CN102740310B - 多传感器可靠性网络的并行组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多传感器可靠性网络的并行组网方法，对传感器网络进行预先设计后，随机选取n个节点作为簇头节点，各簇头执行并行组网，并完成节点的升格与退位处理，所有节点都并入网中后，判断是否存在连通分量并构建全连通网络，最后调整网络可靠性。本发明能够快速组建一个具有一定可靠性的多传感器网络，并使网络在节点失效或新节点接入时，能够迅速重新组建成可靠网络，使多传感器组成的无线网络具有一定的自愈能力和灵活组网特性。

Description

多传感器可靠性网络的并行组网方法

技术领域

本发明涉及网络技术领域的并行组网方法，具体是无线传感器的并行快速组网方法和网络可靠性设计。

背景技术

无线传感器网络是由在空间上分散的自组织节点组成，用来协同探测和监控特定区域的状况，典型的传感器节点是孤立的、分散的，为了获得更好的探测性能，需要经过自组织的方式进行通信并形成一个相互连通的网络，才能将探测信息进行交互与融合，以获得最佳探测性能，这一过程称之为初始化组网。网络可靠性是指无线传感器网络在某些节点失效后仍能正常工作。传统的组网方法在面对大规模网络时，初始化过程往往要花费几分钟到几十分钟。而有时因为任务的紧迫性或坏境的恶劣性，不得不考虑多传感器的快速组网和网络可靠性要求。

经现有技术检索发现，公开号为CN101902798A，公开日期为2010.12.01的专利“无线传感器网络的快速组网方法”提供了一种快速组网的方法。首先，通过博弈竞争确定簇头节点，然后簇头节点同时并行的组建网络，最后通过簇头与簇成员的退位与升格处理保证联通性。但该方法没有考虑在传感器初始化组网后，若所建网络出现多个连通分量，如何保证网络为全连通网络的情况，且没有考虑所建的传感器网络的可靠性问题，而网络可靠性是网络稳定和抗毁能力的基本要素。

在紧迫任务下，多传感器并行组网时，需使可靠性让步于时效性，要求快速地组建一个具有一定抗毁性的探测、监视网络。另外也需要考虑到传感器网络中的节点失效和新入节点情况下，网络的自适应能力。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多传感器可靠性网络的并行组网方法，能够快速组建一个具有一定可靠性的多传感器网络，并使网络在节点失效或新节点接入时，能够迅速重新组建成可靠网络，使多传感器组成的无线网络具有一定的自愈能力和灵活组网特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：对传感器网络进行预先设计，确定被随机选为簇头的传感器节点数其中，C为常数，一般取值为0.1~1，N是传感器节点数目，f是传感器网络的冗余系数，τ是传感器节点通信传输半径和传感器布撒范围的半径的比值；

步骤2：以随机的方式从N个传感器节点中随机选取n个节点作为簇头节点，其余N-n个节点成为成员节点；

步骤3：在T时间内，簇头节点向自身的通信半径R范围内的传感器广播消息，发出组网邀请；若收到任意传感器的响应消息，则与其建立连接，更新簇头路由表；

在T时间内，所有成员节点进行信号侦听，当受到簇头节点的组网要求时，检查若满足通信距离要求，则返回响应消息，与发出邀请的簇头节点建立通信连接；否则继续侦听；

步骤4：在T时间内，如果有簇头节点获得其他簇头节点的组网邀请，并建立了连接则退化为成员节点；而如果有成员节点未收到簇头节点的组网邀请，则该节点升级为簇头，返回步骤3，重新进行并行组网；否则进入步骤5；

步骤5：当所有节点都并入网中后，若此时成员节点组建的传感器网络存在多个连通分量，则进入步骤6；否则进入步骤7；

步骤6：寻找分属不同连通分量之间，相距最近的两个节点建立通信连接，直至传感器网络成为全连通网络为止，转到步骤7；

步骤7：调整网络可靠性，方法如下：

1)利用深度优先搜索求网络图的关节点，若存在关节点则转步骤2)；否则转步骤3)；

2)假设去掉第i个关节点和与关节点直接相连接的通信链路，在形成的连通分量间，寻找分属不同连通分量之间，相距最近的两个成员节点建立通信连接，循环执行2）直到网络中没有关节点，转步骤3)；

3)重复步骤1)、2)调整网络，直到网络成为重连通网络。

本发明的有益效果是：经验证，本发明的组网方法，能将大规模传感器连接成具有一定可靠度的传感器网络。传感器按照一跳范围进行并行组网，使初始组网时间由以最小可组成连接的时间单位并行进行，大为缩减初始组网时间。并且，初始组网的时间不会因需要组网的传感器规模的增加而增加，而只与传感器的分散密度有关。在初始化网络后，进行网络关节点的计算和冗余链路添加，保证了所建传感器网络为连通度大于2的重连通网络。这使得传感网结构可在不进行复杂修改的情况下，获得一定的可靠性和抗打击能力。本发明的组网方法简单明了，结果可靠有效。

附图说明

图1是多传感器组网流程图；

图2是初始布撒后第一跳并行组网情况示意图；

图3是一个成员节点升级为簇头示意图；

图4是新簇头节点并行组网后求出的关节点分布示意图；

图5是调整网络可靠性后组成的传感器网络。

具体实施方式

假设多传感器分布的范围为：传感器布撒后，若以一个可以将所有传感器包含在内的最小的圆为传感器布撒范围，假设其半径为R′；参与组网的相同类型传感器有N个，传感器处于同一平面内，且位置一经布撒就固定不变；若将要组建的传感网的节点划分为多个“簇”，以簇为单位进行并行组网，则每个簇的簇头负责将其簇内其他节点连接起来。假设被随机选为簇头的传感器节点个数为n；构建传感器网络的冗余度要求为f；建立连接的询问周期时间为T；满足传感器通信约束的通信半径R。组网方法执行的步骤如下（参加附图1）：

步骤1：对传感器网络进行预先设计，根据总传感器节点数、布撒区域面积与网络冗余系数要求，确定簇头节点数n为：

$n=\frac{C\·\mathrm{\π}\·\mathrm{lgN}}{{\mathrm{\τ}}^2}\·f$

式中:C为常数，根据经验公式取值(范围一般为0.1:1)。N是传感器节点数目，f是冗余系数，τ是传感器节点通信传输半径和传感网布撒范围的半径的比值，即τ为：

$\mathrm{\τ}=\frac{R}{R^{\′}}$

步骤2：从N个传感器节点中随机选取n个节点作为簇头节点，其余N-n个节点成为成员节点；

步骤3：各簇头执行并行组网。具体过程为：在T时间内，簇头节点向自身的R半径内的传感器广播消息，发出组网邀请；若收到任意传感器的响应消息，则与其建立连接，更新簇头路由表。

在T时间内，所有成员节点进行信号侦听，当受到簇头节点的组网要求时，检查若满足通信距离要求，则返回响应消息，与发出邀请的簇头节点建立通信连接。否则继续侦听；

步骤4：节点的升格与退位处理。在T时间内，如果有簇头节点获得其他簇头节点的组网邀请，并建立了连接则退化为成员节点；而如果有成员节点未收到簇头节点的组网邀请，则该节点升级为簇头，返回步骤3，重新进行并行组网。否则进入步骤5；

步骤5：判断是否存在连通分量。按照步骤3的方法，实现各节点的并行组网，直到所有节点都并入网中。若此时成员节点组建的传感器网络存在多个连通分量，则进入步骤6。否则进入步骤7；

步骤6：构建全连通网络。在形成的连通分量间，寻找分属不同连通分量之间，相距最近的两个节点建立通信连接，直至传感器网络成为全连通网络为止，转到步骤7；

步骤7：调整网络可靠性。在前述步骤所建成网络基础上进一步调整网络，使传感网具有一定抗毁能力。方法如下：

1)利用深度优先搜索求网络图的关节点，若存在关节点则转2)；否则转3)；

2)假设去掉第i个关节点和与关节点直接相连接的通信链路，在形成的连通分量间，寻找分属不同连通分量之间，相距最近的两个成员节点建立通信连接，循环执行2）直到网络中没有关节点转3)；

3)以1)、2)调整网络，直到网络成为重连通网络。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

通过计算机仿真对本方法进行了实施验证。

仿真设定传感器在一100x100km的矩形仿真区域布撒，设定了10个传感器单元，通信最小询问周期时间T设为1ms。

M1)设置传感网器络数据、传感器数据，参加表1和表2。用表中参数计算簇头节点的个数：

$n=\frac{C\·\mathrm{\π}\·\mathrm{lgN}}{{\mathrm{\τ}}^2}\·f$

结果四舍五入，得出n＝4。

表1传感器网络参数设置

表2随机布撒后传感器设置（单位：km）

M2)将10个传感器随机布撒在仿真区域内；随机选取其中4个为簇头节点，另外6个为成员节点，。

M3)簇头节点执行并行组网。

在1ms内，簇头节点向其周围R半径内的传感器{s_i}广播消息，发出组网邀请；如果收到任意传感器s_j的响应消息，则与s_j建立连接，更新簇头路由表。

在1ms内，所有成员节点进行网络侦听，当受到簇头节点的组网要求时，检查若满足通信距离要求，则返回响应消息，与发出邀请的簇头节点建立通信连接。否则继续侦听。

M4)节点的升格与退位处理。

在1ms时间结束，如果有簇头节点获得其他簇头节点的组网邀请并建立了连接，则其退化为成员节点；而如果有成员节点未收到任何簇头节点的组网邀请，则该节点升级为簇头，返回M3)，重新进行并行组网。否则进入M5)。

M5)判断是否存在连通分量。

可将传感网抽象成为一个连通图，传感网的节点为连通图中节点，传感网中节点间的通信链路抽象为连通图里对应节点间的边。根据图的连通性理论，假若删去连通图中任意一个节点v以及和v相关联的各边之后，将图的一个连通分量分割成两个或两个以上的连通分量，则称顶点v为该图的一个关节点。一个没有关节点的连通图称为重连通图。若在连通图上至少删去k个顶点才能破坏图的连通性，则称此图的连通度为k。

显然一个表示通信网络的图的连通度越高，则其系统可靠性越好，因此可以用连通度表示网络可靠度。网络中关节点就是：在网络中，如果去掉关节点就会将全连通网络分解成多个不相通的连通分量。

根据以上分析，按照步骤3的方法，实现各节点的并行组网，直到所有节点都并入网中。若此时的无线传感器网络存在成多个连通分量P₁,P₂,L P_k，则进入M6)。否则进入M7)；

M6)构建全连通网络。

在形成的连通分量间，寻找分属不同连通分量之间，如s_a∈P_i,s_b∈P_j，且|s_a-s_b|为相距最近的两个节点距离，则在s_a与s_b之间建立通信连接。循环执行直至网络成为全连通网络。转到M7)；

M7)调整网络可靠性。

在前述步骤所建成网络基础上进一步调整网络，使传感网具有一定抗毁能力。方法如下：

1)利用深度优先搜索算法求传感器网络中的关节点。若存在关节点则转2)；否则转3)；

2)假设去掉第i个关节点和与关节点直接相连接的通信链路，在新形成的连通分量间，寻找分属不同连通分量之间，相距最近的两个成员节点建立通信连接，循环执行2）直到网络中没有关节点转3)；

3)以1)、2)调整网络，直到网络成为重连通网络。则此时所建网络的可靠度至少为2,具有一定抗毁性能。

在Windows XP环境下，使用Matlab7.5软件仿真的结果如下图所示。其中，图1是初始布撒后第一跳并行组网情况，图2是在图1中的一个成员节点升级为簇头，图3是新簇头节点并行组网后，求出的关节点分布，图4是调整网络可靠性后组成的传感器网络。

Claims (1)

1.一种多传感器可靠性网络的并行组网方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：对传感器网络进行预先设计，确定被随机选为簇头的传感器节点数其中，C为常数，一般取值为0.1～1，N是传感器节点数目，f是传感器网络的冗余系数，τ是传感器节点通信传输半径和传感器布撒范围的半径的比值；

步骤2：从N个传感器节点中随机选取n个节点作为簇头节点，其余N-n个节点成为成员节点；

步骤3：在T时间内，簇头节点向自身的通信半径R″范围内的传感器广播消息，发出组网邀请；若收到任意传感器的响应消息，则与其建立连接，更新簇头路由表；

在T时间内，所有成员节点进行信号侦听，当受到簇头节点的组网要求时，检查若满足通信距离要求，则返回响应消息，与发出邀请的簇头节点建立通信连接；否则继续侦听；

步骤4：在T时间内，如果有簇头节点获得其他簇头节点的组网邀请，并建立了连接则退化为成员节点；而如果有成员节点未收到簇头节点的组网邀请，则该节点升级为簇头，返回步骤3，重新进行并行组网；否则进入步骤5；

步骤5：当所有节点都并入网中后，若此时成员节点组建的传感器网络存在多个连通分量，则进入步骤6；否则进入步骤7；

步骤6：寻找分属不同连通分量之间，相距最近的两个节点建立通信连接，直至传感器网络成为全连通网络为止，转到步骤7；

步骤7：调整网络可靠性，方法如下：

1)利用深度优先搜索求网络图的关节点，若存在关节点则转步骤2)；否则转步骤3)；

2)假设去掉第i个关节点和与关节点直接相连接的通信链路，在形成的连通分量间，寻找分属不同连通分量之间，相距最近的两个成员节点建立通信连接，循环执行2)直到网络中没有关节点，转步骤3)；

3)重复步骤1)、2)调整网络，直到网络成为重连通网络。