CN103716803B - 一种无线传感器网络中继节点部署方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线传感器网络中继节点部署方法，包括以下步骤：1）获取基站、传感器节点的部署位置以及中继节点的部署候选位置，构造异构通信图；2）根据异构通信图，选取能够k跳覆盖所有传感器节点的最少中继节点的第一集合XA；3）根据第一集合XA、基站的部署位置以及中继节点的部署候选位置，构造具有边权重的转发通信图；4）根据转发通信图，获取能够连通第一集合XA与基站的最小中继节点的第二集合XB；5）合并第一集合XA与第二集合XB，构造最终解。该无线传感器网络中继节点部署方法能够保证网络的连通性，确保每个传感器节点都存在至少一条路径与基站连通，保证了网络连通性的前提下，尽可能部署最少的中继节点。
Description
技术领域
本发明属于网络资源优化技术领域，涉及一种无线传感器网络中继节点部署方法。
背景技术
无线传感器网络的中继节点部署问题，是在网络付诸于实际应用之前，设计合理的部署策略以及算法，放置传感器节点，以此来部署传感器网络，最终在网络应用过程中以最小的成本获得最大的网络利用率。针对无线传感器网络的部署问题，如何有效控制传感器节点的部署数量，是一个持续研究的问题。对于一个特定的网络应用，在满足网络连通性的前提下，尽可能的减少需要部署的中继节点数量。
目前，大多数中继节点部署方法假定传感器节点与中继节点是一跳连通的。一跳连通可以将传感器节点从数据转发的工作中解脱出来，使之只负责感知采集目标信息。这样，需要部署较多的中继节点，才能满足网络的连通性需求。然而，大部分实际应用中，由于地理位置以及地形等因素的限制，可能会使得中继节点的部署无法满足与所有的传感器节点都能一跳连通，此时，就需要多跳连通，才能保证网络的连通性，因此，使得连通性跳数限制与部署数量的矛盾，造成中继节点部署量增加。
发明内容
针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种无线传感器网络的中继节点部署方法，针对连通性跳数限制与部署数量的矛盾，基于多跳连通的假设，解决如何在保证网络连通性的前提下，尽可能部署最少的中继节点的问题。
为达到以上目的，本发明的技术方案为：
包括以下步骤：
1)获取基站、传感器节点的部署位置以及中继节点的部署候选位置，构造异构通信图；
2)根据异构通信图，选取能够k跳覆盖所有传感器节点的最少中继节点的第一集合XA；
3)根据第一集合XA、基站的部署位置以及中继节点的部署候选位置，构造具有边权重的转发通信图；
4)根据转发通信图，获取能够连通第一集合XA与基站的最小中继节点的第二集合XB；
5)合并第一集合XA与第二集合XB，构造最终解，获得无线传感器网络中继节点部署位置。
所述构造异构通信图包括以下步骤：
1.1获取基站的部署集合B、传感器节点的部署集合S、中继节点的部署候选集合Z，以及中继节点的通信半径Rc和传感器节点的通信半径rc；其中，对于任意两个基站bi,bj∈B(i≠j)，存在边(bi,bj)∈E；对于任意的中继节点u∈Z和中继节点v∈B∪Z，如果有任意的两个中继节点之间距离d(u,v)≤Rc，则存在边(u,v)∈E；对于任意的传感器节点m∈S和传感器节点n∈B∪S∪Z，如果有任意的两个传感器节点之间距离d(m,n)≤rc，则存在边(m,n)∈E，E为边集合；
1.2依据基站的部署集合B、传感器节点的部署集合S、中继节点的部署候选集合Z的边集合E和顶点集合V＝B∪S∪Z的无向图，得到异构通信图。
所述选取能够k跳覆盖所有传感器节点的最少中继节点的第一集合XA具体包括以下步骤：
2.1移除被基站k跳覆盖的所有传感器节点；
2.2根据贪心算法，在每次迭代过程中，选取能够k跳覆盖最多传感器节点的中继节点加入到最小的第一集合XA中，并将其从集合Z中移除，同时将其所覆盖的传感器节点从集合S中移除，直到集合S中的传感器节点都被移除为止。
所述构造具有边权重的转发通信图具体包括以下步骤：
3.1获取基站的部署集合B和中继节点的候选部署集合Z，以及中继节点的通信半径Rc，同时，获取中继节点最小的第一集合XA；其中，任意两个基站bi,bj∈B(i≠j)，存在边(bi,bj)∈E；任意的两个中继节点u∈Z和v∈B∪Z，当任意的两个中继节点之间距离d(u,v)≤Rc时，则存在边(u,v)∈E；
3.2根据基站的部署集合B和中继节点的候选部署集合Z，构造的具有边集合E和顶点集合V＝B∪Z的无向图，得到转发通信图；
3.3对于转发通信图的每一条边e＝(u,v)，计算其由集合XA生成的边权重为：wX(e)＝|{u,v}∩(Z\XA)|；
3.4按照上述步骤构造具有边权重后的无向图，获得具有边权重的转发通信图。
所述获取能够连通第一集合XA与基站的最小中继节点的第二集合XB，具体包括以下步骤：
4.1获取具有边权重的转发通信图G的最小生成树T；
4.2用具有边权重的转发通信图G中相应的最短路径来代替最小生成树T中的每一条边，构造具有边权重的转发通信图G的子图Gsub；
4.3寻找子图Gsub的最小生成树Tsub；
4.4根据最小生成树Tsub构造最小斯坦纳树TS，使得最小斯坦纳树TS中的每个叶子节点都是XA中的节点；最后V(TS)\(B∪XA)为集合XB。
与现有技术比较，本发明的有益效果为：
本发明提供的无线传感器网络中继节点部署方法，在已知基站、传感器节点的部署位置以及中继节点的候选部署位置的前提下，首先构造异构通信图，通过异构通信图，能够给出保证传感器节点与中继节点k跳连通的最少中继节点部署可行解，并将最少中继节点部署可行解与基站的部署位置以及中继节点的部署候选位置想结合，构造最终解，因此，能够给予实际的应用部署以理论上的指导；该无线传感器网络中继节点部署方法能够保证网络的连通性，确保每个传感器节点都存在至少一条路径与基站连通，保证了网络连通性的前提下，尽可能部署最少的中继节点；另外，本发明提供的无线传感器网络中继节点部署方法采用集中式处理方式，将网络拓扑抽象为无向图，计算简单，算法具有可扩展性。
附图说明
图1是本发明的无线传感器网络中继节点部署方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参见图1所示，本发明提供了一种无线传感器网络中继节点部署方法，包括以下步骤：
1)获取基站、传感器节点的部署位置以及中继节点的部署候选位置，构造异构通信图；
1.1获取基站的部署集合B、传感器节点的部署集合S、中继节点的部署候选集合Z，以及中继节点的通信半径Rc和传感器节点的通信半径rc；
其中，对于任意两个基站bi,bj∈B(i≠j)，存在边(bi,bj)∈E；对于任意的中继节点u∈Z和中继节点v∈B∪Z，如果有任意的两个中继节点之间距离d(u,v)≤Rc，则存在边(u,v)∈E；对于任意的传感器节点m∈S和传感器节点n∈B∪S∪Z，如果有任意的两个传感器节点之间距离d(m,n)≤rc，则存在边(m,n)∈E，E为边集合；
1.2依据基站的部署集合B、传感器节点的部署集合S、中继节点的部署候选集合Z的边集合E和顶点集合V＝B∪S∪Z的无向图，得到异构通信图。
2)根据异构通信图，选取能够k跳覆盖所有传感器节点的最少中继节点的集合XA；
2.1移除被基站k跳覆盖的所有传感器节点；
2.2根据贪心算法，在每次迭代过程中，选取能够k跳覆盖最多传感器节点的中继节点加入到最小的第一集合XA中，并将其从集合Z中移除，同时将其所覆盖的传感器节点从集合S中移除，直到集合S中的传感器节点都被移除为止。
3)根据第一集合XA、基站的部署位置以及中继节点的部署候选位置，构造具有边权重的转发通信图；
3.1获取基站的部署集合B和中继节点的候选部署集合Z，以及中继节点的通信半径Rc，同时，获取中继节点最小的第一集合XA；其中，任意两个基站bi,bj∈B(i≠j)，存在边(bi,bj)∈E；任意的两个中继节点u∈Z和v∈B∪Z，当任意的两个中继节点之间距离d(u,v)≤Rc时，则存在边(u,v)∈E；
3.2根据基站的部署集合B和中继节点的候选部署集合Z，构造的具有边集合E和顶点集合V＝B∪Z的无向图，得到转发通信图；
3.3对于转发通信图的每一条边e＝(u,v)，计算其由集合XA生成的边权重为：wX(e)＝|{u,v}∩(Z\XA)|；
3.4按照上步骤造的边权重后的无向图，获得具有边权重的转发通信图。
4)根据转发通信图，获取能够连通第一集合XA与基站的最小中继节点的第二集合XB；
4.1获取具有边权重的转发通信图G的最小生成树T；
4.2用具有边权重的转发通信图G中相应的最短路径来代替最小生成树T中的每一条边，构造具有边权重的转发通信图G的子图Gsub；
4.3寻找子图Gsub的最小生成树Tsub；
4.4根据最小生成树Tsub构造最小斯坦纳树TS，使得最小斯坦纳树TS中的每个叶子节点都是XA中的节点；最后V(TS)\(B∪XA)为集合XB。
5)合并第一集合XA与第二集合XB，构造最终解，获得无线传感器网络中继节点部署位置。
本发明提供的无线传感器网络中继节点部署方法，在已知基站、传感器节点的部署位置以及中继节点的候选部署位置的前提下，能够给出保证传感器节点与中继节点k跳连通的最少中继节点部署可行解，给予实际的应用部署以理论上的指导。
本发明提供的无线传感器网络中继节点部署方法能够保证网络的连通性，确保每个传感器节点都存在至少一条路径与基站连通。
本发明提供的无线传感器网络中继节点部署方法采用集中式处理方式，将网络拓扑抽象为无向图，计算简单，算法具有可扩展性。
Claims (4)
1.一种无线传感器网络中继节点部署方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取基站、传感器节点的部署位置以及中继节点的部署候选位置，构造异构通信图；
2)根据异构通信图，选取能够k跳覆盖所有传感器节点的最少中继节点的第一集合XA；
3)根据第一集合XA、基站的部署位置以及中继节点的部署候选位置，构造具有边权重的转发通信图；
4)根据转发通信图，获取能够连通第一集合XA与基站的最小中继节点的第二集合XB，具体包括以下步骤：
4.1获取具有边权重的转发通信图G的最小生成树T；
4.2用具有边权重的转发通信图G中相应的最短路径来代替最小生成树T中的每一条边，构造具有边权重的转发通信图G的子图Gsub；
4.3寻找子图Gsub的最小生成树Tsub；
4.4根据最小生成树Tsub构造最小斯坦纳树TS，使得最小斯坦纳树TS中的每个叶子节点都是XA中的节点；最后V(TS)\(BUXA)为集合XB，其中，B表示基站的部署集合；
5)合并第一集合XA与第二集合XB，构造最终解，获得无线传感器网络中继节点部署位置。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中继节点部署方法，其特征在于，所述构造异构通信图包括以下步骤：
1.1获取基站的部署集合B、传感器节点的部署集合S、中继节点的部署候选集合Z，以及中继节点的通信半径Rc和传感器节点的通信半径rc；其中，对于任意两个基站bi,bj∈B(i≠j)，存在边(bi,bj)∈E；对于任意的中继节点u∈Z和中继节点v∈BUZ，如果有任意的两个中继节点之间距离d(u,v)≤Rc，则存在边(u,v)∈E；对于任意的传感器节点m∈S和传感器节点n∈BUSUZ，如果有任意的两个传感器节点之间距离d(m,n)≤rc，则存在边(m,n)∈E，E为边集合；
1.2依据基站的部署集合B、传感器节点的部署集合S、中继节点的部署候选集合Z的边集合E和顶点集合V＝BUSUZ的无向图，得到异构通信图。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中继节点部署方法，其特征在于，所述选取能够k跳覆盖所有传感器节点的最少中继节点的第一集合XA具体包括以下步骤：
2.1移除被基站k跳覆盖的所有传感器节点；
2.2根据贪心算法，在每次迭代过程中，选取能够k跳覆盖最多传感器节点的中继节点加入到最小的第一集合XA中，并将第一集合XA从集合Z中移除，同时将其所覆盖的传感器节点从集合S中移除，直到集合S中的传感器节点都被移除为止，其中，S为传感器节点的部署集合。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络中继节点部署方法，其特征在于，所述构造具有边权重的转发通信图具体包括以下步骤：
3.1获取基站的部署集合B和中继节点的候选部署集合Z，以及中继节点的通信半径Rc，同时，获取中继节点最小的第一集合XA；其中，任意两个基站bi,bj∈B(i≠j)，存在边(bi,bj)∈E；任意的两个中继节点u∈Z和v∈BUZ，当任意的两个中继节点之间距离d(u,v)≤Rc时，则存在边(u,v)∈E；
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