[发明专利]基于Gabriel图的无线传感器网络的数据通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是无线传感器网络中基于拓扑控制的数据通信方法，用于解决各节点通信范围盲目最大造成的能量消耗快和节点间干扰明显的弊端，提高整个网络的能量利用效率，延长网络生存时间。

背景技术

无线传感器网络WSNs近年来备受关注，它集数据采集、数据处理和数据传输于一体，是一种各学科高度交叉的综合性智能系统，有着广泛的应用前景。WSNs通常由传感器节点和汇聚节点sink按照自组织的方式构成，传感器节点将采集到的数据按照诸如多跳的方式选择路由传输给汇聚节点sink，后者进行进一步的处理。

传感器节点通常由电池供电，有限的电量决定了能量的使用效率对节点乃至整个网络而言至关重要。从工作特点上看，传感器节点能量的使用主要包括信息采集、数据处理和节点通信三方面。研究表明，节点间相互通信的能耗占节点能量消耗的绝大部分，而通信过程中数据发送所需的能量又占了整个通信的绝大部分。根据上述特点，研究者们分别提出了提高WSNs能量效率的方法、机制或协议。

经典的最小传输能量协议MTE中，节点选择距离自己最近的节点作为下一跳，该协议简单，开销小，但靠近汇聚节点sink的节点一直充当路由中继者，节点间负载不均衡。虽然每一次的数据传输所需能量得到了优化，但从长远来看，部分节点被过度利用，整个网络生存时间反而缩短了。为了均衡节点的负载，研究者们将概率机制引进到路由选取当中。概率路由主张每次路由选择的随机性，试图使各节点的能量下降速度保持一致。传统概率路由协议以节点到其邻居的通信成本为依据，概率随机选取节点作为下一跳。然而，由于对剩余能量信息关注不足，会出现部分节点剩余能量较少而另一些节点剩余能量还较多的情况，剩余能量较少表明这些节点被选中的概率比较大，如果它们继续以较大概率被选中的话，整个网络的生存时间会受到影响。鉴于此，Jae-hwan Chang，Leandros Tassiulas在文献Maximum Lifetime Routing In Wireless Sensor Networks(ATIRP Conf.，Mar.2000)中提出了新的路径成本定义方式，传统概率路由是以节点到其邻居的通信成本作为路径成本的，而该文章作者同时考虑了节点剩余能量信息，定义路径成本为通信成本和剩余能量的组合。不难想象，路径成本是和通信成本成正比的，而和邻居节点剩余能量成反比。

此外，基于拓扑控制的方法效果显著，得到了广泛关注与研究。

拓扑控制的方法一般来说包括以下两种：一种是基于功率控制的，另外一种则是采用分层措施。基于功率控制的方法是在满足连通覆盖基本要求的前提下，尽可能的减小节点发射功率来提高能量效率，其实现途径有两种：一种是假定各节点具有相同的发射功率，从整体上寻求适当的发射功率来满足上述性质；另一种方式是考虑各节点的差异性，它们在最大发射功率范围内分别调整自身发射功率来实现上述目标。分层的思想则是根据节点的邻接情况设法改变网络逻辑拓扑，通常的做法是按照簇结构或者支配集的思想来分层。见文献：A Distributed Topology Control Technique for Low Interference and Energy Efficiency in Wireless Sensor Networks，Tapiwa M.Chiwewe and Gerhard P.Hancke，IEEE Transactions on Industrial Informatics，Vol.8，No.1，pp11-19，Feb.2012。