[发明专利]无线传感器网络能耗均衡覆盖调度及路由跨层设计方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络应用层的覆盖技术，以及综合路由的跨层设计技术领域。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)通常是由大量密集分布的微小传感器节点通过自组织方式构成的。传感器节点采用电池供电，不进行充电和电池更换，因此网络生存期是WSN至关重要的性能指标。影响网络生存期的主要有两个因素，一是节点本身的能耗，二是节点能耗的均衡性。前者是指尽量减少节点的能耗，后者是指网络节点的能耗应尽量平均，不至于部分节点能耗过快，而另外节点能耗较少。若不充分考虑节点能耗的均衡性，甚至可能出现某些节点因能量耗尽导致WSN无法正常工作，而其它节点剩余90％以上能量的情况。

WSN通常由大量节点密集分布组成，节点布设存在较大的冗余度，对于正常完成网络的应用任务，并不需要所有节点均处于工作状态。因此在满足覆盖要求的情况下，将节点分为若干不相交的节点集合，也叫覆盖集，一个时间段只需要一个节点集合处于工作状态即可。对于多个不同的覆盖集，依据某种规则分别调度使用，称之为覆盖调度。

覆盖调度有集中式和分布式两种方式。集中式调度的效果较好，但要求了解全网所有节点的位置信息等，对于通常由成千上万个节点组合的大规模WSN而言，缺乏足够的实用意义。分布式调度只需获取邻居节点信息便可局部分布式进行，因此具有很好的扩展性。同时分布式调度减少了调度过程的通信开销，有利于减少网络能耗。从理论上而言，分布式调度的效果相对没有集中式好，减少两者的差别是分布式调度一直努力的目标。

覆盖调度的本质就是利用WSN节点布设的冗余度，在不同工作时间内更换工作节点，其主要依据就是处于工作状态的节点的剩余能量。在已有的覆盖调度方法中，几乎都是直接以节点剩余能量为调度依据的，当节点最小剩余能量到达某个预定的阈值时，便调度新的覆盖集工作。

本发明在节点剩余能量的基础上考虑了能耗的速率，对节点剩余能量进行预测，将能耗速率较快的节点更换掉，以更有效地实施节点覆盖的调度，就此提供了一种新的能耗均衡的分布式WSN覆盖调度算法(An Energy-Balance Coverage Configuration Protocol，EBCCP)。在网络技术中路由选择对节点能耗的影响至关重要，因此本发明通过节点能耗将覆盖调度与路由相结合，提供了综合两者的跨层设计方法，该方法适用于任何已有的WSN路由协议。基于定向扩散路由协议的仿真结果显示，本发明提出的覆盖调度算法可显著延长网络寿命。

发明内容

本发明的目的是提供基于节点能耗速率的无线传感器网络能耗均衡覆盖调度算法，并与路由技术相结合，提供综合路由和覆盖调度的跨层设计方法。

为便于说明本发明的内容，首先结合图1给出本发明中涉及的基本概念。

1.欧拉距离：区域A中的点p(x,y)和节点v(x_v,y_v)的欧拉距离

2.邻居节点集：节点v的邻居节点集

其中是监测区域内的节点集,R_c是节点v的通信半径,d(v,i)是节点v和i之间的欧拉距离。

3.节点感知区域：节点v的感知区域

R(v)＝{p∈A|d(p,v)<R_s}

其中A(边界为C(A))为监测范围，d(p,v)是点p和节点v之间的欧拉距离。

4.节点感知圆弧：节点v的感知圆弧

C(v)＝{p∈A|d(p,v)＝R_s}

5.内部交点集I(v)：交点集

I(v)＝{p|p∈C(i),p∈C(j),p∈R(v)}

为节点v感知区域内的邻居节点的感知圆的交点，其中i,j∈N(v)，如图1中圆形交点所示。

6.边界交点集B(v)：交点集

B(v)＝{p|p∈C(i),p∈C(v)}

为节点v感知区域的边界与v的邻居节点的感知圆的交点，其中，i∈N(v)，如图1中方形交点所示。

7.监测区域边界交点集E(v)：交点集

E(v)＝{p|p∈C(v),p∈C(A)}

为节点v的感知圆与目标区域A的边界的交点，如图1中棱形交点所示。

8.冗余节点：如果某节点在监测区域内的感知区域被邻居节点的感知区域完全覆盖，则该节点为冗余节点，可以进行休眠，如图1中的节点v所示。

9.节点状态：

Ready-on-duty:节点初始状态；