[發(fā)明專利]一種基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖樣的生命期最優(yōu)化樹的構(gòu)造方法

有效

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• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號(hào): CN106954228B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙聞博;許錄平;戴浩;張華;王光敏;孫景榮
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W24/06
• 分類號(hào): H04W24/06;H04W40/02;H04W40/08;H04W40/10;H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

本發(fā)明涉及一種基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖樣的生命期最優(yōu)化樹的構(gòu)造方法，包括如下操作步驟：采用TPO調(diào)度機(jī)制來量化能量耗費(fèi)；計(jì)算節(jié)點(diǎn)v在一個(gè)采樣周期中用于接收、發(fā)送、和空閑偵聽的能量耗費(fèi)模型；采用上述能量耗費(fèi)模型構(gòu)造生命期最優(yōu)的路由樹。上述技術(shù)方案中，針對樹形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，用于精確描述傳感器節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)，并將設(shè)計(jì)出的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于構(gòu)造高效的樹型結(jié)構(gòu)，來最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的生命期。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體涉及一種基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖樣的生命期最優(yōu)化樹的構(gòu)造方法。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由密集部署的無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。這種網(wǎng)絡(luò)通常被安置在自然區(qū)域中，通過節(jié)點(diǎn)之間的互相協(xié)作，對目標(biāo)環(huán)境中物理量的變化進(jìn)行監(jiān)測。這種網(wǎng)絡(luò)通常由一個(gè)基站和眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，基站由電源供電，傳感器節(jié)點(diǎn)和基站通過無線通信的方式，自組織為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集面臨著節(jié)點(diǎn)能量過早耗盡的挑戰(zhàn)。在所有的能量消耗中，無線通信占據(jù)著最大的比重。為了省電，應(yīng)該避免過多的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而究竟傳送哪些數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)本身所決定，并且只有在監(jiān)測數(shù)據(jù)被傳感器節(jié)點(diǎn)采集到之后才能被決定。所以，在每個(gè)采樣周期中，報(bào)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在動(dòng)態(tài)的變化且不可預(yù)測。比如，在相鄰采樣周期內(nèi)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)，往往較為平穩(wěn)或只在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。為了節(jié)省電量，只有當(dāng)新的采樣數(shù)值與上次報(bào)送的數(shù)據(jù)之間的偏差大到一定程度時(shí)，節(jié)點(diǎn)才需要向基站發(fā)送本次采集到的數(shù)據(jù)。在節(jié)點(diǎn)對環(huán)境采樣之前，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)并不能提前計(jì)算其兩次報(bào)送數(shù)據(jù)的偏差是多少。又如，在由條件觸發(fā)的傳感器監(jiān)測應(yīng)用中，比如在火山監(jiān)控中，只有當(dāng)震動(dòng)和聲波信號(hào)產(chǎn)生突變時(shí)，才需要傳送數(shù)據(jù)。但是，在節(jié)點(diǎn)采樣到數(shù)據(jù)之前，它并不知道自己未來的數(shù)據(jù)是否會(huì)滿足先前設(shè)定好的條件。以上兩個(gè)應(yīng)用場景具有相同的特點(diǎn)：在每個(gè)采樣周期，報(bào)送數(shù)據(jù)給基站的傳感器節(jié)點(diǎn)隨著時(shí)間不斷動(dòng)態(tài)的變化，且這種變化具有不可預(yù)測性。將網(wǎng)絡(luò)中報(bào)送數(shù)據(jù)給基站的傳感器節(jié)點(diǎn)的分布，定義為數(shù)據(jù)圖樣。

在數(shù)據(jù)圖樣動(dòng)態(tài)變化的情況下，降低數(shù)據(jù)收集所帶來的能量耗費(fèi)至關(guān)重要。無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常由電池驅(qū)動(dòng)，最大程度的節(jié)約電量來延長網(wǎng)絡(luò)的生命期(網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)耗干能量的時(shí)間)是非常重要的。而動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖樣給節(jié)能帶來了挑戰(zhàn)。

另一方面，數(shù)據(jù)收集過程中，節(jié)點(diǎn)的能量使用效率又被路由結(jié)構(gòu)所影響。不同的路由結(jié)構(gòu)，將影響到每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，從而影響到節(jié)點(diǎn)的能量利用。所有現(xiàn)有的路由協(xié)議方面的工作，都是針對完整的數(shù)據(jù)圖樣進(jìn)行處理。完整的數(shù)據(jù)圖樣指：網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)在每個(gè)采樣周期內(nèi)，都產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)包，去發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。對于處理周期性的，伴隨動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖樣的數(shù)據(jù)收集，這些路由協(xié)議是低效的。這是因?yàn)椋W(wǎng)絡(luò)中不同的數(shù)據(jù)圖樣，會(huì)導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)包的接收，發(fā)送，以及空閑偵聽方面，花費(fèi)不同百分比的能量。所以，不同的數(shù)據(jù)圖樣需要與不同的路由結(jié)構(gòu)匹配起來，去延長網(wǎng)絡(luò)的生命期。比如，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)比較多時(shí)，接收和傳送數(shù)據(jù)包通常在傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗中占據(jù)相當(dāng)大的比重。在這種情況下，平衡每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量非常重要。另一方面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)比較少時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)通常被空閑偵聽所主導(dǎo)。此時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)就不再是能量消耗的瓶頸。使每個(gè)節(jié)點(diǎn)花費(fèi)在空閑偵聽方面的能量盡可能的少，就變成了在設(shè)計(jì)路由結(jié)構(gòu)方面，一個(gè)相當(dāng)重要的考慮因素。所以，為了應(yīng)對動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖樣，設(shè)計(jì)能夠平衡不同節(jié)點(diǎn)能量花費(fèi)的路由結(jié)構(gòu)，來延長網(wǎng)絡(luò)的生命期是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是提供一種基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖樣的生命期最優(yōu)化樹的構(gòu)造方法，其可應(yīng)用于構(gòu)造高效的樹型結(jié)構(gòu)，用于最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的生命期。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖樣的生命期最優(yōu)化樹的構(gòu)造方法，其特征在于：包括如下操作步驟：

S1：采用TPO調(diào)度機(jī)制來量化能量耗費(fèi)；

S2：計(jì)算節(jié)點(diǎn)v在一個(gè)采樣周期中用于接收、發(fā)送、和空閑偵聽的能量耗費(fèi)模型；