在本发明方法下，各层的可靠性均高于传统方法。相比于传统方法，本发明方法的数据收集可靠性最高有7.3％的提升。

(2)采用本发明方法的网络具有更短的数据收集时间。数据收集的时间是各层节点传输数据的总时间。如图5所示，本发明的传输范围控制的方法可以在实施网络中形成同时传输的两条数据收集路径，每条路径的到达汇集节点的跳数更少，并且，两条路径可以同时进行数据收集。经过对本实施网络数据收集时间的计算，传统方法所用的数据收集时间为18.282766s,本发明的方法所用的数据收集时间为14.056223。相比于传统方法，本发明方法减少了23％的数据收集时间。

(3)采用本发明方法的网络具有更长的网络寿命。无线传感器网络寿命通常是指网络中第一个死亡的节点的寿命，也就是指总能量消耗最大的节点寿命。图6给出了采用传统方法和本发明方法的节点在一个周期数据收集中的总能量消耗对比，可以看出，传统方法下，各层节点的能量消耗差异很大，其中，第一层节点的能量消耗最大，为4.56623e-5j。而本发明方法下，各层节点的能量消耗相对平衡，差异较小，第6层节点的能量消耗最大，为4.1568e-5j。相比于传统方法，本发明方法的最大能量消耗减少了9％，这也意味了网络寿命提高了9％。