CN104837171A - 一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法，主要包括以下几个步骤：1)拓扑构建阶段：把监测区域划分成一个回型，然后根据几何划分方法均匀的选择一定数目的簇头；根据簇内的通信代价、节点与簇头的距离和簇头的剩余能量，非簇头节点选择加入簇；采用最小费用最大流法调整簇的大小；2)拓扑维护阶段：网络开始通信后，若某轮数据传输中有节点能量低于网络规定的阈值，则对网络进行局部调整。本发明在均衡了网络中各个节点的能耗前提下保证了网络的容错能力，延长了网络生命周期。

Description

一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法

【技术领域】

本发明涉及一种无线传感网的控制方法，具体涉及一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法，属于无线传感网技术领域。

【背景技术】

多源异构无线传感器网络(Multi-source Heterogeneous Wireless Sensor Networks,MHWSNs)是由大量部署在监测区域内、能量受限的各种传感器节点组成的自组织网络。传感器节点的部署环境具有不可预测性，并且由于人类的介入、节点的硬件损坏、链路的不稳定以及能量耗尽和自然灾害等原因而导致MHWSNs发生故障。一旦发生故障的传感器节点处于枢纽位置或邻居节点同时发生故障，则会导致网络分割甚至引起整个网络的瘫痪。因此，MHWSNs的容错性是值得深度研究的一个重要问题。

现有的方法中往往只是在拓扑构建或者是维护过程中考虑到能量的问题，而忽略了在实际网络中应该贯穿始终地全程考虑网络能耗。

因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述技术问题，本发明的目的在于一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法，其针对在复杂的多源异构网络环境下节点能耗不均匀的情况，分别从拓扑构建和维护两个阶段进行网络中能耗的均衡。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法，其包括如下步骤：

1)首先，把监测区域分成两部分：中间是一个正方形，周围是一个回型区域包围；在中间正方形区域内选择α·H个簇头，剩下的(H-α·H)个簇头随机分布在回型内，其中α和H分别为中间小正方形区域簇头占优比和网络中总的簇头数；

先在中间正方形中随机选择一个节点作为簇头，再在与当前选定簇头的距离为d_cj的环形区域上且在该区域中的节点中选择一至两个节点作为中继节点：

$\frac{m}{n}{d}_0\≤d_{\mathrm{cj}}\≤d_0---\left(1\right)$

其中：n表示即将被选为簇头的节点在其当前的通信半径下有n个传感器节点，m表示有m个节点的能量大于这n个节点的平均能量，d₀为簇头半径；

按照选择簇头，再选择中继节点，然后再选择簇头的迭代过程持续进行，直至簇头总数满足α·H个；再在外面包围的区域选择剩下的(H-α·H)个簇头。

2)继簇头数目和位置确定完毕后，当选的簇头就会向全网广播含有自己ID、当选状态、剩余能量和当前节点度的消息包，等待网络中的非簇头节点加入；

3)簇调整过程：网络中的各个节点加入簇以后，使得每个簇的大小在与之间，允许至多有一个簇的大小小于；

4)拓扑维护：考虑到均衡单个节点与整个网络能量的消耗，均衡网络负载，组网一段时间后当某个簇头节点k∈C(C是簇头集合)的能量值少于能量阈值是能量阈值比例且随着网络的运行时间的增加而减小，E₀是节点的单位初始能量值)，要对簇头节点按照公式(2)至(13)进行轮换：

$Y=\mathrm{Min}\underset{i}{\overset{C_k}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\γ}\underset{j,j\≠i}{\overset{C_k}{\mathrm{\Σ}}}(e^T+e^R)\·l_{\mathrm{ij}}+\frac{z}{\underset{j=1}{\overset{N_{C_k}}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{\mathrm{ij}}})---\left(2\right)$

约束条件：

$e_{\mathrm{is}}^T+e_{\mathrm{ji}}^T+e_{j^{\′}j}^T=e^T,\∀i,j,j^{\′}\∈C_k---\left(4\right)$

$e_{\mathrm{ij}}^R+e_{{\mathrm{jj}}^{\′}}^R=e^R,\∀i,j,j^{\′}\∈C_k---\left(5\right)$

$e_{\mathrm{is}}^T\≤p{E}_i,\∀i\∈C_k---\left(6\right)$

$e_{\mathrm{ji}}^T\≤p{E}_j,\∀i,j\∈C_k---\left(7\right)$

$e_{j^{\′}j}^T\≤p{E}_i,\∀j^{\′},j\∈C_k---\left(8\right)$

$e_{{\mathrm{jj}}^{\′}}^{\text{R}}\≤p{E}_i,\∀j,j^{\′}\∈C_k---\left(9\right)$

$e_{\mathrm{ij}}^R\≤p{E}_j,\∀i,j\∈C_k---\left(10\right)$

$\underset{j\∈C}{\mathrm{\Σ}}{z}_i^j=1,\∀i,j\∈C_k---\left(11\right)$

0<γ<1  (12)

z>0  (13)

其中，e^T为节点k所在的簇的簇内选出替代簇头节点后所有节点发送消息消耗的能量， 和分别是节点k在的簇内的新选出的簇头i发送数据到sink、簇成员j发送数据到簇头i和簇成员j'发送数据到同一个簇内的簇成员j消耗的能量，e^R为点k所在的簇的簇内选出替代簇头节点后所有节点接收消息消耗的能量，和分别是节点k在的簇内的新选出的簇头i接收来自簇成员j的数据和簇成员j接收来自同一个簇内的簇成员的j'数据消耗的能量；l_ij为节点i的信道是否被利用，z为节点i分配的信道数，网络中每个节点分配的信道数为一个整数值；γ为一个调整系数；C_k是节点k所在簇；

采用优化方法来求解公式(2)的最小值，然后把该最小值对应的节点推举为新的簇头节点。

本发明的基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法进一步为：所述步骤2)中，非簇头节点根据各个簇头的可用能量、自身与相应簇头的距离以及选择加入某个簇后在簇内参与通信所消耗的能量这几种信息，结合式(14)来确定到底接受哪个簇头的邀请；

$q(i,j,r)=\frac{E_i\left(r\right)}{d_{\mathrm{ij}}^2}\&CenterDot;\frac{1}{e_j^i}--\left(14\right)$

其中，q(i,j,r)表示簇头节点i与非簇头节点j之间的引力，d_ij表示非簇头与接收到消息的簇头之间的欧式距离，E_i(r)表示当前簇头节点的能量，表示若非簇头节点选择加入某个簇后在簇内参与通信所消耗的能量；q(i,j,r)值的大小与E_i(r)成正比，与d_ij ²、成反比。

本发明的基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法还可为：所述步骤3)中，若存在某个簇的簇成员数目为则对其簇成员与簇头之间按照簇内通信代价降序排列；选取距离簇头最远的个节点作为自由节点，被选择的这个节点会向其一跳邻居节点发送一个消息，统计与自己不属于同一个簇的一跳邻居；若存在簇内成员数小于且多于一个的情况，则这些簇头就会广播自己缺少的簇成员数，等待其他簇成员加入或与采用最小费用最大流的方法去争夺自由节点作为自己的簇成员。并更新自己簇成员的状态，直至达到网络的需求，调整阶段结束。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法在多源异构无线传感器网络初始状态下，基于消耗较少能量的前提，获得较优的均匀分簇拓扑网络。本发明在具有容错能力的同时尽可能地延长了网络的生命周期。

【附图说明】

图1是本发明的基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法的流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种基于容错的多源异构无线传感网的拓扑构建和拓扑维护方法，包括如下步骤：

1)簇头的确定

首先，把正方形监测区域分成两部分：中间是一个正方形，周围是一个回型区域包围。在中间正方形区域内选择α·H个簇头，剩下的(H-α·H)个簇头随机分布在回型内，其中α和H分别为中间小正方形区域簇头占优比和网络中总的簇头数；

先在中间正方形中随机选择一个节点作为簇头，再在与当前选定簇头的距离为d_cj的环形区域上且在该区域中的节点中选择一至两个节点作为中继节点；

进一步，d_cj的界定为：

$\frac{m}{n}{d}_0\&le;d_{\mathrm{cj}}\&le;d_0---\left(1\right)$

其中：n表示即将被选为簇头的节点在其当前的通信半径下有n个传感器节点，m表示有m个节点的能量大于这n个节点的平均能量，d₀为簇头半径；

在环形区域内选择一个节点作为中继节点，然后再以选定簇头为顶点，中继节点和簇头为一条边，分别向左和向右的120度范围外的区域内寻找另一个中继节点。若该区域内有节点存在，则选择另一个中继节点；否则，在选择的中继节点的圆环区域内且在已选簇头的通信范围外，邻近已选簇头通信边界选择一个簇头节点。簇头节点数目加1，判断簇头总数是否满足α·H个。如果满足，终止迭代过程；否则再以选择的中继节点为顶点，当前中继节点和当前选择的簇头组成一条边，分别向左和向右的120度范围外的区域内寻找另一个簇头节点。若该区域内有节点存在，则选择另一个簇头节点。簇头节点数目加1，并且判断簇头总数是否满足α·H个。如果满足，终止迭代过程；

通过簇头节点找中继节点，再由中继节点选择簇头的迭代方式，依次选择小正方形区域的所有簇头。

2)成簇过程

继簇头数目和位置确定完毕后，当选的簇头就会向全网广播含有自己ID、当选状态、剩余能量和当前节点度的消息包，等待网络中的非簇头节点加入；

在非簇头节点的通信范围内，接收到邀请消息可能分为三种情况。一个非簇头节点没有接收到任何一个簇头的广播消息，这就说明该节点可能处于边缘或者节点分布稀疏的区域。那么，该节点就会加入其一跳邻居节点中与之通信消耗最小的那个邻居节点所在的簇；一个非簇头节点只接收到一个簇头的广播消息，那么该节点就会给发出广播消息的簇头一个加入簇的应答消息；一个非簇头节点也可能会同时接收到多个簇头的广播消息，这时该非簇头节点就会根据各个簇头的可用能量、自身与相应簇头的距离这两种信息，来确定到底接受哪个簇头的邀请；

进一步，节点决定接受哪个簇头的邀请表示为：

$q(i,j,r)=\frac{E_i\left(r\right)}{d_{\mathrm{ij}}^2}\&CenterDot;\frac{1}{e_j^i}--\left(14\right)$

其中，q(i,j,r)表示簇头节点i与非簇头节点j之间的引力，d_ij表示非簇头与接收到消息的簇头之间的欧式距离，E_i(r)表示当前簇头节点的能量，表示若非簇头节点选择加入某个簇后在簇内参与通信所消耗的能量。

从式(14)可以看出，q(i,j,r)值的大小与E_i(r)成正比，与d_ij ²、成反比。一个簇头的剩余能量越大，两者距离越小，非簇头节点就容易选择该簇头作为自己当前的簇头。当然，非簇头节点还要比较参加各个簇内通信的消耗。最后，综合两者的结合，来决定到底加入哪个簇。

3)簇成员调整

网络中的各个节点加入簇以后，可能会存在簇的大小不均匀的情况。使得每个簇的大小在之间，允许至多有一个簇的大小小于(该簇处于边缘节点部署稀疏的区域)，k的值与网络部署的节点总数N有关。

进一步，若簇成员数在与之间的簇不少于(H-1)个，则网络进行通信过程；

再进一步，若存在某个簇的簇成员数目为则对其簇成员与簇头之间按照簇内通信代价降序排列。选取距离簇头最远的个节点作为自由节点，被选择的这个节点会向其一跳邻居节点发送一个消息，统计与自己不属于同一个簇的一跳邻居；若存在簇内成员数小于且多于一个的情况，则这些簇头就会广播自己缺少的簇成员数，等待其他簇成员加入或与采用最小费用最大流的方法去争夺自由节点作为自己的簇成员。并更新自己簇成员的状态；

直至网络中每个簇的簇成员数符合要求，调整阶段结束。

4)拓扑维护阶段

网络拓扑形成以后随着数据的传输，节点能量也逐渐被消耗。担当数据融合处理的簇头，会消耗更多的能量。因此考虑到均衡单个节点与整个网络能量的消耗，均衡网络负载，组网一段时间后当某个簇头节点k∈C的能量值少于是能量阈值比例且随着网络的运行时间的增加而减小)，要对簇头节点按照(2)至(13)进行更换。

$Y=\mathrm{Min}\underset{i}{\overset{C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{\&gamma;}\underset{j,j\&NotEqual;i}{\overset{C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}(e^T+e^R)\&CenterDot;l_{\mathrm{ij}}+\frac{z}{\underset{j=1}{\overset{N_{C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{\mathrm{ij}}})---\left(2\right)$

约束条件：

$e_{\mathrm{is}}^T+e_{\mathrm{ji}}^T+e_{j^{\&prime;}j}^T=e^T,\&ForAll;i,j,j^{\&prime;}\&Element;C_k---\left(4\right)$

$e_{\mathrm{ij}}^R+e_{{\mathrm{jj}}^{\&prime;}}^R=e^R,\&ForAll;i,j,j^{\&prime;}\&Element;C_k---\left(5\right)$

$e_{\mathrm{is}}^T\&le;p{E}_i,\&ForAll;i\&Element;C_k---\left(6\right)$

$e_{\mathrm{ji}}^T\&le;p{E}_j,\&ForAll;i,j\&Element;C_k---\left(7\right)$

$e_{j^{\&prime;}j}^T\&le;p{E}_i,\&ForAll;j^{\&prime;},j\&Element;C_k---\left(8\right)$

$e_{{\mathrm{jj}}^{\&prime;}}^{\text{R}}\&le;p{E}_i,\&ForAll;j,j^{\&prime;}\&Element;C_k---\left(9\right)$

$e_{\mathrm{ij}}^R\&le;p{E}_j,\&ForAll;i,j\&Element;C_k---\left(10\right)$

$\underset{j\&Element;C}{\mathrm{\&Sigma;}}{z}_i^j=1,\&ForAll;i,j\&Element;C_k---\left(11\right)$

0<γ<1  (12)

z>0  (13)

其中，e^T为节点k所在的簇的簇内选出替代簇头节点后所有节点发送消息消耗的能量， 和分别是节点k在的簇内的新选出的簇头i发送数据到sink、簇成员j发送数据到簇头i和簇成员j'发送数据到同一个簇内的簇成员j消耗的能量，e^R为点k所在的簇的簇内选出替代簇头节点后所有节点接收消息消耗的能量，和分别是节点k在的簇内的新选出的簇头i接收来自簇成员j的数据和簇成员j接收来自同一个簇内的簇成员的j'数据消耗的能量；l_ij为节点i的信道是否被利用，z为节点i分配的信道数，网络中每个节点分配的信道数为一个常数值；γ为一个调整系数；C_k是节点k所在簇。

采用优化方法来求解公式(2)的最小值，然后把该最小值对应的节点推举为新的簇头节点。

本实施例该方法基于网络中节点在能耗方面的容错需求提出，首先在网络构建阶段考虑了簇头的分布均与性和每个簇的负载均衡性。网络初始拓扑形成利用几何方法选择一定数目的簇头；然后根据节点加入簇的代价、簇头的剩余能量和两者之间的距离，非簇头节点选择性的加入簇；统计每个簇的成员数，对不在要求范围的簇进行簇成员调整；网络运行过程中，如果簇头节点的能量低于规定的阈值，则在该簇的范围内寻找替代簇头节点，以降低部分节点能量消耗过度消耗而失效的概率，延长网络生命周期。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于容错的多源异构无线传感网拓扑控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)首先，把监测区域分成两部分：中间是一个正方形，周围是一个回型区域包围；在中间正方形区域内选择α·H个簇头，剩下的(H-α·H)个簇头随机分布在回型内，其中α和H分别为中间小正方形区域簇头占优比和网络中总的簇头数；

先在中间正方形中随机选择一个节点作为簇头，再在与当前选定簇头的距离为d_cj的环形区域上且在该区域中的节点中选择一至两个节点作为中继节点：

$\frac{m}{n}{d}_0\&le;d_{\mathrm{cj}}\&le;d_0---\left(1\right)$

其中：n表示即将被选为簇头的节点在其当前的通信半径下有n个传感器节点，m表示有m个节点的能量大于这n个节点的平均能量，d₀为簇头半径；

按照选择簇头，再选择中继节点，然后再选择簇头的迭代过程持续进行，直至簇头总数满足α·H个；再在外面包围的区域选择剩下的(H-α·H)个簇头。

2)继簇头数目和位置确定完毕后，当选的簇头就会向全网广播含有自己ID、当选状态、剩余能量和当前节点度的消息包，等待网络中的非簇头节点加入；

3)簇调整过程：网络中的各个节点加入簇以后，使得每个簇的大小在与之间，允许至多有一个簇的大小小于；

4)拓扑维护：考虑到均衡单个节点与整个网络能量的消耗，均衡网络负载，组网一段时间后当某个簇头节点k∈C(C是簇头集合)的能量值少于能量阈值(是能量阈值比例且随着网络的运行时间的增加而减小，E₀是节点的单位初始能量值)，要对簇头节点按照公式(2)至(13)进行轮换：

$Y=\mathrm{Min}\underset{i}{\overset{C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\mathrm{\&gamma;}\underset{j,j\&NotEqual;i}{\overset{C_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}(e^T+e^R)\&CenterDot;l_{\mathrm{ij}}+\frac{z}{\underset{j=1}{\overset{N_{C_k}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{\mathrm{ij}}})---\left(2\right)$

约束条件：

$e_{\mathrm{is}}^T+e_{\mathrm{ji}}^T+e_{j^{\&prime;}j}^T=e^T,\&ForAll;i,j,j^{\&prime;}\&Element;C_k---\left(4\right)$

$e_{\mathrm{ij}}^R+e_{{\mathrm{jj}}^{\&prime;}}^R=e^R,\&ForAll;i,j,j^{\&prime;}\&Element;C_k---\left(5\right)$

$e_{\mathrm{is}}^T\&le;{\mathrm{pE}}_i,\&ForAll;i\&Element;C_k---\left(6\right)$

$e_{\mathrm{ji}}^T\&le;{\mathrm{pE}}_j,\&ForAll;i,j\&Element;C_k---\left(7\right)$

$e_{j^{\&prime;}j}^T\&le;{\mathrm{pE}}_i,\&ForAll;j^{\&prime;},j\&Element;C_k---\left(8\right)$

$e_{{\mathrm{jj}}^{\&prime;}}^R\&le;{\mathrm{pE}}_i,\&ForAll;j,j^{\&prime;}\&Element;C_k---\left(9\right)$

$e_{\mathrm{ij}}^R\&le;{\mathrm{pE}}_j,\&ForAll;i,j\&Element;C_k---\left(10\right)$

$\underset{j\&Element;C}{\mathrm{\&Sigma;}}{z}_i^j=1,\&ForAll;i,j\&Element;C_k---\left(11\right)$

0<γ<1    (12)

z>0    (13)

其中，e^T为节点k所在的簇的簇内选出替代簇头节点后所有节点发送消息消耗的能量，和分别是节点k在的簇内的新选出的簇头i发送数据到sink、簇成员j发送数据到簇头i和簇成员j'发送数据到同一个簇内的簇成员j消耗的能量，e^R为点k所在的簇的簇内选出替代簇头节点后所有节点接收消息消耗的能量，和分别是节点k在的簇内的新选出的簇头i接收来自簇成员j的数据和簇成员j接收来自同一个簇内的簇成员的j'数据消耗的能量；l_ij为节点i的信道是否被利用，z为节点i分配的信道数，网络中每个节点分配的信道数为一个整数值；γ为一个调整系数；C_k是节点k所在簇；

采用优化方法来求解公式(2)的最小值，然后把该最小值对应的节点推举为新的簇头节点。

2.如权利要求1所述的基于有损链路状态预测无线传感网的拓扑构建方法，其特征在于：所述步骤2)中，非簇头节点根据各个簇头的可用能量、自身与相应簇头的距离以及选择加入某个簇后在簇内参与通信所消耗的能量这几种信息，结合式(14)来确定到底接受哪个簇头的邀请；

$q(i,j,r)=\frac{E_i\left(r\right)}{d_{\mathrm{ij}}^2}\&CenterDot;\frac{1}{e_j^i}---\left(14\right)$

其中，q(i,j,r)表示簇头节点i与非簇头节点j之间的引力，d_ij表示非簇头与接收到消息的簇头之间的欧式距离，E_i(r)表示当前簇头节点的能量，表示若非簇头节点选择加入某个簇后在簇内参与通信所消耗的能量；q(i,j,r)值的大小与E_i(r)成正比，与d_ij ²、成反比。

3.如权利要求1所述的基于有损链路状态预测无线传感网的拓扑构建方法，其特征在于：所述步骤3)中，若存在某个簇的簇成员数目为则对其簇成员与簇头之间按照簇内通信代价降序排列；选取距离簇头最远的个节点作为自由节点，被选择的这个节点会向其一跳邻居节点发送一个消息，统计与自己不属于同一个簇的一跳邻居；若存在簇内成员数小于且多于一个的情况，则这些簇头就会广播自己缺少的簇成员数，等待其他簇成员加入或与采用最小费用最大流的方法去争夺自由节点作为自己的簇成员。并更新自己簇成员的状态，直至达到网络的需求，调整阶段结束。