[發(fā)明專利]無線傳感器網(wǎng)絡中聯(lián)合拓撲控制和信道分配負載均衡方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710571325.9
• 申請日: 2017-07-13
• 公開（公告）號: CN107484207B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設計）人: 王書濤;馬曉晴;解力霞
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: H04W28/08
• 分類號: H04W28/08;H04W40/02;H04W40/08;H04W40/10
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產(chǎn)權事務所(普通合伙) 13116
• 代理人: 李合印

本發(fā)明公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡中聯(lián)合拓撲控制和信道分配的負載均衡方法，研究鄰居的剩余能量和節(jié)點間距離對節(jié)點負載的影響，并利用功率控制合理調(diào)整節(jié)點功率來降低節(jié)點干擾與能耗。通過使用節(jié)點負載能力評估因子調(diào)節(jié)低能量節(jié)點和高能量節(jié)點，綜合考慮節(jié)點的剩余能量，從而使分區(qū)內(nèi)的節(jié)點能量能均衡消耗，并通過節(jié)點路徑因子根據(jù)通信區(qū)域內(nèi)節(jié)點的疏密程度，選擇節(jié)點到達區(qū)域內(nèi)其他各節(jié)點的最短路徑，達到均衡節(jié)點負載的目的，最大限度的延長網(wǎng)絡的生命周期。本發(fā)明采用分布式和最佳響應策略選擇最優(yōu)的信道和功率，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院途W(wǎng)絡負載的均衡性。

技術領域

本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡技術領域，具體涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡中聯(lián)合拓撲控制和信道分配負載均衡方法。

背景技術

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種無基礎設施的網(wǎng)絡，它由一組傳感器節(jié)點以無線自組織方式構成，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域中感知對象的信息，并對這些數(shù)據(jù)進行處理，最終將這些數(shù)據(jù)傳送到需要的用戶。

無線傳感器網(wǎng)絡由一些體積較小、能源有限的傳感器節(jié)點組成。節(jié)點經(jīng)常部署在環(huán)境復雜的區(qū)域，惡劣的自然環(huán)境會加速其能量消耗，鄰居節(jié)點也會直接影響其能耗。當節(jié)點的鄰居能量耗盡或者因環(huán)境而損毀時，會直接增加該節(jié)點的負載，造成其過早失效，從而降低網(wǎng)絡連通性，甚至引起網(wǎng)絡崩潰。所以每個低能量節(jié)點可以根據(jù)鄰居節(jié)點的剩余能量情況調(diào)節(jié)自身負載，延長自身生命周期。另一方面，在網(wǎng)絡信息傳輸?shù)倪^程中，節(jié)點經(jīng)常需要經(jīng)過多跳才能將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)交荆⑶夜?jié)點之間的距離會直接影響到起止節(jié)點之間的路徑長度。如果網(wǎng)絡處理的信息資源有限，如果節(jié)點之間的距離較大，為了保證信息成功傳輸，節(jié)點需要增加自身功率，從而造成嚴重的能量浪費。

單一的考慮拓撲或者信道來均衡節(jié)點的負載，都無法達到同時優(yōu)化節(jié)點能耗和干擾，功率的大小以及信道分配的優(yōu)劣直接影響著網(wǎng)絡干擾及負載的大小，過大的節(jié)點發(fā)射功率或者較差的信道分配狀態(tài)都會增加網(wǎng)絡干擾和節(jié)點自身的負載，節(jié)點發(fā)射功率較小，能夠降低節(jié)點能耗和負載，延長自身生命期，但是容易造成網(wǎng)絡分區(qū)，降低網(wǎng)絡的實用價值。由此可知，功率及信道對于網(wǎng)絡干擾及負載有著重要的影響。此外，功率與信道相互作用、相互制約，二者具有復雜的交互關系：一方面，信道分配受功率控制影響，信道分配在功率固定不變的基礎上完成，拓撲中節(jié)點的功率不同，最優(yōu)信道也不同；另一方面，功率控制結果與信道狀態(tài)也有密切聯(lián)系，不同信道得到的網(wǎng)絡節(jié)點傳輸功率也不同。總之，二者相互影響，共同決定網(wǎng)絡的多方面性能，因此對功率和信道進行聯(lián)合優(yōu)化非常必要。

綜上所述，現(xiàn)有的優(yōu)化算法并沒有考慮功率與信道間相互影響、相互制約的關系，不能同時滿足對降低網(wǎng)絡干擾、均衡網(wǎng)絡能耗和負載的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術中的不足，提出一種聯(lián)合拓撲控制和信道分配的負載均衡方法，在保證網(wǎng)絡連通性的基礎上，聯(lián)合拓撲和信道，在降低網(wǎng)絡干擾的同時，均衡節(jié)點的能耗和負載，有效延長了網(wǎng)絡的生命周期。

為了解決現(xiàn)有技術中的這些問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種無線傳感器網(wǎng)絡中聯(lián)合拓撲控制和信道分配負載均衡方法，具體包括如下步驟：

⑴當源節(jié)點需要與目的節(jié)點進行通訊時，源節(jié)點通過向所有鄰居節(jié)點泛洪廣播路由請求RREQ數(shù)據(jù)包，并等待路由回復RREQ數(shù)據(jù)包；

⑵源節(jié)點根據(jù)接收到的RREQ數(shù)據(jù)包對自身的鄰居節(jié)點列表內(nèi)容進行更新，所述的RREQ數(shù)據(jù)包包括節(jié)點的剩余能量e、最小發(fā)射功率p、接收信道rc、鄰居節(jié)點標識id和網(wǎng)絡的連通因子f；

⑶源節(jié)點根據(jù)更新后的鄰居節(jié)點列表內(nèi)容，將每個節(jié)點剩余能量作為一個能量效益因子計算其負載能力評估因子Lb，根據(jù)通信區(qū)域內(nèi)節(jié)點的疏密程度，選擇源節(jié)點到達區(qū)域內(nèi)其它各節(jié)點的最短路徑，計算節(jié)點路徑因子LD；