无线传感网中最大化生命周期的改进方法及终端与流程

本发明涉及无线传感技术领域，特别涉及无线传感网中最大化生命周期的改进方法及终端。

背景技术：

随着ai和aiot技术的不断发展，其在智慧城市、智慧医疗、智能农业、工业4.0、智能家居和智慧教育等领域的应用越来越广泛和深入。无线传感网是实现这些技术的关键通信技术，无线传感网的网络寿命决定了整个系统的生存时间。由于环境的差异性和多样性，分布在无线传感网中节点的寿命由其电池能量决定。

pegasis(power-efficientgatheringinsensorinformationsystems)协议是基于leach(low-energyadaptiveclusteringhierarchy)算法的一种改进协议。该协议下的链首基本等同于簇头的地位，其核心思想是采用贪婪算法，将网络中的所有节点按照一定次序连接，建立一条结构为单链的传输路径。pegasis算法极大地减少了节点的能量消耗，延长了网络寿命，但pegasis算法仍存在着以下不足：

(1)、在成链后期容易形成长链，如果一个节点死亡，重构链路将影响数据收集；

(2)、节点数量多时形成的总链路较长，从链两端到链头的传输时延较长；

(3)、轮流充当链头造成远离基站的节点过快死亡。

另外，在pegasis协议中，每个节点在选择邻居节点时，存在两个问题：

(1)、只考虑到节点之间的最短距离，并未考虑朝sink方向选取；

(2)、在实际感测节点上，感测节点的功率控制只有固定的几个级别，无法根据理论上的最短距离进行传输，因此，采用理论上的最短距离传输并不能有效地节省能耗。

由于这两类问题的存在，增加了不必要的传输路径，节点每次传输的能量未得到充分利用，从而大大降低网络寿命。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供无线传感网中最大化生命周期的改进方法及终端，以提高无线传感网的网络寿命。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

无线传感网中最大化生命周期的改进方法，包括步骤：

s1、将静态传感器节点的传输空间分割成一个以上的分格空间，位于每一个分格空间的静态传感器节点包括簇头节点和普通节点；

s2、每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，直到所述普通节点的数据传输到簇头节点；

s3、每一个分格空间内的簇头节点以多跳的形式传输到靠近sink的上一个分格空间内的簇头节点内；

s4、位于最靠近sink的第一层的每一个分格空间内的簇头节点将数据传输给所述sink。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：

无线传感网中最大化生命周期的改进终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

s1、将静态传感器节点的传输空间分割成一个以上的分格空间，位于每一个分格空间的静态传感器节点包括簇头节点和普通节点；

s2、每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，直到所述普通节点的数据传输到簇头节点；

s3、每一个分格空间内的簇头节点以多跳的形式传输到靠近sink的上一个分格空间内的簇头节点内；

s4、位于最靠近sink的第一层的每一个分格空间内的簇头节点将数据传输给所述sink。

本发明的有益效果在于：无线传感网中最大化生命周期的改进方法及终端，将静态传感器节点的传输空间分割成一个以上的分格空间，其中，每一个分格空间内的簇头节点以多跳的形式传输到靠近sink的上一个分格空间内的簇头节点内，使得节点之间数据以朝向sink的方向传输，不断地靠近sink，以避免绕路问题；每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，使得实际发射功率得到最大化的利用，以避免功率浪费问题，即本发明既保证了数据传输朝向sink的最短路径，又能够有效利用节点间的传输功率，从而提高了无线传感网的网络寿命。

附图说明

图1为本发明实施例的无线传感网中最大化生命周期的改进方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的现有技术的传输示意图；

图3为本发明实施例的无线传感网中最大化生命周期的改进方法的传输示意图；

图4为本发明实施例的无线传感网中最大化生命周期的改进方法中不同分割方案中sink距离和网络生存时间的关系示意图；

图5为本发明实施例的无线传感网中最大化生命周期的改进方法与现有技术中sink距离和网络生存时间的关系示意图；

图6为本发明实施例的无线传感网中最大化生命周期的改进方法中不同分割方案中sink距离和能量消耗的关系示意图；

图7为本发明实施例的无线传感网中最大化生命周期的改进方法与现有技术中sink距离和能量消耗的关系示意图；

图8为本发明实施例的无线传感网中最大化生命周期的改进终端的结构示意图。

标号说明：

1、无线传感网中最大化生命周期的改进终端；2、处理器；3、存储器。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1至图7，无线传感网中最大化生命周期的改进方法，包括步骤：

s1、将静态传感器节点的传输空间分割成一个以上的分格空间，位于每一个分格空间的静态传感器节点包括簇头节点和普通节点；

s2、每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，直到所述普通节点的数据传输到簇头节点；

s3、每一个分格空间内的簇头节点以多跳的形式传输到靠近sink的上一个分格空间内的簇头节点内；

s4、位于最靠近sink的第一层的每一个分格空间内的簇头节点将数据传输给所述sink。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：将静态传感器节点的传输空间分割成一个以上的分格空间，其中，每一个分格空间内的簇头节点以多跳的形式传输到靠近sink的上一个分格空间内的簇头节点内，使得节点之间数据以朝向sink的方向传输，不断地靠近sink，以避免绕路问题；每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，使得实际发射功率得到最大化的利用，以避免功率浪费问题，即本发明既保证了数据传输朝向sink的最短路径，又能够有效利用节点间的传输功率，从而提高了无线传感网的网络寿命。

进一步地，所述步骤s2具体为：

每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，并改进pegasis协议，使其每个节点都选择最远的节点作为下一跳，将数据传输到其他普通节点上，直到所述普通节点的数据传输到簇头节点。

从上述描述可知，当普通节点都以固定距离传输数据，在应用到实际当中时，可以调节传感器节点的发射功率至一个或几个固定的级别的来满足固定距离的数据传输，使得理论数据所呈现的效果更加贴近实际，相较于pegasis协议按照最短距离传输所存在的不符合传感器传输数据的实际功率消耗，采用固定距离传输数据更加贴近实际功率消耗情况；由此，在传输过程中，尽量选择较远的节点进行传输，使实际传感器节点的发射和接收功率得到充分利用，相较于其他协议的理论上动态更新距离，而实际上传感器节点并未有效实现功率切换而言，能够真正有效的利用节点间的传输功率，以提高无线传感网的网络寿命。

进一步地，所述步骤s1具体为：

s11、假设将所述静态传感器节点的传输空间分割成m*c个分格空间，则每一个分格空间的长为li、宽为wi以及两个节点之间的传输距离为di；

s12、获取所述静态传感器节点的传输空间的长l、宽w、节点密度ρ、数据传输速率b以及数据融合率1/β，以得到第一层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式、中间层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式以及最后一层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能耗损耗表达式；

s13、根据所述第一层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式和所述第一层的节点数量、中间层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式和所述中间层的节点数量以及最后一层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能耗损耗表达式和最后一层的节点数量，以得到所述静态传感器节点的总能耗表达式；

s14、对所述总能耗表达式进行求导，令导数为0，以得到所述li和所述wi的对应关系，按照所述l、所述w、所述li和所述wi的对应关系得到所述m和所述c的具体数值，以将所述静态传感器节点的传输空间按照所述m和所述c的具体数值分割成分格空间。

从上述描述可知，在将传输空间分割成多个分格空间时，通过计算不同分割方案的能量损耗，其中，第一层直接将接收的数据发射到sink上，而最后一层只需要把数据发到上一层就可以，因此需要与既要接收也要发射的中间层进行区分计算，以求得能量损耗最低时的长宽比，从而确定切割的最佳方案。

进一步地，所述步骤s12中替换为：

获取所述静态传感器节点的传输空间的长l、宽w、节点密度ρ、数据传输速率b以及数据融合率1/β，以得到中间层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式；

此时，删除所述步骤s13并将所述步骤s14替换为：

对中间层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式进行求导，令导数为0，以得到所述li和所述wi的对应关系，按照所述l、所述w、所述li和所述wi的对应关系得到所述m和所述c的具体数值，以将所述静态传感器节点的传输空间按照所述m和所述c的具体数值分割成分格空间。

从上述描述可知，对于分割方案来说，整个系统的能量损耗大多都是在中间层区域，分割的层数越多，中间层占的比重越大，由此，在实际应用的大场景下，可着重考虑中间层的能耗，即能反映整个系统的能耗，由此，只需要对中间层每个节点中包括li和wi的平均能量损耗表达式进行求导，以求得能量损耗最低时的长宽比，从而确定切割的最佳方案，从而能减少计算量，提高计算速度。

进一步地，所述步骤s14中“所述li和所述wi的对应关系”具体为：

所述eelec＝50*10^-9j/bit，eamp＝100*10^-12j/bit/m²，所述n为层数。

从上述描述可知，由此得到的公式，可在后续选定传输空间之后，根据既有数据长l、宽w、节点密度ρ、数据传输速率b以及数据融合率1/β可快速得到li和wi的关系，从而快速确定切割的最佳方案。

请参照图8，无线传感网中最大化生命周期的改进终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

s1、将静态传感器节点的传输空间分割成一个以上的分格空间，位于每一个分格空间的静态传感器节点包括簇头节点和普通节点；

s2、每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，直到所述普通节点的数据传输到簇头节点；

s3、每一个分格空间内的簇头节点以多跳的形式传输到靠近sink的上一个分格空间内的簇头节点内；

s4、位于最靠近sink的第一层的每一个分格空间内的簇头节点将数据传输给所述sink。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：将静态传感器节点的传输空间分割成一个以上的分格空间，其中，每一个分格空间内的簇头节点以多跳的形式传输到靠近sink的上一个分格空间内的簇头节点内，使得节点之间数据以朝向sink的方向传输，不断地靠近sink，以避免绕路问题；每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，使得实际发射功率得到最大化的利用，以避免功率浪费问题，即本发明既保证了数据传输朝向sink的最短路径，又能够有效利用节点间的传输功率，从而提高了无线传感网的网络寿命。

进一步地，所述处理器执行所述计算机程序的所述步骤s2具体实现以下步骤：

每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，并改进pegasis协议，使其每个节点都选择最远的节点作为下一跳，将数据传输到其他普通节点上，直到所述普通节点的数据传输到簇头节点。

从上述描述可知，当普通节点都以固定距离传输数据，在应用到实际当中时，可以调节传感器节点的发射功率至一个或几个固定的级别的来满足固定距离的数据传输，使得理论数据所呈现的效果更加贴近实际，相较于pegasis协议按照最短距离传输所存在的不符合传感器传输数据的实际功率消耗，采用固定距离传输数据更加贴近实际功率消耗情况；由此，在传输过程中，尽量选择较远的节点进行传输，使实际传感器节点的发射和接收功率得到充分利用，相较于其他协议的理论上动态更新距离，而实际上传感器节点并未有效实现功率切换而言，能够真正有效的利用节点间的传输功率，以提高无线传感网的网络寿命。

进一步地，所述处理器执行所述计算机程序的所述步骤s1具体实现以下步骤：

s11、假设将所述静态传感器节点的传输空间分割成m*c个分格空间，则每一个分格空间的长为li、宽为wi以及两个节点之间的传输距离为di；

s12、获取所述静态传感器节点的传输空间的长l、宽w、节点密度ρ、数据传输速率b以及数据融合率1/β，以得到第一层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式、中间层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式以及最后一层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能耗损耗表达式；

s13、根据所述第一层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式和所述第一层的节点数量、中间层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式和所述中间层的节点数量以及最后一层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能耗损耗表达式和最后一层的节点数量，以得到所述静态传感器节点的总能耗表达式；

s14、对所述总能耗表达式进行求导，令导数为0，以得到所述li和所述wi的对应关系，按照所述l、所述w、所述li和所述wi的对应关系得到所述m和所述c的具体数值，以将所述静态传感器节点的传输空间按照所述m和所述c的具体数值分割成分格空间。

从上述描述可知，在将传输空间分割成多个分格空间时，通过计算不同分割方案的能量损耗，其中，第一层直接将接收的数据发射到sink上，而最后一层只需要把数据发到上一层就可以，因此需要与既要接收也要发射的中间层进行区分计算，以求得能量损耗最低时的长宽比，从而确定切割的最佳方案。

进一步地，所述处理器执行所述计算机程序的所述步骤s12时替换为以下步骤：

获取所述静态传感器节点的传输空间的长l、宽w、节点密度ρ、数据传输速率b以及数据融合率1/β，以得到中间层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式；

所述处理器执行所述计算机程序时删除所述步骤s13并将所述步骤s14替换为以下步骤：

对中间层每个节点中包括所述li和所述wi的平均能量损耗表达式进行求导，令导数为0，以得到所述li和所述wi的对应关系，按照所述l、所述w、所述li和所述wi的对应关系得到所述m和所述c的具体数值，以将所述静态传感器节点的传输空间按照所述m和所述c的具体数值分割成分格空间。

从上述描述可知，对于分割方案来说，整个系统的能量损耗大多都是在中间层区域，分割的层数越多，中间层占的比重越大，由此，在实际应用的大场景下，可着重考虑中间层的能耗，即能反映整个系统的能耗，由此，只需要对中间层每个节点中包括li和wi的平均能量损耗表达式进行求导，以求得能量损耗最低时的长宽比，从而确定切割的最佳方案，从而能减少计算量，提高计算速度。

进一步地，所述步骤s14中“所述li和所述wi的对应关系”具体为：

所述eelec＝50*10^-9j/bit，eamp＝100*10^-12j/bit/m²，所述n为层数。

从上述描述可知，由此得到的公式，可在后续选定传输空间之后，根据既有数据长l、宽w、节点密度ρ、数据传输速率b以及数据融合率1/β可快速得到li和wi的关系，从而快速确定切割的最佳方案。

请参照图1至图7，本发明的实施例一为：

在本实施例之前，如图2所示，实心点为sourcenode，又称为源节点，按照pegasis协议传送的路径如实线所示，其中明显存在“绕路”和过长链路。如果按照固定距离传输，则有可能出现2、3、5三种路径，显然，编号为2的路径最差；如果只考虑传输方向，则可能出现3、4、5三种路径，显然，从最大化利用能量的角度，编号3或5的路径最优。因此，只考虑传输距离或只考虑传输方向均并不能有效的延长网络寿命。

而本实施例如图3所示的无线传感网中最大化生命周期的改进方法，包括步骤：

s1、将静态传感器节点的传输空间分割成一个以上的分格空间，位于每一个分格空间的静态传感器节点包括簇头节点和普通节点；

在本实施例中，步骤s1具体为：

s11、假设将静态传感器节点的传输空间分割成m*c个分格空间，则每一个分格空间的长为li、宽为wi以及两个节点之间的传输距离为di；

s12、获取静态传感器节点的传输空间的长l、宽w、节点密度ρ、数据传输速率b以及数据融合率1/β，以得到第一层每个节点中包括li和wi的平均能量损耗表达式、中间层每个节点中包括li和wi的平均能量损耗表达式以及最后一层每个节点中包括li和wi的平均能耗损耗表达式；

由此，在本实施例的网络结构中，包括簇内通信和簇间通信，簇内通信是指分格空间内的传感器节点之间的传输，簇间通信是不同分格空间之间的簇头节点传输，其中，簇内通信的能量损耗为：

其中，eelec＝50*10^-9j/bit，eamp＝100*10^-12j/bit/m²，n为层数；

关于不同分格空间之间的簇头传输，区分第一层、中间层和最后一层，其中，第一层数据直接传输给sink，由此得到：

(1)、第一层的簇间通信的能量损耗为：

则第一层的总能量损耗为：

由于第一层的节点数为：

n1＝liwiρ

则将上述的和n1代入下列公式：

即可得到第一层单个节点的平均能量损耗。

(2)、中间层的簇间通信的能量损耗为：

则中间层的总能量损耗为：

由于中间层的节点数为：

ni＝liwiρ

则将上述的和ni代入下列公式：

即可得到中间层单个节点的平均能量损耗。

(3)、最后一层的簇间通信的能量损耗为：

则中间层的总能量损耗为：

由于第一层的节点数为：

nn＝lnwnρ

则将上述的和n1代入下列公式：

即可得到最后一层单个节点的平均能量损耗。

s13、根据第一层每个节点中包括li和wi的平均能量损耗表达式和第一层的节点数量、中间层每个节点中包括li和wi的平均能量损耗表达式和中间层的节点数量以及最后一层每个节点中包括li和wi的平均能耗损耗表达式和最后一层的节点数量，以得到静态传感器节点的总能耗表达式；

s14、对总能耗表达式进行求导，令导数为0，以得到li和wi的对应关系，按照l、w、li和wi的对应关系得到m和c的具体数值，以将静态传感器节点的传输空间按照m和c的具体数值分割成分格空间；

其中，考虑到中间层占的绝大部分，对中间层平均能量损耗进行求导，以得到：

s2、每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，直到所述普通节点的数据传输到簇头节点；

在本实施例中，步骤s2具体为：

每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，并改进pegasis协议，使其每个节点都选择最远的节点作为下一跳，将数据传输到其他普通节点上，直到所述普通节点的数据传输到簇头节点。

s3、每一个分格空间内的簇头节点以多跳的形式传输到靠近sink的上一个分格空间内的簇头节点内；

s4、位于最靠近sink的第一层的每一个分格空间内的簇头节点将数据传输给sink。

其中，如图4至图7中，横坐标为thedistancetosink即为sink距离，纵坐标为df为网络生存时间，pa为能量消耗。

在本实施例中，将其应用于长l＝100m、宽w＝100m、节点密度ρ＝1node/m²、数据传输速率b＝500bits/round以及数据融合率1/β＝1/50，最终得到长宽为近似相等时，能耗最低，鉴于实际的整数分割，得到将100m*100m的传输空间分割成5行5列，即图4中的5x5，在进行仿真模拟时，以2x10(2行10列)、10x2(10行2列)、4x5(4行5列)和5x4(5行4列)共计五种分割方案进行验证，得到图4中五种分割方案中sink距离和网络生存时间的关系示意图，由此可知，分格空间的长和宽越接近，其第一个死亡节点出现的越晚，网络生存时间越长。格子长宽不相同的分割方案中第一个死亡节点出现时间都随着sink距离的增加而递减，但格子的长和宽相差较大的变化比较缓慢。

而将本实施例的改进方法与现有技术中固定距离的pegasis协议、理想的pegasis协议共三种技术的关系如图5所示，当sink位置相同时，本实施例的改进方法在网络生存时间上要远优于其余两者，具体为是理想的pegasis协议的两倍左右，是固定距离的pegasis协议的十倍左右。不同类型协议的生存时间都随着sink距离的增加而递减。但格子的长和宽相差较大的变化比较缓慢。从图5中还可以看出，理想的pegasis协议生存时间在sink距离变化时会产生波动，这是由于对理想的pegasis协议而言，簇头位置变化会产生不同的路由方案，从而造成生存时间的波动。

从能量消耗来看，如图6所示，当sink位置相同时，分格空间的长和宽相差越多，其消耗的平均能量越大，网络生存时间越短。同时，分格长宽不同的分割方案的能量消耗都随着sink距离的增加而增加。

而将本实施例的改进方法与固定距离的pegasis协议、理想的pegasis协议共三种技术的关系如图7所示，当sink位置相同时，固定距离的pegasis协议在能量消耗上要远大于本实施例的改进方法，具体为近9倍；理想的pegasis协议与本实施例的改进方法的能量消耗近似，但是利用能量消耗传输时，从信源到sink的跳数更少，所以总能量消耗更少。同时，三种协议的能量消耗都随着sink距离的增加而增加。

由此，本实施例中的理论分析和仿真数据基本一致，即通过上述公式确定的最优分割方案在网络寿命上比固定距离的pegasis协议和原始的pegasis协议均有较为明显的提高，因此，能有效的改善无线传感网的寿命。

其中，当以100m*100m的传输空间按照5*5分割，即分格空间的长宽均为20m，此时，本实施例可以按照固定距离传输，在簇内通信时超过20*√2＝28.28m左右即可，簇间通信超√(40²+20²)＝44.72m左右即可。

请参照图8，本发明的实施例二为：

无线传感网中最大化生命周期的改进终端1，包括存储器3、处理器2及存储在存储器3上并可在处理器2上运行的计算机程序，处理器2执行计算机程序时实现上述实施例一的步骤。

综上所述，本发明提供的无线传感网中最大化生命周期的改进方法及终端，将静态传感器节点的传输空间分割成一个以上的分格空间，其中，每一个分格空间内的簇头节点以多跳的形式传输到靠近sink的上一个分格空间内的簇头节点内，使得节点之间的传输不断的靠近sink，以避免绕路问题；每一个分格空间内的普通节点按照pegasis协议遴选簇头节点，将传输距离设置为固定的格内最大距离传输数据，并以能产生固定距离的发射功率，且按照直到所述普通节点的数据传输到簇头节点，使得实际传感器节点的发射功率和接收功率得到充分利用，以避免功率浪费问题；同时，通过计算不同分割方案的能量损耗，以求得能量损耗最低时的长宽比，从而确定切割的最佳方案，以达到最佳效果；即本发明既保证了数据传输朝向sink的最短路径，又能够有效利用节点的传输功率，从而提高了无线传感网的网络寿命。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。