[发明专利]一种生命期最优路由的启发式构造方法

说明书

本发明属于无线传感器网络技术领域，公开了一种生命期最优路由的启发式构造方法，能够很好的应对以数据为中心的无线传感器网络中，发送数据给基站的传感器节点动态变化的情况。采用的节点能量模型，考虑了在数据量不确定的情况下，节点用于接收、发送、以及空闲侦听的能量。本发明通过构造能量高效的有向非循环图DAG，使网络中能量消耗更加均匀的分布于网络中所有的节点，最优化无线传感器网络的生命期。本发明用启发式方法得到的次优解，即生命期次优的DAG结构，非常接近于直接使用当前最先进的数学规划工具包得出的最优解；当网络中数据量较少时，数学规划工具包得出最优解的收敛速度非常慢，而采用本发明将使得得出解的速度大大缩短。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种生命期最优路由的启发式构造方法。

背景技术

无线传感器网络由密集部署的无线传感器节点构成，通常被安置在自然区域中，通过节点之间的互相协作，对目标环境中物理量的变化进行监测。无线传感器网络由一个基站和众多的传感器节点构成。传感器节点由电池供电，基站由电源供电，传感器节点和基站通过无线通信的方式，自组织为一个网络。在每个采样周期，由传感器节点采集到的数据需要保送到中心节点，方便用户对数据进行进一步的处理。以上这种连续的数据收集往往能够从网络的部署区域中提取出大量的信息，却非常耗电。一旦网络中某个节点消耗掉所有的电能，整个网络将不再连通，将网络分割成几个不相连的区域。在连续数据收集中节省网络电能以延长网络的生命期很有意义。数据收集过程中，节点的能量使用效率又被路由结构所影响。不同的路由结构，将影响到每个节点接收到的和需要发送的数据包的个数，影响到节点的能量利用。在此，先给出数据图样的定义，即每个采样周期内，发送数据给汇聚节点的无线传感器节点的分布。大多数已有的路由工作大多忽略数据的变化，用来处理完整的数据图样，即在每个采样周期内，网络中每一个节点都将发送一个数据包给汇聚节点。但是在连续性的传感器数据收集中，网络中数据图样是动态变化的，并且这种变化完全不可预测。比如：在相邻采样周期内，每个传感器节点所采集到的数据，往往较为平稳或只在一定的范围内波动。为了节省电量，只有当新的采样数值与上次报送的数据之间的偏差大到一定程度时，节点才需要向基站发送本次采集到的数据。在节点对环境采样之前，每个传感器节点并不能提前计算其两次报送数据的偏差是多少。在实际中，为了节省能量只有相对重要的数据被报送给汇聚节点，但是对于报送数据的选择，则完全是由数据本身所驱动的，并且当且仅当数据被传感器所感知以后才能够被决定下来。这就是通常所说的以数据为中心的传感器网络。不断变化的网络数据图样大大增加了设计能量高效路由协议的困难性。因为网络中不同的数据图样，会导致每个节点在数据包的接收，发送，以及空闲侦听方面，花费不同百分比的能量。所以，不同的数据图样需要与不同的路由结构匹配起来，去延长网络的生命期。比如，当网络中发送数据的节点比较多时，接收和传送数据包通常在传感器节点的能量消耗中占据相当大的比重。在这种情况下，平衡每个节点的数据量非常重要。另一方面，当网络中发送数据的节点比较少时，传感器节点的能量耗费通常被空闲侦听所主导。此时，汇聚节点周围的传感器节点就不再是能量消耗的瓶颈。使每个节点花费在空闲侦听方面的能量尽可能的少，就变成了在设计路由结构方面，一个相当重要的考虑因素。所以，为了应对动态数据图样，设计能够平衡不同节点能量花费的路由结构，来延长网络的生命期是非常重要的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种生命期最优路由的启发式构造方法。该方法能够很好的应对以数据为中心的无线传感器网络中，发送数据给基站的传感器节点动态变化的情况。本方法所采用的节点能量模型，考虑了在数据量不确定的情况下，节点用于接收、发送、以及空闲侦听的能量。本发明用启发式方法得到的次优解，即生命期次优的DAG结构，非常接近于直接使用当前最先进的数学规划工具包得出的最优解；特别是当网络中数据量较少时，数学规划工具包得出最优解的收敛速度非常慢，而采用本方法将使得得出解的速度大大缩短。

本发明所采用的技术方案如下：

首先，将所述生命期最优DAG构造问题建模如下：