[发明专利]一种虚拟骨干网环境下基于层次结构的移动能量补充方法

摘要

本发明公开了一种虚拟骨干网环境下基于层次结构的移动能量补充方法，属于无线传感器网络技术领域。在无线传感器网络中，传感器节点能量受限问题严重制约了网络的性能，而目前存在的能量补充方法几乎都是基于平面结构的，不能够有效的刻画出网络中传感器节点由于能耗差异呈现出的层次性问题。本发明根据能耗差异将网络中的传感器节点分成骨干节点层和普通节点层，分别对应能耗大的传感器节点和能耗小的传感器节点。并优先为骨干节点层补充能量同时兼顾普通节点层的能量补充。有效的避免了节点因能量耗尽而失效。本发明为虚拟骨干网环境下基于层次结构的无线传感器网络提供了一种新的解决方法，实现了网络的长生存周期和可持续运行。

主权项

1.一种虚拟骨干网环境下基于层次结构的移动能量补充方法，其特征在于：包括以下步骤：Step1、将无线传感器网络根据能耗差异以构建骨干网的方式划分为骨干节点层和普通节点层；Step2、根据step1中构建的层次结构进行能量补充，在通过移动充电装置MC充电前，首先计算充电服务池中每个待充电节点vi的当前最大充电容忍延迟，如待充电节点的最大充电容忍延迟Li(t)为：其中REi为发送充电请求时该节点vi的剩余能量，t为当前时间,tsi是发送充电请求时的时间戳，ψ为传感器节点处理一条信息消耗的能量，Ci为发送充电请求时该节点vi的信息交互率，如果节点的当前最大充电容忍延迟小于或等于零，说明节点已经饿死，则从充电服务池队列中删除该节点；Step3、对充电服务池队列中的所有传感器节点根据公式(2)如下：计算每个传感器节点的优先级，在公式(2)中，Cj指传感器节点vj的当前信息交互率，可通过传感器自身得出，tc(i)表示vi被选中成为充电目标到充电结束所需要的时间，它是由移动充电装置(MC)的移动时间t(MC,i)和充电时间tw组成，其中t(MC,i)表示MC移动到传感器节点vi的时间，tw表示MC为节点vi充满电所需要的时间，AS(vi)表示节点vi的邻接点集合，从上述公式可以看出，节点的优先级是由它的信息交互率Ci和它被选中成为充电目标到充电结束的时间间隔tc(i)决定，针对骨干节点层的节点来说，它的信息交互率Ci值是由它的邻居节点的信息交互率的累加值，而对于普通节点层中的节点，它没有邻居节点，它的信息交互率Ci代表它自生的信息交互率，具体步骤如下：Step3.1、当tc(i)相同的条件下，也就是说有多个节点完成一次充电需要相同的时间，在这样的情况下，信息交互率大的节点其优先级就越大，MC在实际选择充电目标时，优先选择信息交互率大的传感器节点为其充电，就确定了，ψ表示一次信息交互消耗的能量，也是固定的，所以Ci决定了能量的减少值；Step3.2、当Ci相同的条件系下，即服务池中有多个提出充电请求的节点具有相同的信息交互率，此时优先为tc(i)值最小的节点优先充电，根据公式(2)，可以知道tc(i)越小，节点的优先级越大，如果每次选择tc(i)最小的节点作为充电目标的情况下，这样所有等待充电的节点si等待MC充电的延迟时间Td就会最小，那么它们在等待过程中消耗的能量E＝Ci·ψ·Td就会最小，因此，可以保证服务池中的节点不会在等待的过程中能量耗尽而失效；Step4、规划MC的充电路径：Step4.1、将服务池中的传感器节点划分为骨干节点和普通节点，分别存放到骨干节点集合VSET＝{vb1,vb2…vbk}和普通节点集OSET＝{nvb1,nvb2…nvbk}中；Step4.2、如果服务池中当前只有一个节点提出了充电请求，无论是骨干节点还是普通节点，即|VSET|＝1或者|OSET|＝1，此时MC直接为其充电；Step4.3、找出初始充电序列，如果在当前时刻，服务池中存在多个传感器节点，此时存在三种情况，分别是只有骨干节点，只有普通节点，既有骨干节点也有普通节点，即|VSET|≥2&&|OSET|＝0或者|OSET|≥2&&|VSET|＝0或者|OSET|≥1&&|VSET|≥1，用Seq＝{VSET,OSET}表示MC的充电序列，此序列分为前后两部分，前面部分代表骨干节点层，后部分代表普通节点层，并对该序列前后两部分分别根据各自节点的优先级大小排序来建立初始的充电序列，序列中后面的节点总是要在前面的所有节点充电完成后才被选择充电，初始的时候骨干节点优先于普通节点进行充电，在充电过程中，随着时间的推移普通节点优先级发生变化，此时普通节点根据具体情况插入到充电序列相应的位置；Step5、根据初始充电序列计算序列中各节点的充电延迟和能量消耗情况：首先引入数据结构Map＝{e1,e2…en}，其中ei＝{key:value}它是一种映射关系，元素ei中的key∈VSET&&key∈OSET，value＝[Td,Ed]是一个二元组，Td表示按照当前充电序列，键值k所指的传感器节点的充电延迟时间，Ed则表示MC按照当前充电顺序移动到该节点时节点由于等待充电所消耗的能量，根据充电序列可以计算出充电序列中所有节点的Td和Ed的值，用T(i)表示MC按照充电序列到达充电序列中第i个节点所需要的时间，Seq(i)表示充电序列中第i个节点，则有如下递推公式成立：Ei(t+T(i))＝Ei(t)‑Ci·ψ·T(i)                           (4)令T(0)＝0则有T(1)＝T(0)+t(MC,1)成立，t(MC,i)表示MC移动到充电序列第i个节点的时间，Ei(t)表示节点提出充电请求时的剩余能量，η表示MC的充电速率，根据公式(5)计算出相应的结果并保存在Map集合中。Step6、在Step4中得到的充电序列需要约束条件来保证通过该充电序列进行充电能满足服务池中所有节点的充电要求，根据Step5得到的传感器节点的充电延迟和能量消耗情况约束充电序列，约束条件如公式(6)要满足：1)对于所有充电序列中的节点充电延迟时间Td都要小于其最大容忍延迟时间；2)对于所有序列中的节点，其等待充电消耗的能量Ed都要小于其提出充电请求时节点的剩余能量值。如果初始序列满足上述约束条件则直接按照该充电序列进行充电，如果不满足上述条件，则对充电序列中优先级相近并且靠后的节点向前调整，每调整一次判断一下约束条件，直到约束条件成立为止，如果满足不了对服务池中的所有节点的能量补充，可以牺牲普通节点来保证骨干节点的能量补充，按照上述充电序列进行充电，如果在充电过程中有新的节点加入，根据其优先级大小插入到充电序列相应的位置，然后对新的初始充电序列根据约束条件进行调整，这是一个反复的执行过程。