[发明专利]基于最小密度束的降低无线传感器网络电能消耗的方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

本发明方法包括以下步骤：

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。

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。

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。

步骤四、根据时空图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。

有益效果

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。

附图说明

图1为无线传感器网络在某一时间段的通信状态。

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。

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）。

图4为束的示意图。

图5为本发明具体实施方式中对时空图ζ的处理流程示意图。

图6为GrdLDB，GrdLDB’在网络节点选择率上的性能体现。

图7为GrdLDB，GrdLDB’在网络电能效率上的性能体现。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

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。

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：

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。