CN102333321B - 一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感器网络的拓扑控制与重构领域，具体涉及一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法，包括节点入网过程、节点注册过程和网络优化过程，该方法在保留整网节点网络功能相等的情况之下，通过对于节点的动态等级规定与入网算法控制，使得节点能够自适应地接入网络而不改变整网拓扑，对局部网络拓扑的变动达到最小，从而减少了网络额外的开销，该新型拓扑控制机制兼具平面结构的优点，增强了网络的整体鲁棒性，降低了网络实现的复杂度，解决了现有技术中存在的问题。

Description

一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络的拓扑控制与重构领域，具体涉及一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是在当前国内外备受关注，涉及多学科交叉，知识高度集成的前沿研究领域和产业热点。它综合了计算机技术、传感器技术、网络通信技术、分布式信息处理技术等，能通过各类集成化的传感器相互协同感知，监测和采集各种环境和监测对象的信息，这些信息通过无线的方式被传输到用户终端或者数据中心，从而实现物理世界、计算机世界、人类世界的联通。无线传感器网络拥有巨大的应用前景，在军事国防、城市管理、生物医疗、环境监测、救灾抢险、危险区域的远程监测等都有十分巨大的潜在价值，被视作21世纪最有影响力的技术之一。

无线传感器网络拥有良好的网络扩展性，节点需要动态地加入，离开网络而不影响整体的网络结构；无线传感器网络还需要具有良好的网络自组织能力，在不使用人为干预的情况之下，自发组成网络，完成数据的采集和发送，在网络的生存周期之内，对一般的网络扰动和环境中的阻碍遮挡变化，做到网络拓扑结构的自适应变化。无线传感器网络的另外一大特点是应用导向性，针对不同的工程应用，网络节点之间往往需要接入多种类型的传感器，结合区域化，任务绑定等节点间的协同信息处理来完成这个网络的数据采集与前置处理等任务。

网络拓扑控制管理是无线传感器网络的一个重大研究院领域。传感器网络中，传感器节点是体积微小的嵌入式设备，拥有相对较小的计算与存储资源，另外由于一般采用能量有限的电池供电，对于整个网络的低功耗要求非常之高。除了要设计高效的MAC协议、路由协议和应用层协议之外，还要设计优化的网络拓扑控制机制。对于自组织的无线传感器网络而言，良好的网络拓扑控制能够极大地影响网络性能，提高MAC协议和路由协议的工作效率，为数据融合、目标定位、时间同步等多种网络应用基础提供有力支持，也有利于延长整个网络的生存周期。

无线传感器网络一般按照网络的逻辑结构，可以分为平面结构和分层结构两种形式。在平面结构中，各个节点的地位平等，往往形成局部操作，根据信息反馈即时构建路径，平面结构鲁棒性较好，但是网络反应速度较慢；而在分层结构中，网络往往形成不同区域，从而导致节点的地位或者网络功能等级差异，分层结构的网络可扩展性好，适合较大型的网络规模。目前比较常用分层结构是分簇的网络拓扑，在规模化网络中，分簇结构对网络能量管理、数据融合与信息协同处理方面都能提供较好的物理支持。但是分簇结构中簇头承担的任务包括数据的融合与中继转发等，因此簇头的能耗较大，所以需要节点轮换来平衡网络的能耗。周期性的全网重新分簇算法如LEACH和HEED算法，需要较大的网络开销，重分簇与路由的重建需要较长的时间，网络中断时间较长，对于很多应用场景并不合适。其他对于LEACH算法的改进型算法如TEEN，则缺乏对于周期性数据采集网络的支持。因为，需要考虑建立一个复杂度低、实现简单，结合平面结构与分层结构两者优势的拓扑控制机制，减少网络重构开销，既能周期性的采集数据又能快速应付突发事件，还要考虑到整个网络的能量平衡来延长网络生存周期。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法，该方法通过对于节点的动态等级规定与入网算法控制，使得节点能够自适应地接入网络而不改变整网拓扑，对局部网络拓扑的变动达到最小，从而减少了网络额外的开销，该新型拓扑控制机制兼具平面结构的优点，增强了网络的整体鲁棒性，降低了网络实现的复杂度，解决了现有技术中存在的问题。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法，包括节点入网过程、节点注册过程和网络优化过程，节点采用同一化设计且都具有网络路由中继的功能，节点入网过程包括以下步骤：

1)节点初始化后，启动一个计时器并向周围节点发送一组探测信息后停止发送，侦听一段时间；

2)若无回复信息，则将探测信息内的节点等级+1后重复步骤1)，否则接收来自其他节点的回复信息；

3)分析接收到的回复信息，若对方节点等级为N则确定自身等级为N+1；

4)节点调用动态信道评价模型分析评价回复信息，计算获得评价值；

5)将计算获得的评价值与设定阈值比较；超过阈值则将父节点ID写入父节点列表，并按照评价值从大到小排列父节点优先级；

节点注册过程包括以下步骤：

1)节点与各个父节点建立链接；

2)节点动态信道评价模型评估节点与各个父节点链路质量并选择上行最优路径；

3)节点按照选择的最优路径向汇聚节点自动发送注册请求，得到注册允许后向汇聚节点发送注册信息；

4)如在一定时间内未收到注册成功返回信息则认为是注册不成功，该节点将重新发起注册；

5)在汇聚节点收到注册信息后，建立并维护节点路由表，并返回注册成功信息；

6)汇聚节点确定下行最优路径，完成节点注册；

网络优化过程包括以下步骤：

1)调用父节点列表，启动一个计时器控制优化时间；

2)对列表中的父节点逐一发送探测信息，并调用动态信道评价模型计算各个父节点之间链路的质量评价值；

3)比较评价值与阈值，对超过阈值的评价值按照评价值的大小重新排列父节点的优先级；

4)按照父节点的优先级重新确定上行最优路径和下行最优路径。

作为优选，节点入网过程步骤1)所述的探测信息包含节点ID、节点等级、节点状态信息。

作为优选，节点入网过程步骤1)所述的探测信息的节点等级的初始等级为1。

作为优选，节点注册过程步骤3)所述的节点注册信息包括节点ID、节点拓扑、传感器类型信息。

作为优选，节点入网过程步骤5)所述的评价值如果均低于设定的阈值，则调低阈值，重回节点入网过程步骤1)。

本发明的有益效果：

1.本发明所涉及的无线传感器网络中的节点采用同一化设计，在组网之前，除汇聚节点(sink节点——单个网络中唯一的数据汇聚中心节点)之外，其余网络内节点均具有相同设计，都具有网络路由中继的功能，而无需人为预先设定；

2.本发明吸取了平面网络结构的特点，在组网过程中，采用节点局部自我操作和与其他节点的反馈信息来分别确定节点自身在网络中的逻辑地位。体现网络布设与组网过程中节点的自适应性；

3.本发明又具有分层网络结构的特点，调用动态信道评价模型评估接入链路，在网络组网以后即网络初始化完毕后，可以形成分层网络结构；

4.本发明所设计的无线传感器网络在网络组网成功之后，通过维护上级父节点表和优选路径表来即时形成数据上行通道；

5.本发明所设计的无线传感器网络在网络组网成功之后，通过汇聚节点动态维护的路由表来确定下行数据通道。

附图说明

图1为节点入网过程实例图；

图2为节点注册流程图；

图3为网络优化过程实例图。

具体实施例

以下结合附图对本发明做进一步的说明：

实施例1：基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制的实现，包括节点入网过程、节点注册过程和网络优化过程，节点采用同一化设计且都具有网络路由中继的功能，节点入网过程包括以下步骤：如图1所示：

一、节点初始化后，向周围节点发送Hello信息；

1.初始化结束，启动一个计时器来控制发送Hello信息的持续时间；

2.Hello信息内包含节点ID，节点等级(初始等级为1)，节点状态等信息；

3.如果Hello信息内含的父节点等级预期值大于设定值则重启计时器重新发送Hello信息；如Hello内包含的等级预期值为3，如果设定值为2，小于等级预期值，则计时器重启。

二、节点发送一组Hello信息后，停止发送，侦听一段时间；

1.节点将在发送Hello信息之后获取来自其他节点的回复信息；

2.节点将调用动态信道评价模型分析回复信息；

3.如果无回复信息则对Hello信息内的节点等级+1后再次发送；

三：分析接收到的回复信息，若对方节点等级为N则确定自身等级为N+1；例如，对方节点回复信息中表明其等级为2，则本方节点的自身等级就为2+1，即3级，依次类推。

四、节点确定自身网络等级后更新父节点表；

1、节点调用动态信道评价模型计算评价值；

2、将计算获得的评价值与设定阈值比较；超过阈值则将父节点ID写入父节点列表，并按照评价值从大到小排列父节点优先级；如果所有评价值均低于阈值则，则调低阈值，重回步骤A1；

例如，假设设定阈值为80，获得几个父节点(A1-A4)的评价值如下表所示：

父节点	A1	A2	A3	A4
					评价值	65	94	86	87

则形成的父节点表如下：

父节点	A2	A4	A3
				优先级(由高到底)	1	2	3

父节点A1由于评价值低于阈值，其父节点资格被舍去；如果出现A1-A4的评价值都小于80的情况，如下表所示：

父节点	A1	A2	A3	A4
					评价值	65	74	76	69

阈值将被降低至所有评价值的平均值，即(65+74+76+69)/4＝71；然后再重新发起节点入网过程；

如图2所示，节点进入注册过程；

本发明的实现步骤如下：

一、节点初始化后进行Hello信息交互；

二、节点确定自身网络等级后更新父节点表；

三、节点接入网络，确定优选上行路径，发起节点注册；

四、汇聚节点确定下行路线，完成节点注册；

如图3所示，进入网络优化过程：

一、网络组网过程完毕，开始网络优化；

二、网络周期性维护；

所述步骤一的实现包括以下步骤：

1、节点与父节点建立链接；

2、节点动态信道评价模型评估各个父节点链路质量；

3、节点发送节点注册信息到汇聚节点；

动态信道评价模型的综合评价函数的指标说明如下：Wij(t)＝h1Dj(t)+h2Ej(t)+h3Rij(t)+h4Cij(t)；Wij是接入节点i待建立链接的父节点j的评价值，其值越大节点接入的概率越大；Dj是该父节点j的网络等级预期；Ej是该父节点j的剩余能量；Rij是该父节点j与接入节点i的链路信号强度值；Cij是该父节点j与接入节点i通信成功概率期望；t表示时间；h1——h4是各项权重，且h1+h2+h3+h4＝1；其中使用了卡尔曼滤波器原理对Cij值进行优化，

令Cij(t|t-1)＝Cij(t-1|t-1).....(1)

P(t|t-1)＝P(t-1|t-1)+Q.........(2)

Cij(t|t)＝Cij(t|t-1)+Kg(t)(Z(t)-Cij(t|t-1)).........(3)

Kg(t)＝P(t|t-1)/(P(t|t-1)+R).........(4)

P(t|t)＝(1-Kg(t))P(t|t-1)......(5)

上述Cij(t|t-1)是利用上一状态预测的结果，Cij(t-1|t-1)是上一状态最优的结果；P(t|t-1)是Cij(t|t-1)对应的协方差，P(t-1|t-1)是Cij(t-1|t-1)对应的协方差；Kg为卡尔曼增益(Kalman Gain)；Z(t)为测量值；Q、R分别为1e-6和1e-1；

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法，包括节点入网过程、节点注册过程和网络优化过程，其特征在于，节点采用同一化设计且都具有网络路由中继的功能，节点入网过程包括以下步骤：

1）节点初始化后，启动一个计时器并向周围节点发送一组探测信息后停止发送，侦听一段时间；

2）若无回复信息，则将探测信息内的节点等级+1后重复步骤１），否则接收来自其他节点的回复信息；

3）分析接收到的回复信息，若对方节点等级为N则确定自身等级为N+1；

4）节点调用动态信道评价模型分析评价回复信息，计算获得评价值，动态信道评价模型的综合评价函数的指标说明如下： Wij(t)=h1Dj(t)+h2Ej(t)+h3Rij(t)+h4Cij(t); Wij是接入节点i待建立链接的父节点j的评价值，其值越大节点接入的概率越大；Dj是该父节点j的网络等级预期；Ej是该父节点j的剩余能量；Rij是该父节点j与接入节点i的链路信号强度值；Cij是该父节点j与接入节点i通信成功概率期望；t表示时间；h1——h4是各项权重，且h1+h2+h3+h4=1;其中使用了卡尔曼滤波器原理对Cij值进行优化；

5）将计算获得的评价值与设定阈值比较；超过阈值则将父节点ID写入父节点列表，并按照评价值从大到小排列父节点优先级；

节点注册过程包括以下步骤：

1）节点与各个父节点建立链接；

2）节点动态信道评价模型评估节点与各个父节点链路质量并选择上行最优路径；

3）节点按照选择的最优路径向汇聚节点自动发送注册请求，得到注册允许后向汇聚节点发送注册信息；

4）如在一定时间内未收到注册成功返回信息则认为是注册不成功，该节点将重新发起注册；

5）在汇聚节点收到注册信息后，建立并维护节点路由表，并返回注册成功信息；

6）汇聚节点确定下行最优路径，完成节点注册；

网络优化过程包括以下步骤：

1）调用父节点列表，启动一个计时器控制优化时间；

2）对列表中的父节点逐一发送探测信息，并调用动态信道评价模型计算各个父节点之间链路的质量评价值；

3）比较评价值与阈值，对超过阈值的评价值按照评价值的大小重新排列父节点的优先级；

4）按照父节点的优先级重新确定上行最优路径和下行最优路径。

2.根据权利要求１所述的一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征在于，节点入网过程步骤１）所述的探测信息包含节点ID、节点等级、节点状态信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征在于，节点入网过程步骤１）所述的探测信息的节点等级的初始等级为1。

4.根据权利要求１所述的一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征在于，节点注册过程步骤3）所述的注册信息包括节点ID、节点拓扑、传感器类型信息。

5.根据权利要求1、2、3或4任一权利要求所述的一种基于分层结构的动态无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征在于，节点入网过程步骤５）所述的评价值如果均低于设定的阈值，则调低阈值，重回节点入网过程步骤1）。

Images