CN101013987A - 一种高效的无线传感器网络拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高效的无线传感器网络拓扑控制方法是一种对无线传感器网络中复杂的拓扑控制提出的一种分布式本地化高效节能的方法。该方法将拓扑控制中的分簇方法与功率控制方法结合在一起，具体分为以下步骤：1).将网络分簇，选举簇头节点：2).构建簇内网络：3).对簇头节点进行功率控制，形成最终网络拓扑：4).簇头失效后，重新构建网络拓扑：主要用于解决传感器网络中拓扑控制问题，将目前比较主流的两类拓扑控制方法进行有机结合形成的新的方法。本发明提出的方法不仅在尽可能达到最大性能优化的基础上还考虑了尽可能降低对网络环境和传感器节点的物理要求，提高了方法的实用性，并且方法中留有的参数可以随着应用的改变灵活配置。

Description

一种高效的无线传感器网络拓扑控制方法

技术领域

本发明是一种对无线传感器网络中复杂的拓扑控制提出的一种分布式本地化高效节能的方法。主要用于解决传感器网络中拓扑控制问题，属于无线网络拓扑控制领域。

背景技术

当今信息技术飞速发展的年代，以Internet(因特网)为代表的信息网络给人们的生活带来了巨大的变化，政府上网，企业上网，家庭上网，电子商务成了当今的热门话题。通过Internet(因特网)人们能够及时的了解世界各地的新闻，方便的获得许多有用的信息，如股市行情，旅游信息，商品介绍等，还可以参与网上的互动游戏等娱乐活动，尝试网上远程教育和购物，发送电子邮件等，互联网已经成了很多人日常生活不可缺少的部分。

微电子技术，计算技术和无线通讯技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微笑体积内能继承信息采集，数据处理和无线通讯等多种功能。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知，采集和处理网络覆盖区域内的被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器，感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。如果说Internet(因特网)改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与物理上客观世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大的扩展了网络的功能和人类认识世界的能力。传感器网络，塑料电子学和仿真人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。

传感器网络中，传感器节点体积微小，采用有限能量的电池供电，计算能力和通信能力都很有限。对于自组织的无线传感器网络而言，网络拓扑控制对网络性能影响很大，良好的拓扑控制能提高路由协议和MAC(Material AccessControl，介质访问控制)协议的效率，为数据融合，时间同步和目标定位等很多方面提供基础，有利于延长整个网络的生存时间。传感器网络拓扑控制研究的问题是：在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间的不必要的通讯链路，形成一个数据转发的优化网络结构。具体的讲，传感器网络中拓扑控制的研究方向分为两类，节点功率控制和多层结构拓扑组织。节点功率控制大多以数学中的图论为基础，动态调整每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳可达邻居数目，降低了节点的能耗，减少了链路之间的串音和干扰。而多层结构拓扑组织利用分簇机制，让一些节点成为簇头，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网的节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。目前已经提出来的功率控制方法有LMA(本地平均方法，local mean algorithm)，LMN(本地邻居平均方法local mean of neighbors algorithm)，DRNG(直接本地邻居图方法，directed relative neighborhood graph)等。多层结构拓扑组织方法有LEACH(低能耗自适应分簇方法，low energy adaptive clustering hierarchy)，GAF(地理位置自适应分簇方法，geographical adaptive f编号elity)等。

目前已有方法存在的缺点：DRNG方法需要知道大量节点的信息且运算辆比较大。Leach方法对节点进行分簇后，离基站远的簇头节点能量消耗很快，影响了网络的覆盖范围和生存时间。另外，Leach方法没有考虑到节点具体地理位置，不能保证簇头均匀地分布在整个网络中。GAF方法假定节点的位置已知，分布在平面上。这对于自身体积和资源受限的传感器节点来说实现起来难度较大。

发明内容

技术问题：本发明是一种一种高效的无线传感器网络拓扑控制方法，即一种分布式本地化高效节能的方法，通过将网络结构划分成层次结构并分别对各层节点进行功率控制达到提高网络通讯性能，延长网络寿命的目的，该方法具有实用性好，方法简单易用，效率高的特点。

技术方案：无线传感器网络是由体积微小，计算能力和通信能力相当有限的传感器节点通过通讯自组织形成的网络。节点能量有限且不能得到后续补充，所以传感器节点能量的消耗直接关系到网络的生存时间。如果每个节点都以最大功率进行通信，一方面单个节点能量消耗非常迅速，另一方面必然加剧节点之间的干扰，降低通信的效率，增加数据融合的难度，进而降低网络的质量和生存期。现有的拓扑控制方法中分簇方法通常会因为簇头节点能量消耗太快而使拓扑控制方法多次执行降低网络效率和生存时间，另一类的纯粹的功率控制方法一方面由于每个节点都要参与方法所需要的通讯和计算，能量消耗较大，另一方面生成的网络拓扑结构复杂，为路由和数据融合增加难度，而且网络内任意一个微小节点的失效也会造成整个网络拓扑结构的瓦解。

本发明通过分簇技术和功率控制技术相结合，寻找一个在满足网络连通度和覆盖度的基础上，尽可能的减少同一时刻工作节点的数量以及节点发射功率，从而优化网络拓扑结构，延长了网络的生存期。

一.体系结构

本发明所述的无线传感器网络拓扑控制方法的体系结构包括两层结构：传感层，网络层。传感层是整个无线传感器网络的支撑系统，本发明第一步骤主要完成传感层拓扑的创建，即确定哪些节点为普通节点，那些节点是簇头节点，传感层由普通节点构成，主要任务是搜集感知范围内的信息并将其传输给簇头节点。网络层在传感层基础之上，由簇头节点组成，簇头节点在收到普通节点信息后自组织形成网络传输给基站。

本发明所述的拓扑控制方法不需要节点了解自己的位置信息，而且也不限定网络部署在平面环境上，因此本发明适用于几乎所有的大规模传感器网络应用。

二.方法流程

1.将网络分簇，选举簇头节点

节点首先以最大功率发送信标信息并接收邻居发送来的邻居信息，根据这些信息通过计算比较选举最优者为簇头节点。

2.构建簇内拓扑

当选为簇头的节点对外广播自己是簇头的消息，普通节点根据信号强度来决定加入某一个簇，并向簇头发送加入消息，此时簇结构形成。

3.对簇头节点进行功率控制，形成最终网络拓扑

簇头节点之间使用统一频率，同样通过发送信标信息来确定自己的邻居信息，并将自己的邻居信息组织成邻居表发送给自己的邻居，每个节点根据邻居们的邻居表来计算出自己的最佳邻居，最后调整发射功率为最佳邻居表最远的邻居位置。

4.簇头失效后，重新构建网络拓扑

簇头节点在自身能量消失前触发簇内节点中条件最优的节点成为新的簇头，新的簇头使用旧簇头频率与簇内节点通讯，使用原先簇头的统一编码与其他簇头通讯，如果发现簇头之间的通讯不能连通，则重新对簇头运行拓扑控制方法步骤3。

本发明的具体是将拓扑控制中的分簇方法与功率控制方法有效结合在一起，具体分为以下步骤：

1).将网络分簇，选举簇头节点：网络内节点以初始设置的概率成为候选簇头，然后以最大功率广播自己是簇头的消息，在发射半径内若发现比自己更优秀的簇头，则放弃簇头的竞争，否则自己成为簇头；

2).构建簇内网络：当选为簇头的节点对外广播自己是簇头的消息，普通节点根据信号强度来决定加入某一个簇，并向簇头发送加入消息，此时簇结构形成；

3).对簇头节点进行功率控制，形成最终网络拓扑：簇头节点之间使用统一频率，同样通过发送信标信息来确定自己的邻居信息，并将自己的邻居信息组织成邻居表发送给自己的邻居，每个节点利用这些信息计算出自己的最优邻居表，最后调整发射功率，使其能连通新邻居表的所有邻居。

4).簇头失效后，重新构建网络拓扑：簇头节点在自身能量消失前触发簇内节点中最优秀的节点成为新的簇头，新的簇头使用原有频率与簇内节点通讯，使用原先簇头的统一频率与其他簇头通讯，如果发现簇头之间的通讯不能连通，则重新运行步骤3)，直至整个网络所有节点能量耗尽为止。

其中：将网络分簇，选举簇头节点具体步骤如下：

1).基站以最大功率向网络内广播信标消息，网络内节点记录收到基站消息的时间和信号强度；

2).节点产生一个0-1之间的随机数，如果这个随机数小于设定的阈值，则以最大功率广播自己是候选簇头的消息，消息包含发送信号强度，时间戳，自身能量和基站信息的信号强度；

3).候选簇头如果在自己发射半径内收到另外一个候选簇头的消息，自身能量大的成为簇头，小的放弃竞争，如果能量相等，则比较基站信息信号强度，强度高的成为簇头，低的则放弃簇头身份。

构建簇内网络具体步骤为：

1).当选为簇头的节点广播自己的消息，消息包含节点标志，发送信号时间戳；

2).普通节点收到簇头的消息根据收到簇头消息的先后顺序决定加入那一簇，并向簇头消息发送加入信息，加入信息包含自己身份，发送信号时间戳；

3).簇头节点所有的加入信息后，向簇内广播内部使用的频率和簇头的编号，簇内节点调整发射功率至到达簇头节点，调整自己发射频率为所在簇内的编码。

对簇头进行功率控制的方法具体步骤为：

1).簇头节点来自别的簇头节点的信号，如果发出时间与当前时间之差小于设定的时间阈值则发出回应，回应的消息包括编号和当前能量；

2).每个簇头节点在接受完其他节点发还的响应消息后，按照其能量和响应时间的权重对其邻居进行排序，按照权重从大到小的顺序进行排序，形成各自的邻居表；

3).簇头节点向邻居广播自己的邻居表；

4).在收到所有的邻居表后，每个簇头根据所有邻居的邻居表进行运算重新确定自己的邻居表，方法如下：

i.初始化节点u的新邻居表N(u)＝{}，

ii.节点u按照原邻居表从前到后的顺序挨个处理邻居的邻居表，

iii.取到u权重最大的邻居V，如果都处理结束，方法结束，

iv.如果N(u)中存在节点w在V的邻居表中且w的权重大于u的权重，那么V将不会作为u的邻居，否则将v加进N(u)中，即

N(u)＝N(u)∪v，

v.重复步骤iii，直到所有邻居处理结束，

5).在最后确定邻居后，节点发射功率都已确定，节点首先选择优先权重高的邻居进行传播。

某个簇头失效后，重新构建网络拓扑具体步骤为：

1).簇头在能量低于设定阈值时根据最后一次通讯时收到簇内节点剩余能量选出最大能量的节点成为新的簇头并向簇内广播新簇头的消息，并包含自己的邻居表，

2).新簇头与继承来的邻居表中的邻居逐一进行通讯，若能连通成功，被通讯节点更新自己邻居表，网络通讯照常进行，

3).若新簇头与继承来的邻居表的邻居存在不能连通的情况，则由新簇头触发整个网络簇头重新构建拓扑的方法，直至整个网络所有节点能量耗尽。

有益效果：本发明提出的方法修正了以往方法中对传感器节点平面分布的假设，所提出的方法无论在平面还是空间中都适用。

本发明提出的方法集中了分簇和能量控制目前拓扑控制中两种经典解决方案的优点并有机结合，更大程度上提高了网络d的生命周期。

本发明提出的方法考虑到传感器节点有限的计算能力和通讯能力，方法复杂度和通讯次数都比较少，相对于其他能量消耗较少。

本发明构建的拓扑结构在簇头节点失效也不会立刻导致整个网络拓扑的瓦解，具有很强的健壮性。

附图说明

图1为网络分簇，选举簇头节点流程示意图。

图2为构建网络内部拓扑流程示意图。

图3为簇头之间构建拓扑流程示意图。

图4为簇头失效后重新构建拓扑流程示意图。

具体实施方式

本发明的高效的无线传感器网络拓扑控制方法将拓扑控制中的分簇方法与功率控制方法结合在一起，具体分为以下步骤：

1).将网络分簇，选举簇头节点：网络内节点以初始设置的概率成为候选簇头，然后以最大功率广播自己是簇头的消息，在发射半径内若发现比自己更优秀的簇头，则放弃簇头的竞争，否则自己成为簇头；

2).构建簇内网络：当选为簇头的节点对外广播自己是簇头的消息，普通节点根据信号强度来决定加入某一个簇，并向簇头发送加入消息，此时簇结构形成；

3).对簇头节点进行功率控制，形成最终网络拓扑：簇头节点之间使用统一频率，同样通过发送信标信息来确定自己的邻居信息，并将自己的邻居信息组织成邻居表发送给自己的邻居，每个节点利用这些信息计算出自己的最优邻居表，最后调整发射功率，使其能连通新邻居表的所有邻居；

4).簇头失效后，重新构建网络拓扑：簇头节点在自身能量消失前触发簇内节点中最优秀的节点成为新的簇头，新的簇头使用原有频率与簇内节点通讯，使用原先簇头的统一频率与其他簇头通讯，如果发现簇头之间的通讯不能连通，则重新运行步骤3)，直至整个网络所有节点能量耗尽为止。

表一：符号含义

符号	含义
		小写字母u	节点代号
d(u，v)	节点u与v之间的距离
		Rmax(u)	节点u的最大发射半径
Emax(u)	节点u的最大能量
		E(u)	节点u的当前能量
w(u，v)	节点u，v通讯链路的权重
		G(V，E)	图的数学表示式，V为顶点集合，E为边集合
T	成为簇头的概率阈值
		Tmax	网络通讯超时阈值
N(u)	节点u的邻居集合，也称为节点u的邻居表
		∪	集合之间的并关系

在介绍具体方法之前，我们介绍在方法中使用到的概念。

1.权重

两个节点u，v，定义他们之间的距离为d(u，v)，假定节点的最大发射距离分别为Rmax(u)＝Rmax(v).u和v的初始能量为Emax(u)和Emax(v).u和v的剩余能量分别为E(u)，E(v).权重为w(u，v).

定义w(u，v)＝0.4*d(u，v)/rmax(u)+0.6*E(v)/Emax(v)+0.6*E(u)/Emax(u)。

2.邻居表

通过一跳能到达的所有邻居的集合。

3.拓扑

假定G(V，E)为初始传感器网络组成的图，V为顶点的集合，E为边的集合。在方法运行后会生成G的子集GT(VT，ET)，VT和ET分别也是V和E的子集。GT即为网络的拓扑结构。

4.发射半径

节点可以调整自己的发射功率，在发射功率确定情况下所能达到的最大通信距离为发射半径。

下面介绍本发明的具体步骤。

一.选举簇头节点

设置参数T：如图1所示，步骤如下：

1).基站以最大功率向网络内广播信标消息，网络内节点记录收到基站消息的时间和信号强度；

2).节点产生一个0-1之间的随机数，如果这个随机数小于设定的阈值T，则以最大功率广播自己是候选簇头的消息，消息包含发送信号强度，时间戳，自身能量和基站信息的信号强度；

3).候选簇头如果在自己发射半径内收到另外一个候选簇头的消息，自身能量大的成为簇头，小的放弃竞争，如果能量相等，则比较基站信息信号强度，强度高的成为簇头，低的则放弃簇头身份；

二.构建簇内拓扑

如图2所示，步骤如下：

1).当选为簇头的节点广播自己的消息，消息包含节点编号，发送信号时间戳；

2).普通节点收到簇头的消息根据收到簇头消息的先后顺序决定加入那一簇，并向簇头消息发送加入信息，加入信息包含自己身份，发送信号时间戳；

3).簇头节点所有的加入信息后，向簇内广播内部使用的频率和簇头的编号，簇内节点调整发射功率至到达簇头节点，调整自己发射频率为所在簇内的编码；

三.对簇头节点进行功率控制，形成拓扑结构

如图3所示，步骤如下：

1).每个簇头节点在全网中广播hello+发出时间信号；

2).簇头节点来自别的簇头节点的信号，如果发出时间与当前时间之差小于Tmax则发出回应，回应的消息包括编号和当前能量；

3).每个簇头节点在接受完其他节点发还的响应消息后，按照其能量和响应时间的权重对其邻居进行排序，按照权重从大到小的顺序进行排序，形成各自的邻居表；

4).簇头节点向邻居广播自己的邻居表；

5).在收到所有的邻居表后，每个簇头根据所有邻居的邻居表进行运算重新确定自己的邻居表，方法如下：

i.初始化节点u的新邻居表N(u)＝{}，

ii.节点u按照原邻居表从前到后的顺序挨个处理邻居的邻居表，

iii.取到u权重最大的邻居V，如果都处理结束，方法结束，

iv.如果N(u)中存在节点w在V的邻居表中且w的权重大于u的权重，那么V将不会作为u的邻居，否则将v加进N(u)中，即

N(u)＝N(u)∪v，

v.重复步骤iii，直到所有邻居处理结束，

6).在最后确定邻居后，节点发射功率都已确定，节点首先选择优先权重高的邻居进行传播；

四.簇头节点失效后拓扑的重建

当某个簇头节点失效之前自动触发方法运行，如图四所示，具体步骤为：

1).簇头在能量低于设定阈值时根据最后一次通讯时收到簇内节点剩余能量选出最大能量的节点成为新的簇头并向簇内广播新簇头的消息，并包含自己的邻居表。

2).新簇头与继承来的邻居表中的邻居逐一进行通讯，若能连通成功，被通讯节点更新自己邻居表，网络通讯照常进行。

3).若新簇头与继承来的邻居表的邻居存在不能连通的情况，则由新簇头触发整个网络簇头重新构建拓扑的方法，直至整个网络所有节点能量耗尽。

Claims (5)

1.一种高效的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于该将方法将拓扑控制中的分簇方法与功率控制方法结合在一起，具体分为以下步骤：

1).将网络分簇，选举簇头节点：网络内节点以初始设置的概率成为候选簇头，然后以最大功率广播自己是簇头的消息，在发射半径内若发现比自己更优秀的簇头，则放弃簇头的竞争，否则自己成为簇头；

2).构建簇内网络：当选为簇头的节点对外广播自己是簇头的消息，普通节点根据信号强度来决定加入某一个簇，并向簇头发送加入消息，此时簇结构形成；

3).对簇头节点进行功率控制，形成最终网络拓扑：簇头节点之间使用统一频率，同样通过发送信标信息来确定自己的邻居信息，并将自己的邻居信息组织成邻居表发送给自己的邻居，每个节点利用这些信息计算出自己的最优邻居表，最后调整发射功率，使其能连通新邻居表的所有邻居；

4).簇头失效后，重新构建网络拓扑：簇头节点在自身能量消失前触发簇内节点中最优秀的节点成为新的簇头，新的簇头使用原有频率与簇内节点通讯，使用原先簇头的统一频率与其他簇头通讯，如果发现簇头之间的通讯不能连通，则重新运行步骤3)，直至整个网络所有节点能量耗尽为止。

2.根据权利要求1所述的高效的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于将网络分簇，选举簇头节点具体步骤如下：

1).基站以最大功率向网络内广播信标消息，网络内节点记录收到基站消息的时间和信号强度；

2).节点产生一个0-1之间的随机数，如果这个随机数小于设定的阈值，则以最大功率广播自己是候选簇头的消息，消息包含发送信号强度，时间戳，自身能量和基站信息的信号强度；

3).候选簇头如果在自己发射半径内收到另外一个候选簇头的消息，自身能量大的成为簇头，小的放弃竞争，如果能量相等，则比较基站信息信号强度，强度高的成为簇头，低的则放弃簇头身份。

3.根据权利要求1所述的高效的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在构建簇内网络具体步骤为：

1).当选为簇头的节点广播自己的消息，消息包含节点标志，发送信号时间戳；

2).普通节点收到簇头的消息根据收到簇头消息的先后顺序决定加入那一簇，并向簇头消息发送加入信息，加入信息包含自己身份，发送信号时间戳；

3).簇头节点所有的加入信息后，向簇内广播内部使用的频率和簇头的编号，簇内节点调整发射功率至到达簇头节点，调整自己发射频率为所在簇内的编码。

4.根据权利要求1所述的高效的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于对簇头点进行功率控制的方法具体步骤为：

1).簇头节点来自别的簇头节点的信号，如果发出时间与当前时间之差小于设定的时间阈值则发出回应，回应的消息包括编号和当前能量；

2).每个簇头节点在接受完其他节点发还的响应消息后，按照其能量和响应时间的权重对其邻居进行排序，按照权重从大到小的顺序进行排序，形成各自的邻居表；

3).簇头节点向邻居广播自己的邻居表；

4).在收到所有的邻居表后，每个簇头根据所有邻居的邻居表进行运算重新确定自己的邻居表，方法如下：

i.初始化节点u的新邻居表N(u)＝{}，

ii.节点u按照原邻居表从前到后的顺序挨个处理邻居的邻居表，

iii.取到u权重最大的邻居V，如果都处理结束，方法结束，

iv.如果N(u)中存在节点w在V的邻居表中且w的权重大于u的权重，

那么V将不会作为u的邻居，否则将v加进N(u)中，即

N(u)＝N(u)∪v，

v.重复步骤iii，直到所有邻居处理结束，

5).在最后确定邻居后，节点发射功率都已确定，节点首先选择优先权重高的邻居进行传播。

5.根据权利要求1所述的高效的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征在于某个簇头失效后，重新构建网络拓扑具体步骤为：

1).簇头在能量低于设定阈值时根据最后一次通讯时收到簇内节点剩余能量选出最大能量的节点成为新的簇头并向簇内广播新簇头的消息，并包含自己的邻居表，

2).新簇头与继承来的邻居表中的邻居逐一进行通讯，若能连通成功，被通讯节点更新自己邻居表，网络通讯照常进行，

3).若新簇头与继承来的邻居表的邻居存在不能连通的情况，则由新簇头触发整个网络簇头重新构建拓扑的方法，直至整个网络所有节点能量耗尽。

Images