基于贪心添加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贪心添加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】基于贪心添加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、根据子时空图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为本发明【具体实施方式】中对时空图ζ的处理流程示意图。
[0016]图5为GrdAN，GrdANj在网络节点选择率上的性能体现。
[0017]图6为GrdAN，GrdAN’在网络电能效率上的性能体现。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本发明方法的【具体实施方式】做进一步详细说明。
[0019]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。
[0020]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:
[0021]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。
[0022]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，…，t}，其中t为整数，代表时间段；V= Iv1，…，V1J表示无线传感器节点集合，η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。
[0023]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), cs(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；c?) = cs?) + cr(vD即表示无线传感器节点Vi在t时间段的耗电量即权值。
[0024]此外，还可以用关于在时空图ζ中节点度来设置节点之的权值c(v；) = c(v；)/J(v；)，Ci(V11)=V'节点出度+ V;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
[0025]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。
[0026]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】
1.一种基于贪心添加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，T={1，…，t}，其中t为整数，代表时间段；V= Iv1，…，Vj表示无线传感器节点集合，η为整数；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,I≤i≤n, Ci(Vf)表示该节点在该时间段内发送数据包所需消耗的电量；?.(O表示该节点在该时间段内接收数据包所需消耗的电量；C(V; ) = Cv (V；) + q(vi)即表示无线传感器节点Vi在t时间段的耗电量即权值； 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； 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V1iVj e 表示在时间段t内，传感器节点Vi向传感器节点Vj传送数据包，1、j为整数,代表无线传感器节点的编号，I ^ i ^ n, I ^ j ^ η ;最终得到规定时间范围T内，无线传感器网络通信关系图集合(GtIt= 1，…Τ}； 然后，将集合(GtIt = I,…Τ}转换为时空图ζ ; ζ = (υ，ε )表示一个时空图，包含了节点的时间信息和通信状态信息；为判断节点V丨是否需要在某个时间段t内打开或关闭，假定在时间段t内网络中存在 节点<和V 令C(v广)= cs(v丨)、c(v；-r)=cr(v；);同时，添加两个虚拟节点vf和<+1，其中，用vf表示Vi在整个时间范围T的开始时刻状态，用Vf+1表示Vi在整个时间范围T的结束时刻状态； 在规定时间范围T内，时空图ζ中任意一对节点对(v^vf1)至少存在一条有向路径； 在时空图ζ中，总共有2(Τ+1)列节点，其中每两列表示一个时间段；每一列有η个节点，总计有2η(Τ+1)个节点；在时空图ζ中，存在三种边:时间边、空间边、虚拟边；其中，时间边0;，,:指节点ν丨在时间段t的边，表示在第t个时间段内该节点携带有数据包但不发送；空间边V”, Vf'指在时间段t内Vi到节点Vj的边O表示在时间段t内节点Vi向节点 ' 发送数据包;虚拟边v'vi+u是指节点“从时间段t到时间段t+Ι所形成的边；JI 7 II 步骤三、对步骤二获得的时空图ζ进行处 理，获得时空图ζ的子时空图H;其中，子时空图H需要满足以下要求: 在规定时间范围T内，时空图H中任意一对节点对(<，<+1) (I ^ i, j ^n),至少存在一条有向路径；同时，相较时空图?减小总电量开销； 在时空图ζ中，每个传感器节点都需要消耗电能来维持整个无线网络的正常工作，则时空图?所有节点的总电量开销为c(4) = Σνε ζ0(ν)； 对时空图ζ的处理过程如下: 1)将ν,°和vf+1集合添加到子时空图H中； 2)将时空图ζ中剩余节点按权值递增顺序放入优先级队列Q中； 3)判断子时空图H是否连通，如果不连通，转步骤4)，如果连通转步骤5)； 4)从优先级队列Q中选出权值最小的节点添加到子时空图H，转步骤3)； 5)返回子时空图H； 步骤四、根据子时空图H，对无线传感器网络的拓扑结构进行设置，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。
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ζ中节点度Av丨)来设置节点ν丨的权值c(v丨):c'(V；)=c(v；)/J(V;)，) = V丨节点出度+ V;节点入度，C (O表示节点V丨在t时间段每个度的平均耗电量即权值。
【文档编号】H04W52/02GK103491616SQ201310476500
【公开日】2014年1月1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, 李平, 银志圆, 王昱 申请人:北京理工大学