[发明专利]无线传感器网络中联合拓扑控制和信道分配负载均衡方法

说明书

本发明公开了一种无线传感器网络中联合拓扑控制和信道分配的负载均衡方法，研究邻居的剩余能量和节点间距离对节点负载的影响，并利用功率控制合理调整节点功率来降低节点干扰与能耗。通过使用节点负载能力评估因子调节低能量节点和高能量节点，综合考虑节点的剩余能量，从而使分区内的节点能量能均衡消耗，并通过节点路径因子根据通信区域内节点的疏密程度，选择节点到达区域内其他各节点的最短路径，达到均衡节点负载的目的，最大限度的延长网络的生命周期。本发明采用分布式和最佳响应策略选择最优的信道和功率，实现了数据传输的可靠性和网络负载的均衡性。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络中联合拓扑控制和信道分配负载均衡方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种无基础设施的网络，它由一组传感器节点以无线自组织方式构成，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并对这些数据进行处理，最终将这些数据传送到需要的用户。

无线传感器网络由一些体积较小、能源有限的传感器节点组成。节点经常部署在环境复杂的区域，恶劣的自然环境会加速其能量消耗，邻居节点也会直接影响其能耗。当节点的邻居能量耗尽或者因环境而损毁时，会直接增加该节点的负载，造成其过早失效，从而降低网络连通性，甚至引起网络崩溃。所以每个低能量节点可以根据邻居节点的剩余能量情况调节自身负载，延长自身生命周期。另一方面，在网络信息传输的过程中，节点经常需要经过多跳才能将数据信息传输到基站，并且节点之间的距离会直接影响到起止节点之间的路径长度。如果网络处理的信息资源有限，如果节点之间的距离较大，为了保证信息成功传输，节点需要增加自身功率，从而造成严重的能量浪费。

单一的考虑拓扑或者信道来均衡节点的负载，都无法达到同时优化节点能耗和干扰，功率的大小以及信道分配的优劣直接影响着网络干扰及负载的大小，过大的节点发射功率或者较差的信道分配状态都会增加网络干扰和节点自身的负载，节点发射功率较小，能够降低节点能耗和负载，延长自身生命期，但是容易造成网络分区，降低网络的实用价值。由此可知，功率及信道对于网络干扰及负载有着重要的影响。此外，功率与信道相互作用、相互制约，二者具有复杂的交互关系：一方面，信道分配受功率控制影响，信道分配在功率固定不变的基础上完成，拓扑中节点的功率不同，最优信道也不同；另一方面，功率控制结果与信道状态也有密切联系，不同信道得到的网络节点传输功率也不同。总之，二者相互影响，共同决定网络的多方面性能，因此对功率和信道进行联合优化非常必要。

综上所述，现有的优化算法并没有考虑功率与信道间相互影响、相互制约的关系，不能同时满足对降低网络干扰、均衡网络能耗和负载的要求。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提出一种联合拓扑控制和信道分配的负载均衡方法，在保证网络连通性的基础上，联合拓扑和信道，在降低网络干扰的同时，均衡节点的能耗和负载，有效延长了网络的生命周期。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无线传感器网络中联合拓扑控制和信道分配负载均衡方法，具体包括如下步骤：

⑴当源节点需要与目的节点进行通讯时，源节点通过向所有邻居节点泛洪广播路由请求RREQ数据包，并等待路由回复RREQ数据包；

⑵源节点根据接收到的RREQ数据包对自身的邻居节点列表内容进行更新，所述的RREQ数据包包括节点的剩余能量e、最小发射功率p、接收信道rc、邻居节点标识id和网络的连通因子f；

⑶源节点根据更新后的邻居节点列表内容，将每个节点剩余能量作为一个能量效益因子计算其负载能力评估因子Lb，根据通信区域内节点的疏密程度，选择源节点到达区域内其它各节点的最短路径，计算节点路径因子LD；