[發明專利]一種綜合考慮網絡覆蓋和能效的節點休眠調度方法和系統

在審

• 申請號: 202111370839.0
• 申請日: 2021-11-18
• 公開（公告）號: CN114095945A
• 公開（公告）日: 2022-02-25
• 發明（設計）人: 王海濤;宋麗華;劉軍;劉玨;劉力軍;鄭欣;芮立;陸苗霞;張倩倩
• 申請（專利權）人: 南京審計大學金審學院
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W28/08;H04W52/02;H04W72/12
• 代理公司: 南京樂羽知行專利代理事務所(普通合伙) 32326
• 代理人: 李玉平

本發明公開一種綜合考慮網絡覆蓋和能效的節點休眠調度方法和系統，節點通過網絡覆蓋度和剩余能量來計算節點自身的調度優先級，并在鄰居節點集合中發送和接收包含調度優先級的消息；任意節點s_i將其鄰居節點劃分為LSN和HSN兩組節點；首先，節點s_i判斷LSN組內鄰居節點對自身的覆蓋率是否滿足閾值θ；如果滿足，則節點s_i廣播sleep message并進入休眠狀態；否則，節點s_i隨機等待一段時間并監聽HSN組內鄰居節點發送的active message；然后，節點s_i繼續判斷LSN組內鄰居節點和HSN組內轉入工作狀態的鄰居節點對自身的覆蓋率是否滿足閾值θ；如果滿足，則節點s_i廣播sleep message并進入休眠狀態；否則，節點s_i廣播active message并進入工作狀態。

技術領域

本發明涉及一種綜合考慮網絡覆蓋和能效的節點休眠調度方法和系統，用于無線傳感網絡中，屬于無線傳感網絡技術領域。

背景技術

作為物聯網和智慧社會的關鍵支撐技術之一，無線傳感網(Wireless SensorNetwork，WSN)已得到廣泛部署和應用。無線傳感網是由部署在目標監測區域內的大量傳感器節點構成的一個自組織網絡，對覆蓋區域內的信息進行智能的感知、采集和處理。隨著網絡規模和業務量的增加，能耗已成為嚴重制約無線傳感網功效充分發揮的重要瓶頸之一。一方面，降低能耗能夠延長網絡的生存時間；另一方面，降低能耗對環境保護大有裨益。迄今，國內外學者針對無線傳感網的能耗節省問題展開了諸多研究，主要采用網絡分簇組織、協作中繼、節點休眠調度、數據聚集和負載平衡等措施來減低網絡運行能耗。其中，節點休眠調度作為一種非常有效的降低網絡能耗和延長網絡服務時間的機制，備受學者關注。

無線傳感網中節點有限的能量限制了節點的計算能力、存儲能力和通信能力，這些限制是設計網絡相關協議不得不考慮的約束條件。因此，設計節點休眠調度策略時也必須在考慮上述這些約束條件的基礎上盡量優化關鍵的網絡服務性能指標，主要包括能量效率、網絡壽命、網絡覆蓋度、連通性和平均傳輸時延。其中，能量效率是WSN最關注的一項性能指標，能量效率通常定義為單位能量發送的有效信息量，也定義為單位能量維持的網絡運行時間。大多數節點休眠調度方法都以提高節點能量效率、延長網絡壽命為首要目標。覆蓋度是指在目標監測區域內，某一目標區域能被多少節點有效感知或被節點有效感知的百分比，如k度覆蓋和全覆蓋等。在保證一定覆蓋度的前提下，通過減少工作節點的數量，讓部分節點進入休眠，可以降低節點能耗和延長網絡壽命。當網絡內所有節點都是連通的時候，稱網絡是連通的。節點休眠可能會影響網絡連通性，需要保證網絡連通性以便使數據能被匯聚節點正確接收，可以用與匯聚節點連通的節點數量的比例來表征連通性。平均傳輸時延是指所有數據包從源節點發出后直到被匯聚節點正確接收所經歷的平均時間。

按計算方式，節點休眠調度可采用集中式調度方法和分布式調度策略。集中式方法通常需要由一個計算中心對全網狀態信息進行收集，根據設計的調度算法生成調度策略或規則，并廣播給全網節點。集中式調度方法的性能通常要比分布式調度方法更優，但對資源耗費高、擴展性差且實現困難。相比而言，分布式調度策略允許節點根據自身或周圍節點的信息，對自身工作狀態進行自發調度，實現相對簡單且可擴展性較好。鑒于到無線傳感網缺乏統一調度中心，且傳感器節點的資源受限，無線傳感網主要采用分布式的節點休眠調度機制方法。

由于節點休眠調度機制主要通過延長處于休眠狀態的時間或增加休眠節點的數量來節省網絡能量，不可避免會對網絡覆蓋度和連通信等性能指標帶來影響。因此，在設計節點休眠調度機制需考慮WSN感知區域的覆蓋度和連通性，并可能需要在多個指標之間進行合理的折中。現有技術工作基于不同需求和度量指標設計了多種適用于WSN的節點休眠調度機制，并且大都采用表現更好的分布式休眠調度策略。目前休眠調度研究工作的難點仍在于合理平衡網絡覆蓋度和節點能耗，并且沒有充分利用網絡整體拓撲信息和網絡各節點的狀態信息來更加科學的調度某些節點進入休眠狀態。

發明內容