[发明专利]无线传感器网络的节点活动分布式规划法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络中针对节点能耗优化的分布式活动规划法。

背景技术

无线传感器网络通常由数量众多的传感器节点组成。单个的传感器节点通常针对某项特定的数据采集任务而设计，例如采集环境状况数据以及感知指定的特殊事件。通常来说，传感器节点具有体积小，重量轻，采用电池供电等特点。在无任何节点活动规划管理的情况下，一个传感器节点的电池持续供电时间，或称之为生存时间，将非常短暂。

由于单个传感器节点只具有有限的感知能力与覆盖面积，所以在一个典型的基于无线传感器网络的监测系统中，需要众多的传感器节点协同合作，提供更大范围的覆盖面积和更优秀的系统性能。因此，在系统的整体设计中，一个重要的要求是在考虑能量消耗的同时，通过对节点活动进行规划，尽可能最大化整体网络的监测覆盖面积。

目前针对上述问题的算法研究主要从几个方面进行设计考虑。在考虑对监控区域的覆盖时，主要采用覆盖面积的分析手段。在考虑节点的铺设方式选择时，主要采用确定型节点铺设法，即网络所属传感器节点的位置相对较固定。现有方法也多数使用集中式规划方法，并假定网络中有部分组成节点具有较强的计算、通信和感知能力，从而帮助网络进行区域划分和规划。然而，这些算法在较为复杂环境中的实际应用里存在较多缺陷。例如覆盖面积的分析手段需要依赖第三方参与观测，而对于无线传感器网络自身，其分布式的特性使得单个节点难以获知整体系统的监测覆盖面积信息。确定型节点铺设法则由于在众多实际应用中节点位置的不确定性和移动性而缺乏广泛适用性。同时，集中式规划法违背了无线传感器网络的分布式特性，极大耗费了网络的通信、计算资源，而降低了网络的生存能力。传统算法多针对节点具有异质性的无线传感器网络，而限制了应用范围。采用同质性网络可以大幅度降低硬件成本，系统复杂度和后期维护成本。

本发明基于对具有以下几个显著特征的无线传感器网络的考量之上。本发明适用于具有同质性节点的网络系统，其单一节点的无线通信距离大于其传感器感应距离的两倍。本发明的规划算法以网络组成节点的位置为覆盖参考点。本发明适用于随机铺设的无线传感器网络，同时也可直接应用于确定型铺设法组建的网络。

发明内容

本发明综合考虑了以上提到的无线传感器网络节点规划的要求，针对应用于监测目的的大规模无线传感器网络提出了一种全新的节点活动规划方法。本发明适用于同质性无线传感器网络，对节点铺设方式和网络规模无特殊限制。本发明通过对节点的活动周期进行规划，使得部分冗余节点保持节电状态，从而实现在保证监测覆盖面积最大化的前提下大幅度提高网络生存时间。

本发明通过以下步骤进行节点活动规划方法的实现：

步骤一，网络组成各节点独立执行信息收集过程。由于本发明所述方法基于分布式网络结构，所述信息收集过程可由网络中任意一节点发起。该发起节点通过无线信道对其邻居节点进行持续性广播，实现与处于其通信覆盖范围内的所有邻居节点进行信息交换的目的。

所述信息收集过程中，任一邻居节点在被唤醒并参与信息收集过程时，也同时作为新的发起节点对其所覆盖的区域进行独立的信息收集过程。

所述信息收集过程中，任一节点依据其所收集的邻居节点信息，计算其自身用于规划决策的唯一参数，本发明中称之为覆盖优势值。

所述参数亟覆盖优势值包含两个决定因素：节点所拥有的残存能量等级指标和节点感应区域所能覆盖的邻居节点数量。所述覆盖优势值由所述两个决定因素的线性或非线性组合计算得到。本发明不涉及具体组合方式的选择，仅在实施方式中给出示例予以说明。

步骤二称之为决策过程。本发明所述的决策过程在信息收集过程结束后执行，采用覆盖优势积分法进行决策。任一节点与其邻居节点在信息收集过程结束后，应准确获知其自身覆盖优势值以及其所有邻居节点的覆盖优势值。当任一节点检视其所获知的邻居节点信息时，如果其自身覆盖优势值大于所有位于其感应范围内的邻居节点所具有的覆盖优势值，该节点选择成为活跃节点；反之，当有任意位于其感应范围内的邻居节点具有更高的覆盖优势值时，该节点选择成为惰性节点。

所述活跃节点即处于工作状态的节点。活跃节点通过搭载的传感器对所覆盖区域执行感应监测任务，并作为多跳网络的组成节点担任必要的网络数据传输任务。

所述惰性节点即处于节电状态的节点。惰性节点不参与网络数据传输及感应监测活动。惰性节点根据其内置时钟的设定规律性的对无线信道进行监听，在收到唤醒信号后参与下一轮活动规划。