CN103068023A - 基于局部化最小生成树的无线传感网拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感网络协议技术领域，具体涉及一种面向具有可充电节点的无线传感网功率控制方案。该方案主要用于在无线传感器网络中通过功率控制生成精简的拓扑结构时，根据各个节点的局部拓扑知识，通过修正的局部最小生成树构造方法，在使网络结构尽量精简的同时，降低节点发射功率、降低节点度数，从而达到均衡和节约网络能耗的目标。

Description

基于局部化最小生成树的无线传感网拓扑控制方法

技术领域

本发明属于无线传感网络协议技术领域，具体涉及一种面向具有可充电节点的无线传感网功率控制方案。该方案主要用于在无线传感器网络中通过功率控制生成精简的拓扑结构时，根据各个节点的局部拓扑知识，通过修正的局部最小生成树构造方法，在使网络结构尽量精简的同时，降低节点发射功率、降低节点度数，从而达到均衡和节约网络能耗的目标。

背景技术

近些年来，无线多跳网络（无线传感器网络、移动Ad hoc网络、无线mesh网络等）领域的相关技术得到了学术界和工业界的广泛关注，并取得了迅猛的发展。

拓扑控制是无线多跳网络性能优化的重要技术之一。拓扑控制的主要手段是通过各个节点根据自身的局部网络状态信息，自适应调节自身发射功率，在保持网络连通性的基础上，生出稀疏的网络结构。设计简单而性能优化的拓扑控制方法，已经成为无线网络性能优化的重要方向之一。

拓扑控制方法包括集中优化算法和局部式优化算法。集中优化算法要求网络全局状态信息，算法优化性能好，但复杂度高、需要的网络信息知识量大。局部式优化算法只要求每个节点要具备局部拓扑知识，算法简单，通常能够取得局部优化性能。

发明内容

本发明是一种针对具有可充电节点的无线传感网的功率控制方案。该方案主要用于在由可充电节点和不可充电节点组成的无线传感网中通过功率控制生成精简的拓扑结构时，构造各个节点的局部拓扑网络信息，在此基础上分别针对可充电节点和不可充电节点求解其局部化最小生成树，并获得各个节点的邻居节点集合，最终根据各个节点的邻居节点集构建精简的网络拓扑，从而降低节点发射功率、降低节点度数，达到均衡和节约网络能耗的目标。

在本发明中：令G(V，E)代表网络图，其中V(G)代表节点的集合、E(G)代表网络中边的集合；图中两个节点x∈V(G)和y∈V(G)-{x}之间的距离记做d_xy，如果满足d_xy≤R，则称边(x,y)∈E(G)，“-”代表集合的减法运算；每个节点配备一套全向天线，R代表节点的最大传输半径；每个网络节点可以根据与邻居节点之间的距离，自主调节传输功率，并满足接收端正确解码的最小功率要求；对于网络中的一个节点x,N(x)代表节点x的一跳邻居节点集合，其中x∈V(G)，对于y∈N(x)，有(x,y)∈E(G)；网络中的节点包含可二次充电节点和不可二次充电节点，可二次充电节点可以通过太阳能、机械方式等手段从自然界获取能量并转化为电量，二次充电节点集合记做A，不可二次充电节点由电池供电，该节点集合记做B，A+B=V(G)，

由于汇聚节点具有无限能量，因此，可以令其归属于集合A,其中“+”代表集合的加法运算或称合并运算；每条链路的代价设定为该链路的几何长度或链路功率值。

所述的无线传感网功率控制方法，在任一节点的一跳邻居节点集合中，将到达该集合中最远节点所需传输的功率作为该任一节点在功率控制之后网络上的传输功率、将到达该最远节点的传输距离作为该任一节点在功率控制后网络上的通信半径。

所述的无线传感网功率控制方法，针对可充电节点和不可充电节点求解其局部化最小生成树，并获得各个节点的邻居节点集合：

（1）可充电节点的邻居节点集合生成方法：对于每个可充电节点v，v∈A，构造其一跳邻居拓扑图

求解图

的以v为树根的最小生成树，计算过程中每条链路的权重为该链路的代价，并获得v在该树上一跳邻居节点集合

（2）不可充电节点的邻居节点集合生成方法：

步骤1：对于每个不可充电节点u，u∈B，构造其一跳邻居拓扑图

求解

的最小生成树，计算过程中每条链路的权重为该链路的代价，然后获得u在该树上的邻居节点集合

对于任意x∈A且x∈N(u)，如果

但则令

为节点x在该树上的一跳邻居节点集合；

步骤2：属于集合B的节点x，其在上一步骤中获得的邻居节点集合中的任意节点为y，且y也属于集合B，如果可以通过一个属于集合A的节点间接到达，则可以从x的邻居节点集中删去该节点；对于每个不可充电节点u，u∈B，执行以下操作：对于任意

且

如果存在节点y满足且y∈A且

则

然后，将

作为u的一跳邻居节点集合。

所述的无线传感网功率控制方法，在任一节点的一跳邻居节点集合中，将到达该集合中最远节点所需传输的功率作为该任一节点在功率控制之后网络上的传输功率、将到达该最远节点的传输距离作为该任一节点在功率控制后网络上的通信半径。

所述的无线传感网功率控制方法，为了使最终生成的精简拓扑图上每条边都是双向的，对每个节点u，u∈V(G)，执行以下操作：对于任意

如果

则 $N_x^1\←N_x^1+\left\{u\right\}\·$

所述的无线传感网功率控制方法，根据各个节点的邻居节点集构建精简的网络拓扑，构建精简网络拓扑G’的具体方法如下：

$V\left(G^{\′}\right)=V\left(G\right);E\left(G^{\′}\right)=\{(u,v):u\∈V\left(G^{\′}\right),v\∈N_{l1}^1\}\·$

具体实施方式

节点单跳范围局部拓扑构造方法：

对于网络中的每个节点x,x∈V(G),构造其一跳邻居拓扑图，记做

具体方法如下： $V\left(G_x^1\right)=N\left(x\right)+\left\{x\right\};$ $E\left(G_x^1\right)=\{(u,v):u\∈V\left(G_x^1\right),v\∈V\left(G_x^1\right),(u,v)\∈E\left(G\right)\}\·$

可充电节点的邻居节点集合生成方法：

对于每个可充电节点v，v∈A，求解图

的最小生成树，计算过程中每条链路的权重为该链路的代价，并获得v在该树上一跳邻居节点集合，记做

并将该邻居节点集合作为v的一跳邻居节点集合，并将到达该集合中最远节点所需传输功率作为节点v在功率控制之后网络上的传输功率、将到达该最远节点的传输距离作为节点v在功率控制后网络上的通信半径，然后将该集合通告给集合

中的每个节点。不可充电节点的邻居节点集合生成方法：

步骤1：

此步骤目标：保持集合A与集合B中节点间的边的对称性。对于每个不可充电节点u，u∈B，求解

的最小生成树，计算过程中每条链路的权重为该链路的代价，然后获得u在该树上的邻居节点集合，记做

对于任意x∈A且x∈N(u),如果

但则令

步骤2：

此步骤目标：对于属于集合B的节点（如x），对于其在上一步骤中获得的邻居节点集合中的任意节点（如y），且y也属于集合B，如果可以通过一个属于集合A的节点间接到达，则可以从x的邻居节点集中删去该节点。对于每个不可充电节点u，u∈B，执行以下操作：对于任意

且

如果存在节点y满足

且y∈A且

则然后，将

作为u的一跳邻居节点集合，并将到达该集合中最远节点所需传输功率作为节点u在功率控制之后网络上的传输功率、将到达该最远节点的传输距离作为节点u在功率控制后网络上的通信半径。

单向边处理方法：

使得最终生成的精简拓扑图上，每条边都是双向的。对于每个节点u，u∈V(G)，执行以下操作：对于任意

如果,

则，

构建精简网络拓扑G’：

根据以上步骤得到的邻居节点集生成精简的网络拓扑G’，即网络中所有节点与其邻居节点集合中的节点的共有边形成新的精简拓扑。其中链路的代价可以设定为该链路的几何长度或链路功率值，依实际情况而定。

构建精简网络拓扑G’的具体算法如下：

精简拓扑图G’构造完毕。

Claims (7)

1.基于局部化最小生成树的无线传感网拓扑控制方法，其特征在于在由可充电节点和不可充电节点组成的无线传感网中，构造各个节点的局部拓扑网络信息，在此基础上分别针对可充电节点和不可充电节点求解其局部化最小生成树，并获得各个节点的邻居节点集合、无线传感网上的传输功率和通信半径，从而构建精简的网络拓扑图。

2.根据权利要求1所述的无线传感网拓扑控制方法，其特征在于：在任一节点的一跳邻居节点集合中，将到达该集合中最远节点所需传输的功率作为该任一节点在功率控制之后网络上的传输功率、将到达该最远节点的传输距离作为该任一节点在功率控制后网络上的通信半径。

3.根据权利要求1所述的无线传感网拓扑控制方法，其特征在于由可充电节点和不可充电节点组成的无线传感网的网络结构为：令G(V，E)代表网络图，其中V(G)代表节点的集合、E(G)代表网络中边的集合；图中两个节点x∈V(G)和y∈V(G)-{x}之间的距离记做d_xy，如果满足d_xy≤R，则称边(x,y)∈E(G)；R代表节点的最大传输半径；每个网络节点能够根据与邻居节点之间的距离，自主调节传输功率；每个节点x∈V(G)，N(x)代表节点x的一跳邻居节点集合，对于y∈N(x)，有(x,y)∈E(G)；网络中的可充电节点集合记做A，不可充电节点集合记做B，A+B=V(G)，汇聚节点属于集合A；每条链路的代价设定为该链路的几何长度或链路功率值；节点单跳范围局部拓扑构造方法为：每个节点x∈V(G),其一跳邻居拓扑图记做且 $V\left(G_x^1\right)=N\left(x\right)+\left\{x\right\};$ $E\left(G_x^1\right)=\{(u,v):u\∈V\left(G_x^1\right),v\∈$

$V\left(G_x^1\right),(u,v)\∈E\left(G\right)\}\·$

4.根据权利要求3所述的无线传感网拓扑控制方法，其特征在于针对可充电节点和不可充电节点求解其局部化最小生成树，并获得各个节点的邻居节点集合：

（1）可充电节点的邻居节点集合生成方法：对于每个可充电节点v，v∈A，构造其一跳邻居拓扑图

求解图

的以v为树根的最小生成树，计算过程中每条链路的权重为该链路的代价，并获得v在该树上一跳邻居节点集合

（2）不可充电节点的邻居节点集合生成方法：

步骤1：对于每个不可充电节点u，u∈B，构造其一跳邻居拓扑图

求解

的最小生成树，计算过程中每条链路的权重为该链路的代价，然后获得u在该树上的邻居节点集合

对于任意x∈A且x∈N(u)，如果但

则令

为节点x在该树上的一跳邻居节点集合；

步骤2：属于集合B的节点x，其在上一步骤中获得的邻居节点集合中的任意节点为y，且y也属于集合B，如果可以通过一个属于集合A的节点间接到达，则可以从x的邻居节点集中删去该节点；对于每个不可充电节点u，u∈B，执行以下操作：对于任意且

如果存在节点y满足且y∈A且则

然后，将

作为u的一跳邻居节点集

合。

5.根据权利要求4所述的无线传感网拓扑控制方法，其特征在于：在任一节点的一跳邻居节点集合中，将到达该集合中最远节点所需传输的功率作为该任一节点在功率控制之后网络上的传输功率、将到达该最远节点的传输距离作为该任一节点在功率控制后网络上的通信半径。

6.根据权利要求4所述的无线传感网拓扑控制方法，其特征在于为了使最终生成的精简拓扑图上每条边都是双向的，对每个节点u，u∈V(G)，执行以下操作：对于任意

如果

则

7.根据前述任一权利要求所述的无线传感网拓扑控制方法，其特征在于根据各个节点的邻居节点集构建精简的网络拓扑，构建精简网络拓扑G’的具体方法如下：

$V\left(G^{\′}\right)=V\left(G\right);E\left(G^{\′}\right)=\{(u,v):u\∈V\left(G^{\′}\right),v\∈N_{l1}^1\}\·$