一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法

摘要

本发明公开了一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法，该无线传感器网络的监测区域为圆形区域，所有传感器节点分布于该圆形区域中，汇聚节点位于其圆心位置，把监测区域划分为n个同心圆环，每个圆环的中间区域再设置中继圆环，各中继圆环等间距分布；所有感知节点均匀分布在整个圆形监测区域中的非中继圆环区域，所有中继节点分布在各中继圆环内，同一中继圆环上的中继节点均匀分布，不同中继圆环的中继节点分布密度不同，且分布密度随着中继圆环与汇聚节点距离的增大而减小。本发明有效地避免了节点能耗不均衡导致的“能量空洞”问题，优化了网络中的能量消耗，延长了网络的生命周期，大大减少了维护工作量。

权利要求

1.一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法，其特征在于：该无线传感器网络的监测区域为圆形区域，所有传感器节点分布于该圆形区域中，汇聚节点位于其圆心位置，把监测区域划分为n个同心圆环，n>1，每个圆环的中间区域再设置中继圆环，各中继圆环等间距分布；传感器节点包括两类：感知节点和中继节点，感知节点负责采集数据并将采集的数据发送给中继节点，但不负责转发其他节点的数据，中继节点负责转发其他节点的感知数据，但不负责数据的采集；所有感知节点均匀分布在整个圆形监测区域中的非中继圆环区域，所有中继节点分布在各中继圆环内，同一中继圆环上的中继节点均匀分布，不同中继圆环的中继节点分布密度不同，且分布密度随着中继圆环与汇聚节点距离的增大而减小；

任一感知节点A的周围分布6个邻居感知节点，这6个邻居感知节点位于以感知节点A为中心的正六边形的6个顶点上，其中相邻2个感知节点的距离 rs为感知节点的感知半径，ε为一个无限小的半径增量，当 时，感知节点A将被它的6个邻居感知节点完全覆盖，当 时，相邻节点之间重叠覆盖面积最小，整个传感器网络按照 方式布置感知节点，使得网络全覆盖所需要的感知节点数最少：s

上式中，N为全覆盖所需的最少感知节点数，R为圆形监测区域的半径， 表示向上取整运算；

s

则N对应的感知节点分布密度ρs：布置中继节点的数目按下式求得：

上式中，Eelec为收发电路收发每bit数据的能耗，ξ为传输常数，α为路径损耗常数， 为中继节点的通信半径， 为感知节点的通信半径。

2.根据权利要求1所述圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法，其特征在于：建立感知节点通信半径优化模型：

上式中， 为目标函数，l为发射数据bit长度，Eelec为收发电路收发每bit数据的能耗，ξ为传输常数，α为路径损耗常数， 为感知节点的通信半径。

说明书

一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线传感器网络，特别涉及了一种无线传感器网络的节点优化部署方法。

背景技术

[0002] 无线传感器网络(WSN)是大量的传感器节点通过自组织方式构成一种新型的无线网络。由于无线传感器网络具有监测精度高、功耗低、成本低、覆盖区域大、易于部署等显著
的优点，因而，无线传感器网络得到了广泛而迅猛的发展。将无线传感器网络的节点部署到
特定区域，对某些环境数据进行监测和采集，可广泛应用于环境监测、医疗监护、农业养殖
和灾难抢险等特殊领域，如何设计适合不同工程应用的WSN成为一大研究课题。

[0003] 节点部署是无线传感器网络研究的一个重点问题，它直接影响网络的生命周期、可靠性以及可扩展性等性能。在不同的实际应用场景下，无线传感器网络的监测环境和目
的不尽相同，所以应采取对应的部署策略，使组网效果最优，节约部署成本，满足覆盖要求。

[0004] 无线传感器网络中存在节点能耗不均衡导致的“能量空洞”问题，可能会出现某些节点提前死亡，整个网络生命周期受到很大的影响，同时还可能存在通信干扰，因此数据传
输过程复杂，容易出现数据冲突等问题。

发明内容

[0005] 为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法。

[0006] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

[0007] 一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法，该无线传感器网络的监测区域为圆形区域，所有传感器节点分布于该圆形区域中，汇聚节点位于其圆心位置，把监测区域
划分为n个同心圆环，n>1，每个圆环的中间区域再设置中继圆环，各中继圆环等间距分布；
传感器节点包括两类：感知节点和中继节点，感知节点负责采集数据并将采集的数据发送
给中继节点，但不负责转发其他节点的数据，中继节点负责转发其他节点的感知数据，但不
负责数据的采集；所有感知节点均匀分布在整个圆形监测区域中的非中继圆环区域，所有
中继节点分布在各中继圆环内，同一中继圆环上的中继节点均匀分布，不同中继圆环的中
继节点分布密度不同，且分布密度随着中继圆环与汇聚节点距离的增大而减小。

[0008] 进一步地，任一感知节点A的周围分布6个邻居感知节点，这6个邻居感知节点位于以感知节点A为中心的正六边形的6个顶点上，其中相邻2个感知节点的距离
rs为感知节点的感知半径，ε为一个无限小的半径增量，当 时，感知节点A将被它的6
个邻居感知节点完全覆盖，这样使得相邻节点之间重叠覆盖面积最小，整个传感器网络按
照前述方式布置感知节点，使得网络全覆盖所需要的感知节点数最少：

[0009]s

[0010] 上式中，N为全覆盖所需的最少感知节点数，R为圆形监测区域的半径， 表示向上取整运算；

[0011] 则Ns对应的感知节点分布密度ρs：

[0012]

[0013] 进一步地，布置中继节点的数目按下式求得：

[0014]

[0015] 上式中，Eelec为收发电路收发每bit数据的能耗，ξ为传输常数，α为路径损耗常数，为中继节点的通信半径， 为感知节点的通信半径。

[0016] 进一步地，建立感知节点通信半径优化模型：

[0017] min

[0018] s.t.

[0019] 上式中， 为目标函数，l为发射数据bit长度，Eelec为收发电路收发每bit数据的能耗，ξ为传输常数，α为路径损耗常数， 为感知节点的通信半径。

[0020] 采用上述技术方案带来的有益效果：

[0021] 本发明将双层网络结构和非均匀部署相结合，提出了一种中继圆环节点部署策略，即将传感器节点分为感知节点和中继节点两类，分别实现数据采集和数据传输的功能，
感知节点均匀部署，中继节点在等间距圆上均匀部署且不同圆上的分布密度不同，该方案
便于部署又简化了路由。同时，本发明有效地避免了节点能耗不均衡导致的“能量空洞”问
题，使得中继节点和传感器节点同步消耗能量，因而具有相同的生命周期，优化网络中的能
量消耗，显著地延长了网络的生命周期，在实际使用中大大地减少了维护工作量。

附图说明

[0022] 图1是本发明的拓扑结构图；

[0023] 图2是本发明中感知节点部署示意图。

具体实施方式

[0024] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

[0025] 本发明设计了一种圆环型无线传感器网络的节点优化部署方法，如图1所示。该无线传感器网络的检测区域为半径为R的圆形区域，所有传感器节点分布于该圆形区域中，汇
聚节点位于其圆心位置。把监测区域划分为n个同心圆环，n>1，从圆心向外依次表示为
其中 表示第i个圆环，i越大层级越高。每个圆环的中间区域再设置中继
圆环，各中继圆环等间距分布；传感器节点包括两类：感知节点和中继节点，感知节点负责
采集数据并将采集的数据发送给中继节点，但不负责转发其他节点的数据，中继节点负责
转发其他节点的感知数据，但不负责数据的采集；所有感知节点均匀分布在整个圆形监测
区域中的非中继圆环区域，所有中继节点分布在各中继圆环内，同一中继圆环上的中继节
点均匀分布，不同中继圆环的中继节点分布密度不同，且分布密度随着中继圆环与汇聚节
点距离的增大而减小。

[0026] 整个网络采用周期性监控的工作方式，每周期的数据收集过程中产生和发送1bit的数据包。感知节点只将采集到的数据传输给其所在圆环内的中继节点，然后数据借助于
多跳中继节点被传输到汇聚节点。可见，每个圆环内的中继节点除了要转发自己所在圆环
内的数据，还要转发高层圆环内的数据。

[0027] 假设网络中所有感知节点的感知半径为rs，通信半径为 为了保证网络的连通性，确保 中继节点的通信半径为 为了方便分析和计算，可以假设中继节点的
通信半径与每个圆环的宽度w相等，即 感知节点的通信半径恰为圆环宽度的一半，
即 则有 在网络的整个工作过程中，这些值维持固定不变。

[0028] 图2是本发明感知节点部署示意图，感知节点A周围有B、C、D、E、F、G共6个邻居感知节点，以正六边形部署，这6个感知节点位于正六边形的一个顶点，节点A及其6个邻居节点
的感知半径均为rs，构成7个以rs为半径的圆。节点A的覆盖圆与相邻的两个邻居感知节点的
覆盖圆有一个交点，把这样的6个交点连接起来构成一个边长为 的小正六边形，其面积
可计算得 设任意两个节点之间的距离为d，则有 ε→0，其中，rs为感知
节点的感知半径，ε为一个无限小的半径增量。显然，当 时，感知节点A将被它的6个
邻居感知节点完全覆盖，这样使得相邻节点之间重叠覆盖面积最小。依次类推，网络中所有
传感器节点均以此部署，使得整个网络的相邻节点之间重叠覆盖面积最小，这样就使得网
络全覆盖所需要的感知节点数将达到最少，实现网络全覆盖所需的最少感知节点数为：

[0029]

[0030] 根据最少感知节点数可以计算出最大覆盖面积下感知节点的分布密度：

[0031]

[0032] 假设圆环 中感知节点的数量为 中继节点的数量为 则有：

[0033]

[0034] 网络中的所有数据都依赖中继节点传输，所以在每个数据采集周期内，圆环 中的中继节点需要为本层和高层圆环内的感知节点转发数据，由此可知，圆环 需要承担的
数据量为：

[0035]

[0036] 其中，l为发射数据bit长度。

[0037] 单个数据采集周期内每个感知节点的能耗 为：

[0038]

[0039] 其中， 为单个数据采集周期内每个感知节点的能耗， 为单个数据采集周期内每个感知节点的发送能耗，Eelec为收发电路收发每bit数据的能耗，ξfs为自由空间传输常
数，ξamp为多路径衰减传输常数，d0是一个距离常数。

[0040] 为了保证整个网络达到能耗均衡，则所有传感器节点的能耗衰减速率应该基本保持一致，即所有节点的能量应该尽量同时耗尽，从而达到网络能量利用率最大化，则有：

[0041] 1≤i

[0042] 其中， 为第i个感知节点的能耗， 为第i个中继节点的能耗。

[0043] 由于网络中所有的感知节点拥有的初始能量相同且采用一样的工作模式，则单个数据采集周期内任意圆环 中感知节点的能耗满足：

[0044] 1≤i,j≤n,i≠j

[0045] 因 可以计算得圆环 内中继节点数量 的值,分为以下3种情况：

[0046]

[0047] 其中，α为路径损耗常数。

[0048] 根据单个感知节点的能耗，可得到每个数据采集周期中所有感知节点的能耗：

[0049]

[0050] 由上式可知，感知节点的能耗与感知节点的通信半径以及目标监测区域的半径有关。

[0051] 根据单个中继节点的能耗，可以计算出每个数据采集周期中所有中继节点消耗的能量：

[0052]

[0053] 其中，ξ为传输常数。

[0054] 为了节省部署成本，每个中继环内部署的节点应该尽量少，通过求和运算便可以推算出整个网络需要的中继节点数为：

[0055]

[0056] 综合考虑网络能耗与节点数量，根据最优化模型根据网络能耗，节点最优通信半径通过如下优化模型求得：

[0057] min

[0058] s.t.

[0059] 其中， 为目标函数。

[0060] 综上所述，本发明采用圆环型网络拓扑结构，通过对能耗和连通性的分析得出部署的网络全覆盖所需最小节点数、整个网络需要的中继节点数、感知节点分布密度和节点
最优通信半径，最终实现了良好的能耗均衡，大幅度延长网络生命周期。

[0061] 实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。