CN103596203A - 一种局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法，属于无线传感器网络技术领域。本发明的目的针对现有分簇算法存在的簇头选举不合理、全局周期性重新成簇高能量消耗等不足问题的局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法。本发明包含分簇拓扑构建与拓扑维护两个阶段。包含分簇拓扑构建与拓扑维护两个阶段。分簇拓扑构建阶段通过成簇参数来获得网络中所有节点的成簇参数，并基于该成簇参数来构建分簇的网络拓扑结构。一旦建立网络拓扑结构，就开始运行网络指定的任务。在网络的运行过程中，当簇头节点的剩余能量低于簇内平均剩余能量时，触发局部簇内拓扑维护过程，即备份簇头成为簇头，并重新获得簇内各节点的成簇参数，使成簇参数大的节点成为备份簇头，本发明实时维护网络的稳定，实现平均网络能量消耗、延长网络生命周期的目的。

Description

一种局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域。
背景技术
无线传感器网络中，由于传感器节点能量有限，如何最佳利用能源、减小网络能量消耗是关键问题之一。而拓扑控制无疑是无线传感器网络中一种有效的节能方法，而分簇拓扑控制能有效节省网络能量消耗，延长网络生命周期，并广泛应用于大规模无线传感器网络中。
分簇拓扑控制中，通常将网络中的节点按所处的角色不同分为簇头节点和成员节点（简称簇头和成员）。簇头由于承担管理簇内成员以及进行数据融合等任务而比普通成员消耗更多的能量，于是更容易“早死”。为了延长网络的生命周期，通常情况下，分簇拓扑控制通过簇头选举来选择网络中性能较优的节点做为簇头，并通过全局周期性重新成簇来对网络进行维护。
目前的分簇拓扑控制通常在成簇阶段认为所有参数对簇头成簇作用相同，容易造成某些性能低的节点成为簇头，从而因承担较重任务而过早死亡，而采用全局周期性重新成簇对网络进行维护很容易导致高能量消耗等问题。
发明内容
本发明的目的针对现有分簇算法存在的簇头选举不合理、全局周期性重新成簇高能量消耗等不足问题的局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法。
本发明包含分簇拓扑构建与拓扑维护两个阶段；分簇拓扑构建阶段通过成簇参数来获得网络中所有节点的成簇参数，并基于该成簇参数来构建分簇的网络拓扑结构；一旦建立网络拓扑结构，就开始运行网络指定的任务；在网络的运行过程中，当簇头节点的剩余能量低于簇内平均剩余能量时，触发局部簇内拓扑维护过程，即备份簇头成为簇头，并重新获取簇内各节点的成簇参数，使成簇参数大的节点成为备份簇头，实时维护网络的稳定。
本发明的局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法：
（一）分簇拓扑构建：分簇拓扑构建主要是通过节点间的信息交换来构建一个网络拓扑结构，包括成簇参数、成簇两个部分；
（1）成簇参数：网络中任意节点                                                
Figure 37355DEST_PATH_IMAGE001
向网络广播自身的信息，并接收其它节点的信息，信息包括节点
Figure 432564DEST_PATH_IMAGE002
、初始能量
Figure 433887DEST_PATH_IMAGE003
、位置（坐标
Figure 256349DEST_PATH_IMAGE004
）；
（2）成簇：每个节点具有四种状态，通过簇头选举机制处于初始状态的节点要么成为簇头，要么成为备份簇头，或成员；
（二）拓扑维护：网络运行过程中，当簇头节点的剩余能量小于簇内平均剩余能量时，触发簇内拓扑维护。
本发明包含分簇拓扑构建与拓扑维护两个阶段。分簇拓扑构建阶段通过成簇参数来获得网络中所有节点的成簇参数，并基于该成簇参数来构建分簇的网络拓扑结构。一旦建立网络拓扑结构，就开始运行网络指定的任务。在网络的运行过程中，当簇头节点的剩余能量低于簇内平均剩余能量时，触发局部簇内拓扑维护过程，即备份簇头成为簇头，并重新获得簇内各节点的成簇参数，使成簇参数大的节点成为备份簇头，实时维护网络的稳定，实现平均网络能量消耗、延长网络生命周期的目的。
附图说明
图1是本发明工艺流程图；
图2是本发明节点状态迁移示意图；
图3是本发明成簇流程流程图；
图4是本发明拓扑维护流程图。
具体实施方式
本发明包含分簇拓扑构建与拓扑维护两个阶段；分簇拓扑构建阶段通过成簇参数来获得网络中所有节点的成簇参数，并基于该成簇参数来构建分簇的网络拓扑结构；一旦建立网络拓扑结构，就开始运行网络指定的任务；在网络的运行过程中，当簇头节点的剩余能量低于簇内平均剩余能量时，触发局部簇内拓扑维护过程，即备份簇头成为簇头，并重新获取簇内各节点的成簇参数，使成簇参数大的节点成为备份簇头，实时维护网络的稳定。
本发明的局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法：
（一）分簇拓扑构建：分簇拓扑构建主要是通过节点间的信息交换来构建一个网络拓扑结构，包括成簇参数、成簇两个部分；
（1）成簇参数：网络中任意节点 向网络广播自身的信息，并接收其它节点的信息，信息包括节点
Figure 348382DEST_PATH_IMAGE002
、初始能量
Figure 954943DEST_PATH_IMAGE003
、位置（坐标
Figure 948307DEST_PATH_IMAGE004
）；
（2）成簇：每个节点具有四种状态，通过簇头选举机制处于初始状态的节点要么成为簇头，要么成为备份簇头，或成员；
（二）拓扑维护：网络运行过程中，当簇头节点的剩余能量小于簇内平均剩余能量时，触发簇内拓扑维护。
以下对本发明进行详细描述：
首先介绍以下几个相关定义：
1）成簇参数
Figure 889587DEST_PATH_IMAGE005
：用来评价某个节点成为簇头能力，参数越大的节点成为簇头的概率越大，任一节点
Figure 829861DEST_PATH_IMAGE001
的成簇参数表示为：
Figure 38732DEST_PATH_IMAGE006
                                 （1）
其中分别为节点
Figure 382306DEST_PATH_IMAGE008
的剩余能量，
Figure 923009DEST_PATH_IMAGE009
为节点
Figure 487851DEST_PATH_IMAGE001
的任一邻居节点，
Figure 88597DEST_PATH_IMAGE010
为节点的邻居节点集合，
Figure 834016DEST_PATH_IMAGE011
为节点
Figure 66414DEST_PATH_IMAGE008
之间的距离，已知节点的坐标
Figure 414798DEST_PATH_IMAGE012
，则
Figure 297304DEST_PATH_IMAGE011
可表示为：
Figure 836738DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 779287DEST_PATH_IMAGE014
为节点
Figure 217221DEST_PATH_IMAGE001
的节点度，
Figure 841100DEST_PATH_IMAGE015
为网络的节点数。由式（1）可见剩余能量的权值最大，其次是节点与其邻居节点的平均距离，最后是节点的节点度。
2）簇头列表
Figure 48091DEST_PATH_IMAGE016
：当网络中的任意节点接收到某个簇头的成簇消息时，将该簇头的有关信息如
Figure 870464DEST_PATH_IMAGE002
、成簇参数等加入该列表，且选择成簇参数最大的簇头加入该簇，并且所选择加入的簇头为列表第一项。
3）成员列表。对于任意簇头，其成员列表项数即为簇内成员个数，列表每一项包括成员节点
Figure 20002DEST_PATH_IMAGE002
，剩余能量
Figure 284762DEST_PATH_IMAGE018
，以及成簇参数
Figure 303533DEST_PATH_IMAGE005
。
4）簇内邻居列表
Figure 903011DEST_PATH_IMAGE019
。对于某簇内的任意成员，当其接收到同簇内其它成员加入簇的确认消息时，将该成员加入簇内邻居列表，包括
Figure 931010DEST_PATH_IMAGE002
、剩余能量，以及成簇参数
Figure 505527DEST_PATH_IMAGE005
。
5）簇内平均剩余能量
Figure 828187DEST_PATH_IMAGE020
。对于网络中的任一簇，设其簇头为
Figure 394297DEST_PATH_IMAGE001
，则其簇内平均剩余能量为：
Figure 633649DEST_PATH_IMAGE021
                                           （2）
其中
Figure 259802DEST_PATH_IMAGE022
为簇内的成员节点个数，
Figure 568292DEST_PATH_IMAGE007
分别为节点的剩余能量。
包含分簇拓扑构建与拓扑维护两个阶段。分簇拓扑构建阶段通过成簇参数来获得网络中所有节点的成簇参数，并基于该成簇参数来构建分簇的网络拓扑结构。一旦建立网络拓扑结构，就开始运行网络指定的任务。在网络的运行过程中，当簇头节点的剩余能量低于簇内平均剩余能量时，触发局部簇内拓扑维护过程，即备份簇头成为簇头，并重新获取簇内各节点的成簇参数，使成簇参数大的节点成为备份簇头，实时维护网络的稳定。
（一）分簇拓扑构建
分簇拓扑构建主要是通过节点间的信息交换来构建一个网络拓扑结构，包括成簇参数、成簇两个部分。
（1）成簇参数
 网络中任意节点
Figure 31952DEST_PATH_IMAGE001
向网络广播自身的信息，并接收其它节点的信息，信息包括节点
Figure 514492DEST_PATH_IMAGE002
、初始能量、位置（坐标
Figure 968925DEST_PATH_IMAGE004
）。每个节点根据接收到的信息通过式（1）获得其成簇参数，程序伪代码如下：
ComputingClusterParameters ( )
1:   for (
Figure 166557DEST_PATH_IMAGE023
) do
2:     
Figure 134513DEST_PATH_IMAGE024
 
3:     while (receive message from 
Figure 168328DEST_PATH_IMAGE025
) do
4:       
Figure 879932DEST_PATH_IMAGE026
+=
Figure 433535DEST_PATH_IMAGE027
,
Figure 572392DEST_PATH_IMAGE028
,
Figure 93504DEST_PATH_IMAGE029
5:     end while
6:   end for
7:   
Figure 608799DEST_PATH_IMAGE030
  
8:   end
 其中
Figure 515444DEST_PATH_IMAGE031
为网络中节点集合，
Figure 825202DEST_PATH_IMAGE032
分别为节点
Figure 833609DEST_PATH_IMAGE001
与邻居节点的距离之和、节点度及邻居节点的能量和，
Figure 572502DEST_PATH_IMAGE033
为节点和
Figure 830625DEST_PATH_IMAGE009
的坐标，
Figure 388645DEST_PATH_IMAGE034
分别为节点
Figure 167114DEST_PATH_IMAGE001
和的当前的初始能量，
Figure 716224DEST_PATH_IMAGE035
为节点
Figure 184377DEST_PATH_IMAGE001
的成簇参数。
（2）成簇
每个节点具有四种状态，通过簇头选举机制处于初始状态的节点要么成为簇头，要么成为备份簇头，或成员。其状态迁移图如图2所示。
网络中的任意节点开始都为初始态，具有启动定时器，
Figure 154104DEST_PATH_IMAGE036
=
Figure 608088DEST_PATH_IMAGE037
，其中为节点的成簇参数，
Figure 475867DEST_PATH_IMAGE038
为常数，表示发送单个比特所需的时间。当
Figure 406914DEST_PATH_IMAGE036
停止时，节点
Figure 846729DEST_PATH_IMAGE001
由初始态转变为簇头，并向网络广播一个其成为簇头的消息
Figure 583741DEST_PATH_IMAGE039
，该消息包含节点
Figure 107126DEST_PATH_IMAGE001
的
Figure 474654DEST_PATH_IMAGE040
、成簇参数
Figure 903230DEST_PATH_IMAGE035
。节点
Figure 178353DEST_PATH_IMAGE001
发射范围内的任一邻居节点接收到消息
Figure 94674DEST_PATH_IMAGE039
时，首先停止自身的启动定时器
Figure 823595DEST_PATH_IMAGE036
，并更新其簇头列表
Figure 590825DEST_PATH_IMAGE041
，即将簇头的
Figure 88803DEST_PATH_IMAGE040
和成簇参数
Figure 798133DEST_PATH_IMAGE035
存入列表，然后向网络广播其加入该簇的确认消息
Figure 748771DEST_PATH_IMAGE042
，该消息包含成员节点
Figure 818227DEST_PATH_IMAGE009
的
Figure 170711DEST_PATH_IMAGE043
、成簇参数以及所加入簇头的。当簇头接收到确认消息
Figure 118682DEST_PATH_IMAGE042
时，更新簇内成员列表
Figure 43913DEST_PATH_IMAGE045
，即将成员
Figure 455172DEST_PATH_IMAGE009
的
Figure 516668DEST_PATH_IMAGE043
成簇参数存入成员列表
Figure 151229DEST_PATH_IMAGE045
。网络内的其它某节点接收到该确认消息
Figure 986909DEST_PATH_IMAGE042
时，如果其处于成员状态，且其簇头和该确认信息节点的相同，则更新簇内邻居列表
Figure 176582DEST_PATH_IMAGE047
。当网络中的某个处于初始态的节点同时接收到多个成为簇头的消息
Figure 263356DEST_PATH_IMAGE039
时，则该节点选择其中成簇参数最大的那个加入该簇，而当两个簇头的成簇参数大小一致时，则加入节点
Figure 767149DEST_PATH_IMAGE002
大的那个簇。
当网络中所有节点的启动定时器都停止时，所有簇头从其成员列表中选择成簇参数最大的节点做为备份簇头，并向网络广播备份簇头消息，该消息包含簇头
Figure 52561DEST_PATH_IMAGE002
，备份簇头
Figure 626631DEST_PATH_IMAGE002
。接收到该备份簇头消息
Figure 934115DEST_PATH_IMAGE048
的节点，判断其是否为同簇，如果是，接下来判断备份簇头
Figure 824711DEST_PATH_IMAGE002
是否为本身，如果是，从成员变为备份簇头。
可见终止时，网络中的节点要么成为簇头，要么成为成员或备份簇头。成簇流程如图3所示。
（二）拓扑维护
网络运行过程中，当簇头节点的剩余能量小于簇内平均剩余能量时，触发簇内拓扑维护。
也就是说根据式（2）计算簇内的平均剩余能量，判断簇头的剩余能量是否比其小。如果小，则簇头广播簇维护消息
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，其状态从簇头变为成员，成员列表更新为邻居列表，簇头列表更新为备份簇头。接收到簇维护消息的备份簇头其状态从备份簇头成为簇头，其邻居列表更新为成员列表，并将簇头列表中的首项移除至成员列表。接收到簇维护消息的簇内成员更新其簇头列表，将备份簇头置为簇头列表首位，将原来的簇头移至邻居簇头列表中。且簇内任意节点
Figure 310181DEST_PATH_IMAGE001
采用下式重新计算成簇参数。
Figure 919017DEST_PATH_IMAGE050
                                   （3）                                 
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为节点
Figure 30192DEST_PATH_IMAGE001
的簇内邻居个数。然后节点向网络广播消息
Figure 227824DEST_PATH_IMAGE052
，包含节点
Figure 195780DEST_PATH_IMAGE002
、簇头
Figure 229595DEST_PATH_IMAGE002
、
剩余能量以及成簇参数。簇头根据接收到的消息
Figure 941200DEST_PATH_IMAGE052
更新成员列表中的成簇参数，并选择成簇参数最大的节点为备份簇头，并向网络广播
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，包含节点
Figure 491873DEST_PATH_IMAGE002
、备份簇头
Figure 630731DEST_PATH_IMAGE002
。簇内成员接收到
Figure 151842DEST_PATH_IMAGE052
消息，更新簇内邻居列表中的成簇参数，如果没有收到原列表中某节点的消息，则说明该节点故障或死亡，将其从簇内邻居列表中删除。簇内成员接收到
Figure 401557DEST_PATH_IMAGE053
消息，判断自身
Figure 573782DEST_PATH_IMAGE002
与备份簇头
Figure 883540DEST_PATH_IMAGE002
一致，如果相同，则从成员节点状态变为备份簇头节点状态。拓扑维护的过程伴随网络的运行，直到网络死亡。其流程如图4所示。
从以上的拓扑维护过程可见，本发明中的拓扑维护过程并不是如通常分簇一样通过周期性重新成簇完成，而是在任意局部簇内进行，维护过程仅需簇内节点的局部信息，而无需网络的全局信息，并且不需要节点的位置信息，维护过程所需的这些局部信息完全可以从正常的通信中得到，从而更进一步地有效减小网络通信开销，延长网络生命周期。

Claims (2)

1.一种局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法，其特征在于：包含分簇拓扑构建与拓扑维护两个阶段；分簇拓扑构建阶段通过成簇参数来获得网络中所有节点的成簇参数，并基于该成簇参数来构建分簇的网络拓扑结构；一旦建立网络拓扑结构，就开始运行网络指定的任务；在网络的运行过程中，当簇头节点的剩余能量低于簇内平均剩余能量时，触发局部簇内拓扑维护过程，即备份簇头成为簇头，并重新获取簇内各节点的成簇参数，使成簇参数大的节点成为备份簇头，实时维护网络的稳定。
2.根据权利要求1所述的局部自维护的无线传感器网络节能分簇拓扑控制方法，其特征在于：
（一）分簇拓扑构建：分簇拓扑构建主要是通过节点间的信息交换来构建一个网络拓扑结构，包括成簇参数、成簇两个部分；
（1）成簇参数：网络中任意节点                                                
Figure 305283DEST_PATH_IMAGE001
向网络广播自身的信息，并接收其它节点的信息，信息包括节点
Figure 896801DEST_PATH_IMAGE002
、初始能量
Figure 545082DEST_PATH_IMAGE003
、位置（坐标
Figure 196643DEST_PATH_IMAGE004
）；
（2）成簇：每个节点具有四种状态，通过簇头选举机制处于初始状态的节点要么成为簇头，要么成为备份簇头，或成员；
（二）拓扑维护：网络运行过程中，当簇头节点的剩余能量小于簇内平均剩余能量时，触发簇内拓扑维护。
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