CN102325041A - 一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法，属于分布式拓扑管理技术领域。本方法采用了复杂网络理论中的适应度模型，在适应度模型中加入了对节点剩余能量的考虑，在分布式方法的基础上作了改进，经历了链接形成、组头确立、组区域划分的三阶段获得了无线传感器网络较优的拓扑结构，有效地延长了无线传感器网络的生命期。

Description

一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法

技术领域

本发明涉及一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法，属于分布式拓扑管理技术领域。

背景技术

随着传感器技术、嵌入式技术以及通信技术的快速发展和日趋成熟，具备感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始广泛出现。为数众多的传感器节点随机分布于监测区域及周遭环境，以自组织的无线通信方式协同工作，并形成无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)，节点所采集的兴趣数据逐跳路由至汇聚节点，以实现对客观物理世界的感知和管理。

与通常意义的自组织网络相比，WSN多部署于环境恶劣区域，节点缺乏持续的能量供给，因此WSN首要设计目标即通过均衡高效的能耗方式延长网络生命期，其中WSN生命期一般定义为在传感器网络系统的流量路由过程中，最先因电池能量耗尽而失效的节点生命期。WSN网络拓扑管理的研究是推动WSN进一步发展的关键问题，网络拓扑作为上层协议运行的重要运行平台，良好性质的结构不仅能提高路由协议和MAC协议的效率，从而有助于实现WSN首要设计目标，而且还为时间同步、数据融合及目标定位等多种技术的实施提供支撑基础，因此拓扑结构的管理与网络性能的优化存在着密切的联系。拓扑管理机制从研究方向可归纳为节点功率管理和层次型拓扑结构组织两类，其中，节点功率管理机制指通过设置或动态调整节点的通信功率，以保证网络拓扑连通、双向连通或多连通；层次型拓扑管理渗透了分组管理的概念。

WSN的分组问题属于NP-hard问题，如何设计具有良好性能的近似解决方法是当前WSN研究领域的热点和难点之一。分组拓扑管理方法通常都可分为区域划分和组头选取两阶段，两阶段在方法中出现的先后顺序略有不同，主要有以下几种：

1)GAF是一种基于地理位置的分组方法，该方法将事件区域划分为虚拟单元格，节点按照自身位置归入相应的格内，并且定期在格内选取组头，然而GAF的实现必须依靠定位系统(如GPS)的辅助，使得其部署受到极大局限，此外组区域划分不够灵活，难以形成合适大小的组区域。

2)LEACH是一种自适应分组拓扑方法，周期性地产生组头，并依据组头分布进行组划分，但是由于组头位置具有较强随机性，致使骨干网的形成无法保障。

3)TopDisc是一种基于最小支配集的方法，通过泛洪方式为每个节点标记颜色，随后根据颜色区分组头和普通节点，TopDisc方法可使节点在密集部署的WSN内快速成组，并连接组头形成树状的骨干网，但TopDisc重复执行方法开销过大，且未考虑节点的剩余能量问题，损害了分组机制的合理性。

4)QCTC方法则是以网络生命期和平均能耗作为QoS目标，尽可能地降低节点通信功率，并且间隔地切换传输路径，从而实现了平均能耗的缩减和网络生命期的延长，但忽略了间隔调整方式的方法额外开销。

5)CLUSTERPOW方法是针对节点分布不均情况所提出的一种具有节点功率差异性的方法，CLUSTERPOW依照所处不同功率等级时节点间的直接可达关系，表述为不同拓扑层次的成组行为，从而可以转化为节点间的路由关系，在网络通信中节点根据该层次分组关系能切换至适当功率，避免了COMPOW中因极少数偏远节点而造成全体节点采用大功率的情形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法。本方法采用了复杂网络理论中的适应度模型，在适应度模型中加入了对节点剩余能量的考虑，在分布式方法的基础上作了改进，使得无线传感器网络获得了较优的拓扑结构，有效地延长了无线传感器网络的生命期。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法，包括如下步骤：

步骤1：根据复杂网络理论建立适应度模型，计算无线传感器网络节点i对于未入网节点n的适应度，

$\mathrm{\η}(n,i)={\left(\frac{e\left(n\right)e\left(i\right)}{{(e{\left(n\right)}^{\mathrm{\ζ}}+e{\left(i\right)}^{\mathrm{\ζ}})}^{\frac{1}{\mathrm{\ζ}}}}\right)}^{\mathrm{\β}}/d{(n,i)}^{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中，η(n，i)表示无线传感器网络节点i对于未入网节点n的适应度，e(n)、e(i)分别表示未入网节点n和无线传感器网络节点i的当前剩余能量，d(n，i)表示未入网节点n和无线传感器网络节点i的距离，β、λ、ζ都是预设参数，β∈(0，1]，λ∈(0，1]，ζ是自然数，i为无线传感器网络中的任意节点；

步骤2：首先建立邻居列表，设置邻居列表中节点最大通信功率，然后由邻居节点广播响应报文，当未入网节点n接收到第一个唤醒报文时，未入网节点n等待τ时间后在所有发送唤醒报文的节点中根据适应度从大到小的顺序选择邻居节点，使未入网节点建立链接关系，直至邻居节点的个数达到预设参数m的值，进入下一步骤，其中，m为小于6的整数；

步骤3：确立组头；

步骤3-1：拥有决定权的节点计算并选出下一组头节点；

当下一组头节点是拥有决定权节点的邻居节点时，进入步骤3-2；

当下一组头节点不是拥有决定权节点的邻居节点时，拥有决定权的节点向当前下一组头的邻接组头发送决定权转交报文和已确定组头信息，当前下一组头节点的邻接节点发送启动报文至已确定的下一组头；

步骤3-2：判断组头的信息是否能够覆盖全部节点，最终确定组头集合；

步骤3-2-1：拥有决定权的节点向下一组头发送启动报文和已确定组头信息，所有下一组头节点构成当前组头集合；

步骤3-2-2：判断组头集合的信号是否能覆盖全部节点，最终确定组头集合；

若当前组头集合的信号覆盖全部节点，终止组头选举；

若当前组头集合的信号不能覆盖全部节点，寻找当前覆盖域内所有节点权值最大者，将其确定为下一组头；

步骤4：已确定的组头以最大功率广播身份报文，已确定组头信号覆盖域内普通节点根据欧几里德距离或接收信号的强弱选择合适组头，并发送归属报文至选定组头。

所述一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法中，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤2-1：未入网节点n将m个邻居节点的地址存入邻居列表，记邻居节点为end(l)，其中，l∈[1，m]；

步骤2-2：将未入网节点n的自身功率设置为邻居列表中节点的最大通信功率，

p_max(n)＝MAX{d(n，end(l))|l∈neighbor_set}    (2)

其中，p_max(n)为邻居列表中节点的最大通信功率，d(n，end(l))为未入网节点n和邻居节点l的距离，neighbor_set表示邻居列表；

步骤2-3：未入网节点n广播一个响应报文；

当未入网节点收到响应报文，放弃该报文；

当已入网节点收到响应报文，进入下一步骤；

步骤2-4：已入网节点判断响应报文的发送方是否在自身邻居列表；

当响应报文的发送方不在自身邻居列表时，已入网节点将报文发送方加入自己的邻居列表；

当响应报文的发送方在自身邻居列表中，已入网节点放弃该响应报文；

步骤2-5：当前所有已入网的节点以最大功率半径广播一个唤醒报文；

步骤2-6；建立链接关系；

当未入网节点收到唤醒报文时，未入网节点n分别与选择出的邻居节点建立链接关系；

当已入网节点收到唤醒报文时，放弃该唤醒报文。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本方法能获得平均路径代价较小和聚类效果不明显的拓扑，兴趣数据的路径传输耗费较低，并且所有节点度值不会过高。

(2)直接以能耗和剩余能量作为拓扑形成的衡量指标，因此选出的组头不仅能确保全局能耗较低，而且使得单点失效的机率大大降低。当节点数目变大时，因为当前兴趣数据负载较高。

(3)本方法与CFM与LEACH和GAF三种方法的单位时刻的平均全局能耗差值逐步扩大，因此生命期曲线的差异更加明显。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为发明实施例提供的唤醒报文和响应报文的示意图。

图3为发明实施例提供的链接形成的节点状态变迁示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明提出一种近似的分布式方法CFM，为新入网传感器节点确定周边链接和功率设置。CFM方法由汇聚节点作为拓扑形成进程的发起方，采用逐步推进的拓扑扩张思想，CFM方法由链接形成LGP(Links Generation Phase)、组头确立HSP(Heads Selection Phase)和组区域划分CDP(Cluster Division Phase)3个阶段组成：(1)在LGP阶段，节点按照适应度模型构造思想逐个加入WSN；(2)在HSP阶段，选择度值较高节点成为组头；(3)在CDP阶段，普通节点各自归属至合适组头。

如图1所示，一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法，包括如下步骤：

步骤1：根据复杂网络理论建立适应度模型，计算无线传感器网络节点i对于未入网节点n的适应度，

$\mathrm{\η}(n,i)={\left(\frac{e\left(n\right)e\left(i\right)}{{(e{\left(n\right)}^{\mathrm{\ζ}}+e{\left(i\right)}^{\mathrm{\ζ}})}^{\frac{1}{\mathrm{\ζ}}}}\right)}^{\mathrm{\β}}/d{(n,i)}^{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中，e(n)、e(i)分别表示未入网节点n和无线传感器网络节点i的当前剩余能量，d(n，i)表示未入网节点n和无线传感器网络节点i的距离β、λ、ζ都是预设参数，β∈(0，1]，λ∈(0，1]，ζ是自然数，i为无线传感器网络中的任意节点。适应度与链接距离和节点剩余能量有关，适应度由d(n，i)和e(n)e(i)/(e(n)^ζ+e(i)^ζ)^-ζ两部分决定，前者反映节点n和i间功耗大小，后者表述节点i的能量情况。可见，未入网节点n倾向于与具有较短链接、较多剩余能量对端节点相连。

步骤2：首先建立邻居列表，设置邻居列表中节点最大通信功率，然后由邻居节点广播响应报文，当未入网节点n接收到第一个唤醒报文时，未入网节点n等待τ时间后在所有发送唤醒报文的节点中根据适应度从大到小的顺序选择邻居节点，使未入网节点建立链接关系(链接形成的节点状态变迁示意图如图3所示)，直至邻居节点的个数达到预设参数m的值，进入下一步骤，其中，m为小于6的整数，具体实施如下：

步骤2-1：未入网节点n将m个邻居节点的地址存入邻居列表，记邻居节点为end(l)，其中，l∈[1，m]；

步骤2-2：将未入网节点n的自身功率设置为邻居列表中节点的最大通信功率，

p_max(n)＝MAX{d(n，end(l))|l∈neighbor_set}    (2)

其中，p_max(n)为邻居列表中节点的最大通信功率，d(n，end(l))为未入网节点n和邻居节点l的距离，neighbor_set表示邻居列表；

步骤2-3：未入网节点n广播一个响应报文；

当未入网节点收到响应报文，放弃该报文；

当已入网节点收到响应报文，进入下一步骤；

步骤2-4：已入网节点判断响应报文的发送方是否在自身邻居列表；

当响应报文的发送方不在自身邻居列表时，已入网节点将报文发送方加入自己的邻居列表；

当响应报文的发送方在自身邻居列表中，已入网节点放弃该响应报文；

步骤2-5：当前所有已入网的节点以最大功率半径广播一个唤醒报文；

步骤2-6；建立链接关系；

当未入网节点收到唤醒报文时，未入网节点n分别与选择出的邻居节点建立链接关系；

当已入网节点收到唤醒报文时，放弃该唤醒报文。

步骤3：确立组头；

步骤3-1：拥有决定权的节点计算并选出下一组头节点；

当下一组头节点是拥有决定权节点的邻居节点时，进入步骤3-2；

当下一组头节点不是拥有决定权节点的邻居节点时，拥有决定权的节点向当前下一组头的邻接组头发送决定权转交报文和已确定组头信息，当前下一组头节点的邻接节点发送启动报文至已确定的下一组头；

步骤3-2：判断组头的信息是否能够覆盖全部节点，最终确定组头集合；

步骤3-2-1：拥有决定权的节点向下一组头发送启动报文和已确定组头信息，所有下一组头节点构成当前组头集合；

步骤3-2-2：判断组头集合的信号是否能覆盖全部节点，最终确定组头集合；

若当前组头集合的信号覆盖全部节点，终止组头选举；

若当前组头集合的信号不能覆盖全部节点，寻找当前覆盖域内所有节点权值最大者，将其确定为下一组头；

步骤4：已确定的组头以最大功率广播身份报文，已确定组头信号覆盖域内普通节点根据欧几里德距离或接收信号的强弱选择合适组头，并发送归属报文至选定组头。

唤醒报文和响应报文的示意图如图2所示，包含全局标识、地理位置。剩余能量、节点度值、入网标记、邻居集合等信息。

Claims (2)

1.一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：根据复杂网络理论建立适应度模型，计算无线传感器网络节点i对于未入网节点n的适应度，

$\mathrm{\η}(n,i)={\left(\frac{e\left(n\right)e\left(i\right)}{{(e{\left(n\right)}^{\mathrm{\ζ}}+e{\left(i\right)}^{\mathrm{\ζ}})}^{\frac{1}{\mathrm{\ζ}}}}\right)}^{\mathrm{\β}}/d{(n,i)}^{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中，η(n，i)表示无线传感器网络节点i对于未入网节点n的适应度，e(n)、e(i)分别表示未入网节点n和无线传感器网络节点i的当前剩余能量，d(n，i)表示未入网节点n和无线传感器网络节点i的距离，β、λ、ζ都是预设参数，β∈(0，1]，λ∈(0，1]，ζ是自然数，i为无线传感器网络中的任意节点；

步骤2：首先建立邻居列表，设置邻居列表中节点最大通信功率，然后由邻居节点广播响应报文，当未入网节点n接收到第一个唤醒报文时，未入网节点n等待τ时间后在所有发送唤醒报文的节点中根据适应度从大到小的顺序选择邻居节点，使未入网节点建立链接关系，直至邻居节点的个数达到预设参数m的值，进入下一步骤，其中，m为小于6的整数；

步骤3：确立组头；

步骤3-1：拥有决定权的节点计算并选出下一组头节点；

当下一组头节点是拥有决定权节点的邻居节点时，进入步骤3-2；

当下一组头节点不是拥有决定权节点的邻居节点时，拥有决定权的节点向当前下一组头的邻接组头发送决定权转交报文和已确定组头信息，当前下一组头节点的邻接节点发送启动报文至已确定的下一组头；

步骤3-2：判断组头的信息是否能够覆盖全部节点，最终确定组头集合；

步骤3-2-1：拥有决定权的节点向下一组头发送启动报文和已确定组头信息，所有下一组头节点构成当前组头集合；

步骤3-2-2：判断组头集合的信号是否能覆盖全部节点，最终确定组头集合；

若当前组头集合的信号覆盖全部节点，终止组头选举；

若当前组头集合的信号不能覆盖全部节点，寻找当前覆盖域内所有节点权值最大者，将其确定为下一组头；

步骤4：已确定的组头以最大功率广播身份报文，已确定组头信号覆盖域内普通节点根据欧几里德距离或接收信号的强弱选择合适组头，并发送归属报文至选定组头。

2.根据权利要求1所述的一种基于复杂网络理论的无线传感器网络分组管理方法，其特征在于：所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤2-1：未入网节点n将m个邻居节点的地址存入邻居列表，记邻居节点为end(l)，其中，l∈[1，m]；

步骤2-2：将未入网节点n的自身功率设置为邻居列表中节点的最大通信功率，

p_max(n)＝MAX{d(n，end(l))|l∈neighbor_set}    (2)

其中，p_max(n)为邻居列表中节点的最大通信功率，d(n，end(l))为未入网节点n和邻居节点l的距离，neighbor_set表示邻居列表；

步骤2-3：未入网节点n广播一个响应报文；

当未入网节点收到响应报文，放弃该报文；

当已入网节点收到响应报文，进入下一步骤；

步骤2-4：已入网节点判断响应报文的发送方是否在自身邻居列表；

当响应报文的发送方不在自身邻居列表时，已入网节点将报文发送方加入自己的邻居列表；

当响应报文的发送方在自身邻居列表中，已入网节点放弃该响应报文；

步骤2-5：当前所有已入网的节点以最大功率半径广播一个唤醒报文；

步骤2-6；建立链接关系；

当未入网节点收到唤醒报文时，未入网节点n分别与选择出的邻居节点建立链接关系；

当已入网节点收到唤醒报文时，放弃该唤醒报文。

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