专利名称：一种无线传感器网络分级能耗平衡方法
技术领域：
本发明涉及网络能耗平衡方法，具体来说是涉及一种无线传感器网络分级 能耗平衡方法。
技术背景无线传感器网络通常部署在人们难以接近的危险区域，电池替换十分不便， 优化网络能耗进而延长网络寿命已成为无线传感器网络商用的关键技术。无线 传感器网络的能耗优化不但与单节点和全网的能耗降低有关，而且在很大程度 上取决于能耗在全网分布的平衡程度。因此在无线传感器网络中采用高效的能 耗平衡方法势在必行。目前无线传感器网络能耗平衡方法主要包括局部能耗平衡方法和全局能 耗平衡方法。其中局部能耗平衡方法主要采用自适应功率控制和类首领轮换等 技术实现某一路径或者区域内各节点之间的能耗平衡。全局能耗平衡方法主要 采用多径传输和不平等聚类等技术实现不同路径或者区域之间的能耗平衡。显然，上述现有技术存在许多不足，具体来讲，局部能耗平衡方法仅能减 少某一路径或者区域内各节点之间的能耗差异，无法实现重负荷和轻负荷路径 或区域之间的能耗平衡，可能导致某一路径或者区域过热，节点提前死亡，从 而縮短网络寿命。而全局能耗平衡方法，虽能有效降低不同路径或者区域之间 的能耗差异，但由于没有考虑路径或者区域内各节点之间的能耗平衡，可能导 致某些节点因过热而死亡，同样縮短了网络寿命。 发明内容针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供以网络寿命为指标同时兼顾 局部和全局能耗平衡的一种无线传感器网络分级能耗平衡方法。 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是它包括如下步骤a) 将感知相关的所有传感器节点组织成一个类，并建立类内传输路径；b) 实现类内各节点能耗平衡； C)建立每个类与其邻居类之间的路径；d)基站以某一类首领为源节点从其多条传输路径中选择寿命最长的路径作 为该类的最佳传输路径，从而实现了基于多径的类间能耗平衡。所述的步骤a)中，感知相关的所有传感器节点是指所有能够检测到某一事件的传感器节点，这些传感器节点具有感知数据的空间相关性和感知与转发操 作的时间相关性。所述的步骤a)中，类内传输路径通过如下方式建立，选举与类内所有其他 节点平均距离较小的中心节点为类首领，类内其他节点沿检测值增大的方向建 立指向类首领的路径。所述的步骤b)包含如下步骤bl)采用逐跳转发和直接转发相结合的混合传输模式，降低同一类内传输路 径上不同节点的能耗不平衡；b2)当相邻传输路径存在较大的能耗差异时，使高能耗路径屮的多亲子节点 通过可选输入链路输出部分数据到低能耗路径；b3)靠近类首领的节点通过采用逐跳转发和直接转发相结合的混合传输模式实现其与类首领的能耗平衡。所述的步骤c)中，类间路径采用弧线形以切割更多的类内径向路径，从而将类间路径的能耗分摊到各条类内路径。所述的步骤d)中，路径寿命是指该路径包含的所有节点残余能量的最小值。本发明具有的有益效果是本发明提出了一种通过逐跳转发和直接转发相结合的混合传输模式以及相邻路径间的数据转发，降低类内节点间能耗差异；通过在多条类间路径中选择高残余能量路径实现类间能耗平衡的无线传感器网络能耗平衡方法。这种能耗 平衡方法同时考虑了区域内的局部能耗平衡和区域间的全局能耗平衡，其与局 部能耗平衡方法相比，能有效地降低重负荷区域的能耗，减少热点区域对网络寿命的影响；与全局能耗平衡方法相比，能有效地减少区域内不同节点之间的 能耗差异，防止部分节点由于过热提前死亡而縮短网络寿命。本发明通过采用 逐跳转发和直接转发相结合的混合传输、相邻路径间的数据转发以及在多条类 间路径中选择高残余能量路径等技术，有效地减轻了重负荷节点和区域的能耗， 减少部分节点和区域由于过热提前死亡而导致的网络断裂现象，从而延长了网 络寿命，具有很好的可用性和实用性。
图1是本发明所述无线传感器网络分级能耗平衡方法流程图。 图2是本发明实施例中基于感知相关性的聚类和类内传输路径示意图。 图3是基于感知相关性的多个类和类间路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。本实施例应用于无线传感器网络的传感器节点和基站，以网络寿命为指标 同时实现局部和全局能耗平衡的分级能耗平衡方法。如图1所示，其具体包含 如下步骤第一、将感知相关的所有传感器节点组织成一个类，并建立类内传输路径。 监控同一事件源的传感器节点具有很强的感知相关性，具体表现为相邻传 感器节点感知数据的空间相关性和感知与转发操作的时间相关性，因此将感知 相关的所有传感器节点组织成一个类将有利于感知数据的充分聚合和类内的能 耗平衡。设在时刻^(w e N)无线传感器网络有,e N)个事件源由休眠转为活动，则在 这A个区域中传感器节点开始收集数据。所有能够检测到某一事件的传感器节点 组成了一个基于感知相关性的类，并且越靠近事件源的节点检测值越大，越远 离事件源的节点检测值越小，与事件源等距或接近等距的节点检测值近似相等。 从而形成了以事件源为中心，以同心圆为等值线，由内往外逐级递减的检测值 分布模式。由于类首领节点接收类内所有其他节点的检测值，而无线传输能耗 随距离指数增大，因此选举与类内所有其他节点平均距离较小的中心节点为类 首领有利于减少类的总能耗。类内其他节点沿检测值增大的方向建立指向类首 领的路径。图2给出了基于感知相关性的聚类和类内传输路径示意图。其中H节点表示类首领，其它节点表示类内普通成员。a系列节点构成最高检测值等值线节点，b系列节点构成次高检测值等值线节点，依此类推。箭头起始点为数据 发送节点，终止点为数据接收节点。所有箭头指向中心表示类内普通成员节点沿检测值增大的方向建立指向类首领H节点的路径。设区域/(0</^/0中的传感器节点为&,, (^N)，并且假设测量值之间的差异小 于阈值M时可近似认为二者相等。下面给出了基于感知相关性的聚类和类内传 输路径建立方法。1) 如果S,，,.的测量值大于O,那么S,，,向其邻居广播该测量值。当&几乎在同一 测量时刻感知到大小不同的2个或2个以上测量值时，表明该节点位于2个或2 个以上类的边界或边界附近，选择较大的测量值并将该测量值广播到邻居。2) 5,， , (m e A0比较接收到的测量值和其自身测量值，然后根据比较结果执行 不同操作。2.1)如果接收到的测量值大于其自身的测量值，那么把该邻居节点放入父母 辈列表。2.2) 如果接收到的测量值小于其自身的测量值，那么把该邻居节点放入子女列表。2.3) 否则把该邻居节点放入兄弟列表。3) S,，,根据上述3个列表的状态判断自己充当的角色。3.1) 如果其父母辈列表是空的，并且其子女列表非空，则指定其为候选类首领。3.2) 如果其子女列表是空的，并且其父母辈列表非空，则指定其为类边沿节 点；如果类边沿节点在同一测量时刻感知到2个或者2个以上的测量值，表明 该节点同时也是2个或者2个以上类的边界节点。3.3) 如果其父母辈列表和子女列表都非空，则指定其为中继节点。4) 如果候选类首领的兄弟列表是非空的，即有几个候选的类首领。此时随机 挑选一个侯选类首领为正式类首领。如果候选类首领的兄弟列表是空的，该候 选类首领直接被指定为正式类首领。正式类首领告知其子女列表中的所有传感 器节点和所有其它的候选类首领最终的类首领选举结果，以便这些传感器节点 把测量值转发给同一聚合节点。5) 如果&,,已经是其他一个或多个类的成员，则称S,，,属于类/的边界区节点集合，记为/eBorder，其中BorderczW。设包含&,,的各个类的类号组成集合Active,则S,，,把本次测量值与来自其他事件源的历史最大测量值{vali^JG e Active)都转发给类首领。类首领比较测量值的大小，如果 value,. <formula>formula see original document page 6</formula>.为i'sBorder )eActive " 类/的边界节点。6) 为了平衡等值线上兄弟节点之间的能耗并减少能耗平衡的控制开销，采用 一种局部的节点输入链路数平衡方法。设中继节点有多个子节点，其中某些子 节点仅有一个父母辈节点，称这些子节点为单亲子节点，并称来自单亲子节点 的输入链路为必选输入链路；某些子节点拥有2个或者2个以上的父母辈节点， 则称这些子节点为多亲子节点，并称来自多亲子节点的输入链路为可选输入链 路。6.1) 初始化每个中继节点的输入链路数为其必选输入链路的个数。6.2) 每个多亲子节点统计其各个父母辈节点当前的输入链路数，选择当前输入链路数最小的父母辈节点为其下一跳中继节点，并将其输入链路数加1。 第二、实现类内各节点能耗平衡。基于感知相关性的聚类使类内传感器节点的感知和转发操作具有很强的时 间相关性，每个传感器节点感知并转发自身测量数据的能耗近似相等。然而由 于无线传感器网络一般采用多跳转发方式，类边沿节点的测量数据需经过多个节 点的中继才能到达类首领，导致靠近类首领的传感器节点转发负荷过重，远离 类首领的传感器节点转发负荷较轻。采用逐跳转发和直接转发相结合的混合传 输模式，降低同一类内传输路径上不同节点的能耗不平衡。当相邻传输路径存 在较大的能耗差异时，可以使高能耗路径中的多亲子节点尽可能通过可选输入 链路输出部分数据到低能耗路径，具体实现时可通过逐渐增加该路径间转发数 据量，减少高能耗路径的转发负荷，同时增加低能耗路径的转发负荷，直至相 邻路径间的能耗差异最小，从而实现类内路径间的动态能耗平衡。类首领虽然 接收整个类中大量的数据，然而由于其执行了聚合功能，其输出数据量可能远 小于邻近传输路径上的节点，因此靠近类首领的节点可以通过混合传输技术实 现其与类首领的能耗平衡，从而使类内任何节点间的能耗差异降低到最小值。第三、建立每个类与其邻居类之间的路径。在基于感知相关性的聚类操作的基础上，建立每个类与其邻居类之间的路 径。为了降低类间路径与其他类内路径的能耗差，类间路径采用弧线形以切割 更多的类内径向路径，将类间路径的能耗分摊到各条类内路径，在类内路径中 采用混合传输技术尽量减少类内路径和类间路径的交叉节点数据负荷，从而实 现被切割的类内路径中各节点的能耗平衡。图3给出了基于感知相关性的多个类和类间路径示意图。其中各个类均通过感知相关性原理产生，路径l、路径2 和路径3分别表示类2与相邻的类1、类3、类5的类间路径，类2根据能耗平 衡原理选择其中一条路径作为最佳传输路径向基站传输感知数据。如果类中存在边沿节点，表明类边沿与空闲区域相连，采用以下的空闲节 点聚类与类间路径建立方法。这里空闲节点指从来没有检测到任何事件源数据 的传感器节点。l)初始化每个节点自身的路径长度为oo。类边沿节点向邻居发送问候分组， 如果邻居空闲节点已成为空闲类成员，则重新进行聚类；反之类边沿节点向邻 居发送初始探测分组，探测分组包含的路径长度为1。邻居空闲节点接收到探测 分组，如果其自身的路径长度大于l，则该节点自身路径长度修改为1，将探测 分组发送节点作为上一跳节点，并广播探测分组，其中探测分组包含的路径长度增加为2，否则丢弃该分组，不执行任何操作。依此类推当空闲节点接收到探 测分组，并且其自身的路径长度大于探测分组包含的路径长度时，该节点自身 路径长度修改为探测分组包含的路径长度，将探测分组发送节点作为上一跳节 点，并广播探测分组，其中探测分组包含的路径长度加l,否则丢弃该分组，不 执行任何操作。直到探测分组到达网络边沿节点，此时沿原路返回探测结束消 息，其中包含边沿节点的标志。2)类边沿节点发起空闲节点聚类操作。如果邻居空闲节点己成为空闲类成员，则通过类首领通知类边界节点发起聚类操作；否则沿探测分组建立的路径 通知网络边沿节点发起聚类操作。类边界节点或网络边沿节点发送聚类探测分 组，其传播规则与初始探测分组相似。设存在/条边界线或边沿线，待聚类的空 闲节点总数为g ，空闲节点/(0<_/^g)与边线《0<"/)的路径长度记为length,,.。 如果length, , = max (min length,,),则选举节点义为空闲类的类首领。类边沿节点变为其所属类与该空闲类的边界节点。3)空闲类首领发起路径建立探测分组，建立其自身与各个类边界节点的类内 路径。然后采用与上述普通类间路径建立相似的方法，建立空闲类与其邻居类 的类间路径。第四、基站以某一类首领为源节点从其多条传输路径中选择寿命最长的路径作为该类的最佳传输路径，从而较好地实现了基于多径的类间能耗平衡。当每个类与邻居类建立类间路径之后，类首领将本类的标识、邻居类标识和自身的残余能量报告给基站，这里假设通过混合传输技术类内节点能获得良 好的能耗平衡，以类首领的残余能量表示该类节点的平均残余能量。由于无线 传感器能耗平衡是一项相对长期的任务，不必时刻保持所有节点的残余能量精 确相等，同时为了减少残余能量报告的次数，把节点的残余能量量化成若干个 等级，称为节点的残余能量级。2个节点只要残余能量级相等，即被认为具有相 等的残余能量，类首领也仅在残余能量级发生变化时，才向基站报告新的残余 能量。基站接收到所有类的自身标识、邻居类标识和类残余能量级之后，可推导 出以各个类首领为源节点以基站为目的节点的多条传输路径，这里把整个类看 作是传输路径的一个宏节点，因此这种传输路径又称骨干传输路径；然后基站以某一类首领为源节点从其多条传输路径中选择寿命最长的路径作为该类的最 佳传输路径，从而较好地实现了基于多径的类间能耗平衡。 本发明给出如下的路径寿命定义。定义1:路径寿命是该路径包含的所有节点残余能量的最小值。设P(/)为某一传输路径，通过在该传输路径上增加节点可形成原路径的扩展 路径EP(/)。基站接收到所有类的自身标识、邻居类标识和类残余能量级之后， 理论上需计算以各个类首领为源节点以基站为目的节点几乎所有可能的路径。 为了减少计算复杂性，采用先计算靠近基站的内层类的最佳传输路径，再以这 些路径为基础，进行路径扩展的原则，逐步生成全网所有类的最佳传输路径。 给出如下的第"层类的定义。定义2:第一层类是指与基站直接相邻的类，第二层类是指与第一层类直 接相邻而与基站不直接相邻的类，依此类推第"">2)层类是指与第"-l ">2) 层类直接相邻而与任何第W (0<m<W-l)层类不直接相邻的类。规定当二条路径寿命相等时，选择经过的类较少的路径，第一层类选择不 经过其它类而直接到基站的路径为类的最佳传输路径，第一层类最佳路径的寿 命为类自身的残余能量。给出第"层第^优先类的定义。定义3 :设第w层共有m个类，其中某个类最佳传输路径寿命在第^层类 中第A长(0<A<m+l )，或者其最佳传输路径的寿命并列第A长而最佳路径包含 的类较少，则称该类为第"层第A;优先类。在此基础上，给出第M层邻&类的定义。定义4:第"层中与第 -1 (">1 )层第A优先类直接相邻而与任何第"-l层第y (0<y'<。优先类不直接相邻的类为第"层邻A类。我们记第"+l层邻A:类为nd(M + l,",第"+l层第A优先类为rnd(" + 1力，进一 步地给出第w+l层邻A连续扩展路径、邻&第乂优先分离扩展路径和邻A邻/分 离扩展路径的定义。定义5 :第"+l层邻A类与第《层第yH尤先类最佳传输路径i^组成的扩展 路径称为第"+l层邻A连续扩展路径记为CEP +I t = nd(" + l,yt)#i^ ;第"+l层邻A 类跨越若干类与第《层第J'优先类最佳传输路径&,组成的扩展路径称为第 层邻A第乂优先分离扩展路径记为nd(" + l,W-^ ;第"+l层邻A类跨越若干类与 第"+l层邻连续扩展路径CEP"^组成的扩展路径称为第w+1层邻A:邻/分离扩 展路径记为nd(" + l," ~ CEP +U 。为了便于比较源于同一节点的各路径的寿命，我们定义不包含源节点的路径寿命为该路径的纯寿命。设P(/)为某一传输路径，则该路径的纯寿命记为 PLf尸(,)。容易证明第2层的邻1类选择第1层第1优先类作为下一跳宏节点时其传 输路径最佳。证明设第l层共有m个类，其中第1优先类最佳传输路径寿命为该类的 残余能量^^,)，其他类的最佳传输路径寿命为相应类的残余能量&^) (0<iKm+l)，第2层邻1连续扩展路径的纯寿命为？1^(，一1|)，第2层邻1第 &优先分离扩展路径的纯寿命为PLfnd(2,1Hnd(w 。 根据第A优先类的定义有五rnd(U) ^五nid(l," ， ( 1 )PT f — E, (2)fUnd(2，，md(
，u — d(i，i) ,PT f < F (3)PLfnd(2'l)#rnd(l'l)=五rnd(l,l) ^五md(l,fc) ^ PLfnd(2,l)~nKi(l，A:) °即第2层邻1类选择第1层第1优先类作为下一跳宏节点时其传输路径最 佳。证毕。设第二层包含《个类，同理第二层邻2连续扩展路径的纯寿命不短于邻2 第&(2<&<^+1)优先分离扩展路径，但可能短于邻2邻1分离扩展路径。我们 根据第2层邻2连续扩展路径和邻2邻1分离扩展路径的纯寿命大小，决定第2 层邻2类最佳传输路径的选择。PLfnd(2,2)#md(l,2)=五rad(1，2) ， ( 5 )PLfnd(2,2) iKl(2,l)#rnd(U)《Lfnd(21)#rnd(11) ° (6)(1)如果i:—,2一Lf;d(2，，dd,D， (7)贝'J PLfnd(2,2)#md(1,2)=五rn叫,2) ^ Lfnd(2,')Wnd(L,D 2 PLfnd(2,2)~nd(2,1)#rnd(u)，艮卩邻2层令|3 2连 续扩展路径更佳。(2^t^￡rad(1,2)<Lfnd(2,1)#rad(u)， (8) 在第2层邻2类和邻1类之间寻找一条路径，该路径记为nd(2,2) nd(2,1)。 如果存在一条路径nd(2,2) ~ nd(2,1)，使得PTf (9)rUnd(2,2) nd(2力z (1(1,2)° 、乂 y由于PLfnd(2,2)~nd(2,l)#rad(l,l) = (PLfnd(2,2)"Kl(2,1), Lfnd(2,l)#md(l,l)) >五md(1,2) ， (10)即第2层邻2邻1分离扩展路径更佳。反之如果对于所有的路径nd(2,2) nd(2,1)，存在如下的不等式 PTf <F、 (11)<formula>formula see original document page 11</formula>° ( 12 )即第2层邻2连续扩展路径更佳。为了降低寻找邻2类和邻1类之间合适路径的复杂性，可以限定该路径的 长度。同理对于第2层邻A类，我们根据第2层邻k连续扩展路径和邻k邻j(0<j<k)分离扩展路径的纯寿命大小，决定第2层邻A类最佳传输路径的选择。当第2层所有类完成最佳传输路径的选择之后，对各类最佳传输路径寿命进行排序， 得到第2层各类的优先序号，该信息可用于第3层各类最佳传输路径的选择。依此类推，全网所有类均可建立基于能耗平衡的最佳传输路径。
权利要求
1、一种无线传感器网络分级能耗平衡方法，其特征在于该方法包括如下步骤a)将感知相关的所有传感器节点组织成一个类，并建立类内传输路径；b)实现类内各节点能耗平衡；c)建立每个类与其邻居类之间的路径；d)基站以某一类首领为源节点从其多条传输路径中选择寿命最长的路径作为该类的最佳传输路径，从而实现了基于多径的类间能耗平衡。
2、 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络分级能耗平衡方法，其特征 在于所述的歩骤a)中，感知相关的所有传感器节点是指所有能够检测到某一 事件的传感器节点，这些传感器节点具有感知数据的空间相关性和感知与转发 操作的时间相关性。
3、 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络分级能耗平衡方法，其特征 在于所述的步骤a)中，类内传输路径通过如下方式建立，选举与类内所有其 他节点平均距离较小的中心节点为类首领，类内其他节点沿检测值增大的方向 建立指向类首领的路径。
4、 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络分级能耗平衡方法，其特征在于所述的步骤b)包含如下步骤b 1 )采用逐跳转发和直接转发相结合的混合传输模式，降低同 一类内传输路 径上不同节点的能耗不平衡；b2)当相邻传输路径存在较大的能耗差异时，使高能耗路径中的多亲子节点 通过可选输入链路输出部分数据到低能耗路径；b3)靠近类首领的节点通过采用逐跳转发和直接转发相结合的混合传输模式 实现其与类首领的能耗平衡。
5、 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络分级能耗平衡方法，其特征在于所述的步骤C)中，类间路径采用弧线形以切割更多的类内径向路径，从而将类间路径的能耗分摊到各条类内路径。
6、 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络分级能耗平衡方法，其特征在于所述的步骤d)中，路径寿命是指该路径包含的所有节点残余能量的最小 值。
全文摘要
本发明公开了一种无线传感器网络分级能耗平衡方法。该方法包含如下步骤a.将感知相关的所有传感器节点组织成一个类，并建立类内传输路径；b.实现类内各节点能耗平衡；c.建立每个类与其邻居类之间的路径；d.基站以某一类首领为源节点从其多条传输路径中选择寿命最长的路径作为该类的最佳传输路径，从而较好地实现了基于多径的类间能耗平衡。本发明通过逐跳转发和直接转发相结合的混合传输模式以及相邻路径间的数据转发，降低类内节点间能耗差异；通过在多条路径中选择高残余能量路径实现类间能耗平衡。该方法的主要优点是能够有效降低无线传感器网络全网的能耗差异，从而延长网络寿命。
文档编号H04L12/28GK101237414SQ200810059850
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月22日 优先权日2008年2月22日
发明者杨海波, 蔡文郁, 陈友荣 申请人:浙江树人大学