CN102158938B - 一种功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感器与执行器网络新技术领域，特别是一种功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法，其不同之处在于：其依次包括如下步骤：步骤1)、信息收集阶段：由位于带状区域传感器汇聚中心节点由近及远的向位于带状区域中的传感器网络节点发起，传感器节点得到与邻居节点通信的信道质量参数，建立初始拓扑连接图；步骤2)、拓扑优化阶段：每个传感器节点分布式计算其与各邻居节点的连接优先级，得到拓扑优化参数，确定节点发送数据包的优先路径；步骤3)、发射功率控制阶段：各个节点根据拓扑优化阶段所得到的拓扑优化参数，由汇聚节点开始由近及远进行功率控制，从而减少通信间干扰，降低能量消耗。

Description

一种功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法

技术领域

本发明涉及无线传感器与执行器网络新技术领域，特别是一种功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法。

背景技术

无线传感器网络是一种近年来新兴的技术，最早的研究来自于美国，它由大量的传感器节点组成，节点通过本身的各种传感器采集数据，通过无线通信的方式，传递信息到目的地，共同完成某一目标的智能型无线网络。

无线传感器网络是一种特殊的Ad Hoc网络，在应用于布线和电源供给困难的区域以及人员不能到达的区域时，为大批量节点更换电池的工作量大，有时受环境制约根本不可能完成。在此情况下，如何节省节点的能量开销，有效利用节点能量成为关键问题。在特定环境中，如街道，带状的峡谷、长带状河流、跨江大桥、高速公路、井下巷道等环境，无线传感器网络需要布置成狭长的带状结构。这种特殊的长带状传感器网络，有以下特点。

路径单一。普通传感器网络节点周围有多个相邻节点，数据传输可选择的路径是多路径；而带状网络在宽度方向上节点数量少，因此在数据传输中，可选的路径相对很少，网络节点信息只能顺着唯一或少量的路径依次传递。

多跳汇聚路由。由于带状网络结构中，数据传输到汇聚中心过程中，传输的比较单一，源节点采集到的信息要经过其他节点的中继转发才能到达汇聚节点。如果网络总共有N个节点，那么最大跳数是N-1，实际系统中可能会多达几十个节点。

节点处理的信息量不均衡。每个节点不但要采集和发送本地的信息，还要对邻居节点传送来的信息进行转发，所以信息量是沿着传递路线递增的，越靠近汇聚节点，需要处理的信息量就越大。

基于带状传感器网络的上述特点，低能耗和均衡节点功耗的要求迫在眉睫。现有的基于功率控制的拓扑控制算法在带状传感器网络中的应用受到了很大的制约。如COMPOW算法在整个网络都使用公共的发射功率，显然会导致带状网络的某些节点的能量过快的消耗；LMA算法需要预设的系数过多，这些系数会给算法性能造成很大影响，无法较好权衡影响网络生命周期的多种拓扑特性；LMST算法在拓扑生成过程中未考虑形成链接的对端能量是否相对充沛，无法满足均衡能耗的要求；CBTC算法未对低能量节点采取保护策略，忽略了节点在路由中的能耗不平衡问题。如何在带状传感器网络中均衡网络中节点的能量消耗提高网络的生存时间增加网络寿命成为亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法,以在获取实时数据的同时，尽量减少各传感器网络节点的能量消耗，并平衡各个网络节点的能量消耗，延长网络寿命。

为解决以上发明目的，本发明提出以下技术方案：一种功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法,其不同之处在于：其依次包括如下步骤：

步骤1）、信息收集阶段：由位于带状区域传感器汇聚中心节点由近及远的向位于带状区域中的传感器网络节点发起，传感器网络节点得到与邻居节点通信的信道质量参数，建立初始拓扑连接图；

步骤2）、拓扑优化阶段：每个传感器网络节点分布式计算其与各邻居节点的连接优先级，得到拓扑优化参数,确定节点发送数据包的优先路径；

步骤3）、发射功率控制阶段：各个节点根据拓扑优化阶段所得到的拓扑优化参数，由汇聚中心节点开始由近及远进行功率控制，从而减少通信间干扰，降低能量消耗，传感器网络节点按调整后的功率发送数据，重新建立新的拓扑关系，最终形成整个网络的优化拓扑连接图；

所述步骤1）的具体步骤为：11）、首先，汇聚中心节点以其最大发射功率向其他传感器网络节点，发送TDM拓扑发现信息包，收到TDM拓扑发现信息包的传感器网络节点将TDM拓扑发现信息包中跳数加1，作为其自身节点到汇聚中心节点的最小跳数，并记录发送TDM拓扑发现信息包的节点ID及接收到TDM拓扑发现信息包的信号强度；

12）、然后，收到TDM拓扑发现信息包的传感器网络节点以其最大发射功率发送TDFM拓扑发现反馈信息包，收到TDM拓扑发现信息包节点分别发送TDFM拓扑发现反馈信息包返回发送TDM拓扑发现信息包的节点；接收到TDFM拓扑发现反馈信息包的节点首先判断自身ID与是否与TDFM拓扑发现反馈信息包中的目的节点ID地址相同，如果不同表示这TDFM拓扑发现反馈信息包不是发给它的，应丢弃；如相同的时候，传感器网络节点记录它收到TDFM拓扑发现反馈信息包的信号强度，同时，该传感器网络节点将TDFM拓扑发现反馈信息包中的信息添加到它的邻居节点信息列表的相应位置，汇聚中心节点收到所有TDFM拓扑发现反馈信息包之后，建立它的邻居节点信息列表；

13）、最后，收到所有TDFM拓扑发现反馈信息包的汇聚中心节点向外发送TCM拓扑确认信息包，原来发送TDFM拓扑发现反馈信息包的节点接收TCM拓扑确认信息包，收到TCM拓扑确认信息包的节点在邻居节点信息列表建立之后作为发起者继续向远端的传感器网络节点发送TDM拓扑发现信息包；

重复上述步骤11）-13），直到整个网络的所有节点的邻居节点信息列表建立完成，初始拓扑连接图形成，信息收集阶段结束。

优选的，所述步骤2）的具体步骤为：每个传感器网络节点分布式计算其与各邻居节点的连接优先级，得到拓扑优化参数,建立节点发送数据包的优先路径；

每个传感器网络节点在发送数据包后，传感器网络节点根据自身的剩余能量以及节点间链路的可用带宽的两变量函数，分布式计算自己与各个邻居节点之间的连接优先级，根据两变量函数计算的函数值，作为其连接优先级，并将信息添加到邻居节点信息列表中；当每个节点完成连接优先级计算之后，得到节点发送数据包的优先路径选择；

所述两变量函数计算公式为：L=F（Q，B）=αQ+βB函数，Q：能量，B：可用带宽，其中α和β表示权重，α+β＝1，并且α和β均是介于[0,1]区间的值。

优选的，如更看重网络生命周期，α使用大于0.5的值。

优选的，如果更看重传输速率，β使用大于0.5的值。

优选的，所述步骤3）中，所述功率控制按以下公式进行计算：设节点经过功率调节之后的发射功率为Pt，Pt=PthPmax/Pk，其中，Pmax：传感器网络节点的最大发射功率,每个传感器网络节点具有相同的最大发射功率；Pth：能够接收到信号的最小功率；各个节点根据拓扑优化阶段所得到的连接优先关系，在自己邻居节点信息列表中，选择跳数与自己相等或者比自己小的节点按优先关系排列出由高到低的k个备选中继节点；再根据选出的k个节点，各自从邻居节点信息列表中读取接收数据包的信号强度并取k个信号强度值之间的最小值，令其为Pk；

传感器网络节点按调整后的功率Pt发送数据，重新建立新的拓扑关系，最终形成整个网络的优化拓扑连接图。

创新点主要集中如下：

1.传感器网络中的节点根据优化的信息调节各个节点的发射功率。减少各传感器网络节点的能量消耗。

2.由于各节点建立的功率控制发射机制，可使整个网络能量消耗处在一个相对均衡消耗模式，延长网络最大生命周期。

附图说明

图1是本发明发送TDM信息包过程图；

图2是本发明发送TDFM信息包过程图；

图3是本发明发送TCM信息包过程图；

图4是本发明算法阶段示意图；

图5是本发明信息收集阶段流程图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明具体实施方式。

本发明是基于如下的前提假设的：

1、传感器网络由N个普通传感器节点和1个汇聚节点(由Sink表示，也可以叫基站)组成，其中普通节点具有相同的计算、通信能力和初始能量水平，而汇聚节点的能量和计算能力是没有限制的。普通节点随机部署在一个M×N米(其中，M>>N)的长方形区域内。

2、汇聚节点位于带状网络的中央，网络部署完毕后，所有节点（包括Sink节点）都是静止不动的。

3、传感器节点具有全网唯一的ID，同时链路是对称的，若已知对方发射功率，节点可以根据接收信号的强度计算出发送者到自己的近似距离。

4、节点可以调整自己的无线电发射功率，也就是节点可根据通信距离的长短来调整发射功率的大小。

5、每个传感器节点具有相同的最大发射功率P_max和能够接收到信号的最小功率为P_th。在这里，我们用db来表示功率的大小。

本发明所采用的相关定义如下：

1）、TDM（Topology Discovery Message）信息包，包含节点ID，及其在整个网络中距离汇聚节点的跳数Hop，汇聚节点为0。该包由距离汇聚节点由近到远的节点发出。

2）、TDFM（Topology Discovery Feedback Message）信息包，包含其自身ID，目的节点ID，其自身距汇聚节点的最小跳数Hop，其接收到TDM信息包的功率P_ri。该包由收到TDM信息包的传感器节点反馈给发送TDM信息包给它的节点。

3）、TCM（Topology Confirmation Message）信息包，包含其自身ID，目的节点ID，其在整个网络中距离汇聚节点的跳数Hop，及其接收到TDFM的功率P_ri。该包由收到TDFM信息包的传感器节点反馈给发送TDFM信息包的节点。

4）、LP，表示传感器节点之间的连接优先级，用整数表示。数字越小，优先级越高，表明节点间的能量、带宽、通信信道质量等优化参数更好。

5）、邻居节点信息列表，该列表由每个传感器节点根据自己的上一跳和下一条的邻居信息分布式建立，包含邻居节点ID，邻居节点距离汇聚节点的最小跳数Hop，其发送TDM信息包时邻居节点收到TDM信息包的信号强度以及其收到邻居节点TDFM信息包的信号强度，还有其与所有邻居节点连接优先级LP。

本发明采用的拓扑控制算法包含三个阶段：信息收集阶段，拓扑优化和发射功率控制阶段。在信息收集阶段，传感器节点得到与邻居节点通信的信道质量参数，建立初始拓扑连接图。在拓扑优化阶段，每个传感器节点分布式计算其与各邻居节点的连接优先级，得到拓扑优化参数。在发射功率控制阶段，在拓扑优化的基础上，实现拓扑优化结果，并通过功率控制，减少通信间干扰，降低能量消耗。

如图1-图5所示，本发明实施例包括如下具体步骤：

1)、信息收集阶段

信息收集过程由位于带状区域传感器汇聚中心节点由近及远的向位于带状区域中的传感器网络节点发起。

首先，如图1所示，汇聚节点1以其最大发射功率P_max向其他传感器节点，发送TDM1信息包。信号经过一定距离后，其信号强度会衰减为P。当且仅当P≥P_th时，传感器节点才能接收到TDM1信息包，同时，如图1所示意的，收到TDM1信息包的传感器节点2、3、4将TDM1信息包中跳数加1，作为其自身节点到汇聚节点的最小跳数Hop，并记录发送TDM1信息包的节点ID及接收到TDM的信号强度，用P_r表示。

然后，收到TDM1信息包的传感器节点以其最大发射功率P_max发送TDFM信息包，如图2所示。由于收到TDM1节点为2、3、4节点，因此这3个节点分别发送TDFM信息包返回节点1，由于可能收到的传感器节点是多个的传感器节点，因此接收者首先判断自身ID与是否与TDFM信息包中的目的节点ID地址相同，如果不同表示这TDFM信息包不是发给它的，应丢弃。相同的时候，传感器节点记录它收到TDFM信息包的信号强度，用P_r’表示。同时，该传感器节点将TDFM信息包中的信息添加到它的邻居节点信息列表的相应位置。

在图3中，虽然传感器节点5在传感器节点4的通信范围之内，但由于它们并不是发送TDM信息包的传感器节点，所以他们接收到TDFM信息包后将直接丢弃。对于节点3，尽管它接收到来自节点1发送的TDM信息包，但由于其自身信号角度等因素，节点1并不在其通信范围之内，因此节点1只能收到来自节点4、5的TDFM信息包，而不能收到来自节点3的TDFM信息包。节点1收到所有TDFM信息包之后，建立它的邻居节点信息列表。

最后，收到TDFM包的传感器节点向外发送TCM信息包，如图3所示。我们规定在发送TDM信息包到发送TCM信息包的这个过程中，节点间的通信信道质量不变。因此，节点收到TDM信息包和TCM信息包的信息强度是相同的。收到TCM信息包之后，传感器节点也将建立自己的邻居节点信息列表。在图3中，如果节点1只收到来自节点2、4的TDFM信息包，所以只有节点2、4能够接收TCM信息包。

此时，收到TCM包的节点2和节点4，在邻居节点信息列表建立之后，就作为发起者，继续向远端的传感器节点发送TDM信息包，重复上述过程，直到整个网络的所有节点的邻居节点信息列表建立完成，即初始拓扑连接图形成，信息收集阶段结束。

2)、拓扑优化和发射功率控制阶段

在拓扑优化过程中，根据上面描述的方法，网络中的所有传感器节点将根据自己的邻居节点信息列表中的信息计算其与各邻居节点的连接优先级。初始状态时候，每一个节点的可使用能量Q是相同的，在每发送数据包后，都会消耗部分能量，传感器节点根据自身的剩余能量，以及节点间链路的可用带宽，分布式计算自己与各个邻居节点之间的连接优先级LP，L=F（Q，B）=αQ+βB函数，是关于能量和可用带宽的两变量函数，其中α和β表示权重，α+β＝1，并且α和β均是介于[0,1]区间的值，根据系统需要来设定，如果更看重网络生命周期，那么就α使用大于0.5的值，如果更看重传输速率，β使用大于0.5的值，根据计算的L值，作为其连接优先级LP，并将信息添加到邻居节点信息列表中。当每个节点完成连接优先级LP计算之后，得到节点发送数据包的路径选择，LP越大，优先使用该路径。

发射功率控制阶段同信息收集阶段相同，也是由汇聚节点开始由近及远进行。

根据传感器节点数据通信的能量模型，数据包能被接收点正常接收的最低功率水平为P_th，如果数据包需要传输的距离为x，那么功率对距离x的衰减为A(x)系数，则发送节点发送的最低功率P_th/A(x)。

A(x)是与消息发送方式及发送频率有关的传播损耗系数，可表示为：

A(x)=x^ka^x

其中k是能量扩展系数（圆柱形扩展k为1，实际为1.5，球形扩展k为2）。a为依赖于频率的吸收因子。

1）、当频率为高频时，应该以下公式计算a：

$10\log a=0.11*\frac{f^2}{1+f^2}+44*\frac{f^2}{4100+f^2}+2.75*{10}^{-4}*f^2+0.003$

2）、当频率为低频时，应该以下公式计算a：

$10\log a=0.11*\frac{f^2}{1+f^2}+0.011*f^2+0.002$

而陆地上的传播损耗:

其中C为光速，即为3*10⁸m/s，f_c为中心频率。

为了保证网络的连通性，各个节点根据拓扑优化阶段所得到的连接优先关系，在自己邻居节点信息列表中，选择跳数与自己相等或者比自己小的节点按优先关系排列出由高到低的k个备选中继节点。根据选出的k个节点，各自从邻居节点信息列表中读取接收数据包的信号强度P_rij，取k个信号强度值之间的最小值，令P_k=min（P_rij,…,P_rih），，那么，

P_max=P_k/A(x)   （1）

设节点经过功率调节之后的发射功率为Pt，同理可得，

P_t=P_th/A(x)   （2）

由式（1），（2）可得，

P_t=P_thP_max/P_k

此时，传感器节点将自身的发射功率调整为P_t,该节点以这样的功率发送数据，重新建立新的拓扑关系，最终形成整个网络的优化拓扑连接图。

综上所述，本发明的带状传感器网络的功率可调的拓扑控制方法通过计算优先级LP进行拓扑的优化。

创新点主要集中如下：

传感器网络中的节点根据优化的信息调节各个节点的发射功率。减少各传感器网络节点的能量消耗。

由于各节点建立的功率控制发射机制，可使整个网络能量消耗处在一个相对均衡消耗模式，延长网络最大生命周期。

以上实施例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作较多的限制，凡是依据对本发明的技术本质作简单修改或等同的变化和修饰，均仍属本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法,其特征在于：其依次包括如下步骤：

步骤1）、信息收集阶段：由位于带状区域传感器汇聚中心节点由近及远的向位于带状区域中的传感器网络节点发起，传感器网络节点得到与邻居节点通信的信道质量参数，建立初始拓扑连接图；

步骤2）、拓扑优化阶段：每个传感器网络节点分布式计算其与各邻居节点的连接优先级，得到拓扑优化参数,确定节点发送数据包的优先路径；

步骤3）、发射功率控制阶段：各个节点根据拓扑优化阶段所得到的拓扑优化参数，由汇聚中心节点开始由近及远进行功率控制，从而减少通信间干扰，降低能量消耗，传感器网络节点按调整后的功率发送数据，重新建立新的拓扑关系，最终形成整个网络的优化拓扑连接图；

所述步骤1）的具体步骤为：11）、首先，汇聚中心节点以其最大发射功率向其他传感器网络节点，发送TDM拓扑发现信息包，收到TDM拓扑发现信息包的传感器网络节点将TDM拓扑发现信息包中跳数加1，作为其自身节点到汇聚中心节点的最小跳数，并记录发送TDM拓扑发现信息包的节点ID及接收到TDM拓扑发现信息包的信号强度；

12）、然后，收到TDM拓扑发现信息包的传感器网络节点以其最大发射功率发送TDFM拓扑发现反馈信息包，收到TDM拓扑发现信息包节点分别发送TDFM拓扑发现反馈信息包返回发送TDM拓扑发现信息包的节点；接收到TDFM拓扑发现反馈信息包的节点首先判断自身ID与是否与TDFM拓扑发现反馈信息包中的目的节点ID地址相同，如果不同表示这TDFM拓扑发现反馈信息包不是发给它的，应丢弃；如相同的时候，传感器网络节点记录它收到TDFM拓扑发现反馈信息包的信号强度，同时，该传感器网络节点将TDFM拓扑发现反馈信息包中的信息添加到它的邻居节点信息列表的相应位置，汇聚中心节点收到所有TDFM拓扑发现反馈信息包之后，建立它的邻居节点信息列表；

13）、最后，收到所有TDFM拓扑发现反馈信息包的汇聚中心节点向外发送TCM拓扑确认信息包，原来发送TDFM拓扑发现反馈信息包的节点接收TCM拓扑确认信息包，收到TCM拓扑确认信息包的节点在邻居节点信息列表建立之后作为发起者继续向远端的传感器网络节点发送TDM拓扑发现信息包；

重复上述步骤11）-13），直到整个网络的所有节点的邻居节点信息列表建立完成，初始拓扑连接图形成，信息收集阶段结束。

2.如权利要求1所述的功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法,其特征在于：所述步骤2）的具体步骤为：每个传感器网络节点分布式计算其与各邻居节点的连接优先级，得到拓扑优化参数,建立节点发送数据包的优先路径；

每个传感器网络节点在发送数据包后，传感器网络节点根据自身的剩余能量以及节点间链路的可用带宽的两变量函数，分布式计算自己与各个邻居节点之间的连接优先级，根据两变量函数计算的函数值，作为其连接优先级，并将信息添加到邻居节点信息列表中；当每个节点完成连接优先级计算之后，得到节点发送数据包的优先路径选择；

所述两变量函数计算公式为：L=F（Q，B）=αQ+βB函数，Q：能量，B：可用带宽，其中α和β表示权重，α+β＝1，并且α和β均是介于[0,1]区间的值。

3.如权利要求2所述的功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法,其特征在于：如更看重网络生命周期，α使用大于0.5的值。

4.如权利要求2所述的功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法,其特征在于：如果更看重传输速率，β使用大于0.5的值。

5.如权利要求1所述的功率可调的带状传感器网络拓扑控制方法,其特征在于：所述步骤3）中，所述功率控制按以下公式进行计算：设节点经过功率调节之后的发射功率为Pt，Pt=PthPmax/Pk，其中，Pmax：传感器网络节点的最大发射功率,每个传感器网络节点具有相同的最大发射功率；Pth：能够接收到信号的最小功率；各个节点根据拓扑优化阶段所得到的连接优先关系，在自己邻居节点信息列表中，选择跳数与自己相等或者比自己小的节点按优先关系排列出由高到低的k个备选中继节点；再根据选出的k个节点，各自从邻居节点信息列表中读取接收数据包的信号强度并取k个信号强度值之间的最小值，令其为Pk；

传感器网络节点按调整后的功率Pt发送数据，重新建立新的拓扑关系，最终形成整个网络的优化拓扑连接图。