专利名称：一种建立物联网网络模型的节能部署方法
技术领域：
本发明涉及物联网通信技术领域，尤其针对基于物联网技术的网络模型建立和节能部署策略问题。
背景技术：
随着通信技术的飞速发展，人们已经不再满足于人与人之间以及需要人参与交互的通信方式，一种更加智能、更加便捷的通信方式为人们所期待。物联网一一种物体、机器间不需要人的参与即可完成信息交互的通信方式便应运而生。物联网(Internetof Things)是一种将所有物件连在一起的智能网络,利用如射频识别(Radio-FrequencyIDentif ication)、无线通信、实时定位、视频处理和传感技术与设备,使任何智能化物体透过网络进行信息交流。以RFID (射频识别)系统为基础，结合已有的网络技术、传感器技术、数据库技术、中间件技术等，构成一个由大量的读写器和移动标签组成的巨大网络成为物联网发展的趋势。然而，在实际生活中，物联网的感知节点大都部署在无人监控的场景中，具有能力脆弱、资源受限等特点，经常有新节点的加入或已有节点的失效，网络的拓扑结构变化很快，网络一旦形成，人很少干预其运行。而且感知节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率，电池容量一般不是很大，其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。另外，近年来国家一直在倡导节能减排工作，因此在物联网设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。目前，物联网只是处于研究的初步阶段，并没有一个统一的架构，更没有统一的标准可以遵循，对基于物联网技术中节能问题的相关研究也很少，但已有一些研究人员针对无线传感网中的节能问题提出了相关的模型及方法。王新兵教授等人通过等效传感半径来研究传感器节点呈一致分布和泊松分布的WSN (Wireless Sensor Network)中节点异质性和移动性对网络在覆盖性和能量消耗上的影响，通过实验得出节点的移动性能够减少感知耗能，异质性反而增加了一维随机移动模型的能量消耗，对独立同分布模型没有影响；Konstantinos Oikonomou等人研究了链路权重随着相邻节点间的能量水平和链路负载的变化而变化，同时汇点根据一种可扩展的汇点迁移策略可以在邻居节点间移动，该动态汇点调度方式能够减少网络能耗、延长网络时间。Onur Soysal等人研究了 WSN中基于MAC (Medium Access Control)层节能的随机路由机制,提出了一种可以调节节点睡眠/唤醒机制的协议P0WERNAP，通过使接收器计算其睡眠/唤醒调度表来解决大量的复杂的调度信息给节点带来的总开销，从而节约了系统的总能耗。虽然以往关于无线传感网络能耗问题的研究对网络能耗进行了优化，但是大都只考虑单纯的能耗约束或者网络生存时间约束或者考虑二者结合的情况，然而系统的造价约束以及链路流量平衡约束也是物联网中不可忽视的因素。同时，由于无线传感网中电磁干扰、空气湿度、温度等因素对路由的传输半径有很大的影响，动态路由机制在户外几乎不能应用，而且传统的Ad Hoc网络中所有感知节点都可以感知数据以及相互转发数据，这样就很容易造成离基站较近的感知节点承担过重的负载，最终导致网络瘫痪。
发明内容
本发明所要解决的问题是:针对物联网规模大、网络节点性能脆弱的特性，提出一种分层的网络架构，综合研究了此架构下节点发送数据时引起的能量消耗约束，链路流量平衡约束，链路最大传输速率约束，系统预算约束以及网络生存时间评价标准，解决了传统的单纯研究能耗问题或者生存时间或者二者结合导致的网络整体性能不能达到最优的问题，并提出一种适用于物联网的静态路由优化算法，解决了物联网技术中能量损耗过多的问题，避免了电磁干扰、空气湿度、温度等因素造成动态路由机制不能很好地适用于大规模物联网。本发明解决上述技术问题的方案是，一种建立物联网网络模型的节能部署方法，包括步骤，构建一种分层的物联网网络模型包括感知层、中继层和汇聚层，根据各层节点在网络中不同的任务，感知层节点负责感知并发送数据，将感知数据不直接传给汇聚层，而是通过中继层的中继节点转发给汇聚层的基站，感知节点之间互相不传送感知数据，通过这样层层分工又相互协作的方式来达到优化物联网的目的。针对此分层的网络架构提出一种优化模型，该优化模型综合研究了能量消耗约束、链路流量平衡约束、系统预算约束以及网络生存时间评价标准。提出一种算法计算优化模型中四种约束的值及其之间的影响，比较得出一种节能部署方式，其特征在于，首先给定感知节点、基站以及备选的中继节点的数量及位置，计算每一个感知节点与备选中继节点的距离，去掉与任何感知节点均不通信的备选中继节点，其次从剩下的备选中继节点中选出满足条件“能够全覆盖感知节点且与
基站形成的拓扑是连通图”的i个中继节点，根据公式
权利要求
1.一种建立物联网网络模型的节能部署方法，其特征在于，构建包括感知层、中继层和汇聚层的物联网网络模型，感知层节点负责感知并发送数据，将感知数据通过中继层的中继节点转发给汇聚层的基站，感知节点之间互相不传送感知数据；计算每一个感知节点与备选中继节点的距离，去掉与感知节点均不通信的备选中继节点，从剩下的备选中继节点中选出满足条件:“能够全覆盖感知节点且与基站形成的拓扑是连通图”的i个中继节点，对其中的任一中继节点，根据感知节点单位时间能耗、中继节点单位时间能耗、基站单位时间能耗，并将拓扑中每段链路两端发送节点的发送能耗和接收节点的接收能耗之和等效为该段链路的权重，找出基站到每一个感知节点的最短路径，将所有最短路径的长度相加作为当前网络拓扑的能耗；计算i个中继节点的所有可能的网络拓扑的能耗，按照最小能耗对应所选择的中继节点、传感器节点及基站的数量和位置部署为满足节能部署的物联网。
2.根据权利要求1所述的节能部署方法，其特征在于，根据公式:
3.根据权利要求1所述的节能部署方法，其特征在于，更进一步地，中继节点之间形成的链路满足:
4.根据权利要求1所述的节能部署方法，其特征在于，更进一步地，中继节点j的单位时间能耗满足
全文摘要
本发明公开了一种基于物联网技术的网络模型建立和节能部署的方法，属于物联网通信技术领域。本发明提出了基于物联网技术的三层网络架构和网络能耗优化模型。本发明提出的节能部署方法首先根据感知节点与备选中继节点的距离排除与任何感知节点均不能通信的备选中继节点，然后在剩下的中继节点中选出i个，如果它们满足“全覆盖感知节点且与基站形成的拓扑是否是连通图”，则将每段链路的发送节点发送耗能与接收节点的接收耗能之和等价为该段链路的权重，通过改进的Dijkstra方法得到能耗的最小值以及网络的生存时间，将此能耗下对应的网络节点部署方式作为一种最佳节能部署方式。
文档编号H04W84/18GK103200616SQ20131007133
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月6日 优先权日2013年3月6日
发明者刘宴兵, 孟雨, 黄 俊, 徐光侠, 肖云鹏 申请人:重庆邮电大学