[发明专利]一种基于竞争协作的WSNs关键节点休眠调度方法

说明书

本发明公开了一种基于竞争协作的WSNs关键节点休眠调度方法，感知节点的覆盖启发式值选取覆盖集，具有最大覆盖启发式值的感知节点将被视为预选节点，如果网络覆盖率得到提升，预选节点将被放入到覆盖集中，重复上述步骤，直到所有的目标点都被覆盖为止，得到一个相交的覆盖集。节点之间传输代价邻接矩阵，选取中继节点，同时在节点自私性的基础上，每个节点在同一时刻只能响应一个中继请求，即中继节点的竞争现象，中继节点会选择对自己有利的请求，传输代价相对较小的请求，进而构建网络连通路径。本发明避免感知节点同时承担感知和中继任务，降低中继节点转发能耗，最大化的利用网络中的节点，延长网络的生存时间。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)中关键传感器节点的 保护问题，特别是涉及一种基于竞争协作的WSNs关键节点休眠调度方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)以其低功耗、低成本、分布式和 自组织的特点，能够广泛应用于军事行动、环境监测和预报、智能家居、监视系统、城市交通、医疗健康和公共安全等领域。为了提高无线传感器网络的覆盖性和可靠性，许多WSNs在部署节点阶段采取的是高密度的节点部署方式，即在网络部署初期，在目标区域 部署大规模的传感器节点。这样部署传感器的方法，会造成大量传感器节点之间覆盖的重叠、冗余，同时也会因为某一区域内大量节点的存在，产生数据包冲突、信号冲突，导致 各个节点的能量消耗差异较大，进而使网络的使用寿命减少。

由于无线传感器节点主要依靠电池供电，且大多数情况下不可能替换或者重复充电，而且 目前的电池供电能力也十分有限。因此，网络的生存时间成为衡量网络服务质量(Quality of Service,QoS)的重要指标之一。而对于一般的网络场景下，并不需要所有的传感器节 点在同一时刻都处于工作状态，每轮工作时只需要部分节点工作，其余的节点进入休眠状 态即可，因此在WSNs中节点休眠调度问题成为研究WSNs节能的一个重要研究课题。 当采取休眠调度策略时，节点在执行策略之前需要建立一个连通覆盖集，以保证覆盖和数 据传输需求。Zhao等人提出一种基于最大覆盖树的通信权值贪心覆盖(Communication Weighted Greedy Cover,CWGC)算法，通过节点能量建立通信权重，选取合适的中继节 点，能够保证目标点被节点全部感知，同时确保节点到基站的连通，然而存在让节点同时 承担感知和数据转发任务的情况，会导致部分节点因能耗过快而死亡。一种优化连通覆盖 度算法(Optimized Connected Coverage Heuristic,OCCH)被Zorbas等人提出，该算法针 对关键目标点进行权重设计，保护重要节点，能够很好的延长网络生存时间，并且能够同 时保证覆盖和连通性，但是只适用于密度很高网络。Chen等人提出了一种最大负载均衡 覆盖树算法(Maximum Connected Load-balancing Cover Tree,MCLCT)，该方法通过建立 节点之间通信能耗概率公式，选取高效的工作节点，能够很好的改善网络生存时间，但采 用的是不相交覆盖集构造方法，其中每个传感器节点只能加入一个覆盖集。这样只能构成 数量较少的覆盖集，导致传感器节点不能被充分的利用。为了解决中继节点的单覆盖问题， Ma等人设计了一种连通感知近似算法，该算法通过引入局部搜索近似算法来解决中继节 点单覆盖问题，在此基础上提出了一种中继位置选择算法，用最小的生成树启发式方法来 构建高层之间的节点连通，节省为高层新部署的中继节点的连通度，降低关键节点的能耗。 其中，与本发明最接近的方案未“一种优化节能连通覆盖启发式算法(anOptimized and lightweight Energy-efficient Connected Coverage Heuristic,OECCH)”，该方法将传感器分为 相交子集，每个子集能够覆盖所有目标，并且还提出一种覆盖恢复算法，保持目标覆盖。 但节点能量未被考虑在内，对于节点能耗均衡性有不利的影响，同时能耗计算不符合实际 情况。因此，亟需一种方法既能够考虑关键节点任务分担问题，保护关键节点，又能够调 度传感器节点轮换工作，达到二者平衡的节点休眠调度方法。

发明内容