[发明专利]一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法和系统

说明书

本发明公开一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法和系统，节点通过网络覆盖度和剩余能量来计算节点自身的调度优先级，并在邻居节点集合中发送和接收包含调度优先级的消息；任意节点s_i将其邻居节点划分为LSN和HSN两组节点；首先，节点s_i判断LSN组内邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点s_i广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点s_i随机等待一段时间并监听HSN组内邻居节点发送的active message；然后，节点s_i继续判断LSN组内邻居节点和HSN组内转入工作状态的邻居节点对自身的覆盖率是否满足阈值θ；如果满足，则节点s_i广播sleep message并进入休眠状态；否则，节点s_i广播active message并进入工作状态。

技术领域

本发明涉及一种综合考虑网络覆盖和能效的节点休眠调度方法和系统，用于无线传感网络中，属于无线传感网络技术领域。

背景技术

作为物联网和智慧社会的关键支撑技术之一，无线传感网(Wireless SensorNetwork，WSN)已得到广泛部署和应用。无线传感网是由部署在目标监测区域内的大量传感器节点构成的一个自组织网络，对覆盖区域内的信息进行智能的感知、采集和处理。随着网络规模和业务量的增加，能耗已成为严重制约无线传感网功效充分发挥的重要瓶颈之一。一方面，降低能耗能够延长网络的生存时间；另一方面，降低能耗对环境保护大有裨益。迄今，国内外学者针对无线传感网的能耗节省问题展开了诸多研究，主要采用网络分簇组织、协作中继、节点休眠调度、数据聚集和负载平衡等措施来减低网络运行能耗。其中，节点休眠调度作为一种非常有效的降低网络能耗和延长网络服务时间的机制，备受学者关注。

无线传感网中节点有限的能量限制了节点的计算能力、存储能力和通信能力，这些限制是设计网络相关协议不得不考虑的约束条件。因此，设计节点休眠调度策略时也必须在考虑上述这些约束条件的基础上尽量优化关键的网络服务性能指标，主要包括能量效率、网络寿命、网络覆盖度、连通性和平均传输时延。其中，能量效率是WSN最关注的一项性能指标，能量效率通常定义为单位能量发送的有效信息量，也定义为单位能量维持的网络运行时间。大多数节点休眠调度方法都以提高节点能量效率、延长网络寿命为首要目标。覆盖度是指在目标监测区域内，某一目标区域能被多少节点有效感知或被节点有效感知的百分比，如k度覆盖和全覆盖等。在保证一定覆盖度的前提下，通过减少工作节点的数量，让部分节点进入休眠，可以降低节点能耗和延长网络寿命。当网络内所有节点都是连通的时候，称网络是连通的。节点休眠可能会影响网络连通性，需要保证网络连通性以便使数据能被汇聚节点正确接收，可以用与汇聚节点连通的节点数量的比例来表征连通性。平均传输时延是指所有数据包从源节点发出后直到被汇聚节点正确接收所经历的平均时间。

按计算方式，节点休眠调度可采用集中式调度方法和分布式调度策略。集中式方法通常需要由一个计算中心对全网状态信息进行收集，根据设计的调度算法生成调度策略或规则，并广播给全网节点。集中式调度方法的性能通常要比分布式调度方法更优，但对资源耗费高、扩展性差且实现困难。相比而言，分布式调度策略允许节点根据自身或周围节点的信息，对自身工作状态进行自发调度，实现相对简单且可扩展性较好。鉴于到无线传感网缺乏统一调度中心，且传感器节点的资源受限，无线传感网主要采用分布式的节点休眠调度机制方法。

由于节点休眠调度机制主要通过延长处于休眠状态的时间或增加休眠节点的数量来节省网络能量，不可避免会对网络覆盖度和连通信等性能指标带来影响。因此，在设计节点休眠调度机制需考虑WSN感知区域的覆盖度和连通性，并可能需要在多个指标之间进行合理的折中。现有技术工作基于不同需求和度量指标设计了多种适用于WSN的节点休眠调度机制，并且大都采用表现更好的分布式休眠调度策略。目前休眠调度研究工作的难点仍在于合理平衡网络覆盖度和节点能耗，并且没有充分利用网络整体拓扑信息和网络各节点的状态信息来更加科学的调度某些节点进入休眠状态。

发明内容