基于最小开销路径的降低无线传感器网络电能消耗的方法

摘要

本发明提出了一种基于最小开销路径的降低无线传感器网络电能消耗的方法，用于解决由自身所携电能有限的传感器节点组成的无线传感器网络的电能消耗问题，属于无线传感器网络控制技术领域。通过对无线传感器网络的拓扑结构进行控制，使整个无线传感器网络在规定时间内保持连通状态的同时，将处于活跃状态的传感器节点减到最少，使得在该时间范围内网络整体耗电量最小。本方法尤其适用于大规模、自组织、随机部署、环境复杂以及网络连接状态可预测的或者网络连接呈周期性变化的无线传感器网络。

主权项

1.一种基于最小开销路径的降低无线传感器网络电能消耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、获取无线传感器网络在规定时间范围内连续时间段的工作状态信息；所述工作状态信息包括传感器节点在各时间段内接收数据包所需消耗的电量、发送数据包所需消耗的电量，以及在各时间段内不同传感器节点之间的通信关系；具体的，将所述规定时间范围T划分成连续时间段集合，T={1,…,t}，其中t为整数，代表时间段；V＝{v₁,…,v_n}表示无线传感器节点集合，n为整数；同时，对于在某一时间段t内无线传感器网络中任意一个传感器节点i为整数，1≤i≤n，表示该节点在该时间段内发送数据包所需消耗的电量；表示该节点在该时间段内接收数据包所需消耗的电量；即表示无线传感器节点v_i在t时间段的耗电量即权值；步骤二、根据步骤一所获得的工作状态信息，建立起在规定时间范围T内该网络的时空图；首先，令G^t＝(V^t,E^t)表示某时间段t内无线传感器网络的通信关系图；其中，边表示在时间段t内，传感器节点v_i向传感器节点v_j传送数据包，i、j为整数，代表无线传感器节点的编号，1≤i≤n，1≤j≤n；最终得到规定时间范围T内，无线传感器网络通信关系图集合{G^t|t＝1,…T}；然后，将集合{G^t|t＝1,…T}转换为时空图ζ；ζ＝(υ,ε)表示一个时空图，包含了节点的时间信息和通信状态信息；为判断节点是否需要在某个时间段t内打开或关闭，假定在时间段t内网络中存在节点和令同时，添加两个虚拟节点和其中，用表示v_i在整个时间范围T的开始时刻状态，用表示v_i在整个时间范围T的结束时刻状态；在规定时间范围T内，时空图ζ中任意一对节点对至少存在一条有向路径；在时空图ζ中，总共有2(T+1)列节点，其中每两列表示一个时间段；每一列有n个节点，总计有2n(T+1)个节点；在时空图ζ中，存在三种边：时间边、空间边、虚拟边；其中，时间边指节点在时间段t的边，表示在第t个时间段内该节点携带有数据包但不发送；空间边指在时间段t内v_i到节点v_j的边，表示在时间段t内节点v_i向节点v_j发送数据包；虚拟边是指节点从时间段t到时间段t+1所形成的边；步骤三、对步骤二获得的时空图ζ进行处理，获得时空图ζ的子时空图H；其中，子时空图H需要满足以下要求：在规定时间范围T内，时空图H中任意一对节点对至少存在一条有向路径；同时，相较时空图ζ减小总电量开销；在时空图ζ中，每个传感器节点都需要消耗电能来维持整个无线网络的正常工作，则时空图ζ所有节点的总电量开销为c(r)=C_v∈ζc(v):对时空图ζ的处理过程如下：1)令子时空图H为空，令X为所有0时刻到T+1时刻的节点对集合$\left\{(v_i^0,v_j^{T+1})\right|1\le i,j\le n\};$2)判断X是否为空,如果X不为空，转步骤3），如果X为空，转步骤6）；3)在时空图ζ中计算出X中每一节点对对应的最小开销路径，转步骤4）；4)取出在所有节点对最小开销路径中开销最小的路径，假设该路径为节点对的最小开销路径转步骤5）；5)将路径上的所有节点以及所有边添加到子时空图H中，并将时空图ζ中该路径上的所有节点权值赋值为0，同时将节点对从X中删除，转步骤2）；6)返回子时空图H；步骤四、根据子时空图H，对无线传感器网络的拓扑结构进行设置，从而在保证网络正常工作的前提下最大程度减少整个网络电能消耗。