[發明專利]一種基于競爭協作的WSNs關鍵節點休眠調度方法

在審

• 申請號: 202110659924.2
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113507737A
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 趙小強;吳帥;文秦;李雄;劉敏;崔硯鵬;趙康柱;常虹;曾耀平;付銀娟;翟永智;姚引娣;廖煥敏;高強
• 申請（專利權）人: 西安郵電大學
• 主分類號: H04W40/04
• 分類號: H04W40/04;H04W40/10;H04W40/22;H04W84/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

1.一種基于競爭協作的WSNs關鍵節點休眠調度方法，其特征在于，包括：

根據感知節點的覆蓋啟發式值選取覆蓋集，具有最大覆蓋啟發式值的感知節點將被視為預選節點，如果網絡覆蓋率得到提升，那么預選節點將被放入到覆蓋集中，重復上述步驟，直到所有的目標點都被覆蓋為止，得到一個相交的覆蓋集。

根據保護關鍵節點的要求，針對不同類型的節點(感知節點、非感知節點)設置優先級參數。

根據節點優先級參數、數據傳輸能耗以及剩余能量設計節點發送數據的傳輸代價。

根據節點之間傳輸代價鄰接矩陣，選取中繼節點，同時在節點自私性的基礎上，每個節點在同一時刻只能響應一個中繼請求，即中繼節點的競爭現象，中繼節點會選擇對自己有利的請求，傳輸代價相對較小的請求，進而構建網絡連通路徑。

2.根據權利要求1所述的一種基于競爭協作的WSNs關鍵節點休眠調度方法，其特征在于，根據網絡中出現目標點不被感知到或者有感知數據未被傳送到基站時，此時說明當前連通覆蓋集中有節點已經失效，這時需要重新選取新的集合，實現節點休眠調度。

3.根據權利要求1所述的一種基于競爭協作的WSNs關鍵節點休眠調度方法，其特征在于，節點優先級參數設置，由于在傳感器網絡中，節點是均勻隨機拋灑的，根據網絡模型知道感知節點和非感知節點的存在，會出現有些離散目標點只被很少的節點所覆蓋，而一旦存在目標點無法被覆蓋，那么網絡的功能就失效了，所以為了延長網絡生存時間，根據前文已經提到的保護關鍵節點的內容，針對不同類型的節點，感知節點、非感知節點設置優先級參數c，如公式(6)所示，

式中，M表示網絡中覆蓋一個離散目標點的最大傳感器節點數量，N_i表示與節點S_i覆蓋同一目標點的節點數量，N_j表示與節點S_j覆蓋同一目標點的節點數量，其中有M＝5，N_i＝3，N_j＝4。經過分析可以得出當傳感器節點是感知節點時，優先級參數c會隨著N_i和N_j的變化而變化，當N_i和N_j比較小時，說明覆蓋這兩個離散目標點的節點較少，因此，節點S_i和S_j是比較關鍵的節點，它們的被選為中繼節點的優先級最低，對應節點之間的傳輸代價要盡量大，避免過度的使用，進而影響網絡生存時間；當N_i和N_j較大時，說明覆蓋這兩個離散目標點的節點較多，對應的傳輸代價可以比較小，也就是說節點可以承擔部分中繼轉發任務；當N_i和N_j為0時，即節點為非感知節點，只承擔中繼轉發任務，因此被選擇成為中繼節點的優先級最高。

4.根據權利要求1所述的一種基于競爭協作的WSNs關鍵節點休眠調度方法，其特征在于，為了確定傳感器節點最大通信半徑范圍內的可用中繼節點集合，借用圖論的鄰接矩陣概念，其中，鄰接矩陣中節點S_i在τ時刻向S_j發送數據的傳輸代價如式(7)所示，進而可以構建該監測區域范圍內的傳感器節點間的鄰接矩陣如式(8)所示；

式中，表示節點S_i在τ時刻傳輸的數據包數量大小，e_i,j表示在τ時刻從節點S_i向S_j發送數據的能耗，d_i,j表示節點S_i和S_j之間的歐氏距離，表示節點S_i在τ時刻所有可用的傳輸路徑中傳輸能耗最大值，c表示選擇中繼節點的優先級參數。由于要保證數據傳輸的可靠性，要求節點S_i在τ時刻的剩余能量大于等于在τ時刻最大傳輸能耗；

隨著網絡的持續工作，傳感器節點的剩余能量逐漸減少，為了保證中繼節點的能耗均衡性，在現有的傳輸代價基礎上，加入了數據發送節點和接收節點的剩余能量作為評價指標之一，如果節點剩余能量較低時，傳輸代價需要增大，避免節點能耗太快，導致節點死亡；反之，傳輸代價相對較低。所以設置節點剩余能量代價參數，如公(9)式所示；

綜合公式(7)和公式(9)，對節點之間的傳輸代價進行更新得到最終的傳輸代價，如公式(10)所示；

由于傳感器節點的通信半徑是有限的，為了把感知節點集的感知數據傳輸到基站，同時延長網絡的生存時間，通常需要中繼節點進行數據轉發，因此，一種中繼節點選取策略被提出，由前文建立的節點之間傳輸代價鄰接矩陣，構建出一條連通的路徑，為了降低傳輸能耗，需要最小化這條路徑的總傳輸代價，用式(11)來表示；

它主要有以下兩個限制條件，如式(12)和式(13)所示；

S_h,S_h+1∈Ω (12)

其中，表示從感知節點S_i到基站數據傳輸的總代價，從節點S_i到基站之間可選擇的中繼節點集為Ω＝{S₁,S₂,…,S_h,…,S_H}，在Ω中可選擇一條傳輸代價最小的路徑，h表示數據傳輸所經過的跳數；此外，在選取中繼節點時，要確保任意中繼節點在τ時刻的剩余能量大于等于最大能耗。