CN105592472B - 无线传感器网络拓扑方法 - Google Patents

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CN105592472B CN201610044324.4A CN201610044324A CN105592472B CN 105592472 B CN105592472 B CN 105592472B CN 201610044324 A CN201610044324 A CN 201610044324A CN 105592472 B CN105592472 B CN 105592472B
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Abstract

一种无线传感器网络拓扑方法，包括步骤：A、由基站将网络区域用六边形分割，覆盖整个区域，选取簇内中心一定区域ΩR为簇头区，簇头区内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；B、当区域内ΩR全部节点担任过簇头后，将整体分簇结构平移，再次确定簇内中心区域Ω'R，Ω'R内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；C、当节点全部担任簇头且完成通信后，进行第三次平移分簇，形成簇头区Ω”R，区Ω”R内的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据，其中所有ΩR、Ω'R和Ω”R能够将网络区域全部节点完全覆盖；D、返回步骤A。利用本发明的方法，减小了簇头与簇头间的最大传输距离，降低了整个网络节点的平均能耗，提升了网络整体生存时间。

Description

无线传感器网络拓扑方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术，特别是涉及到无线传感器的通信方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统。无线传感器网络的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络
无线传感器网络低功耗、低成本、自组织与分布式等特点是其成为信息获取的重要技术。减少能量消耗，延长网络生命周期是无线传感器网络领域的重要改进方向。经过优化的拓扑结构可以高效地利用网络的能量，延长网络生命周期，提高网络的通信效率方便数据融合和解决节点失效问题。因而近年来成为了无线传感器网络领域研究的热点与难点之一。
网络拓扑控制技术，即在保证网络连通性和覆盖度的前提下，通过一定的功率控制或骨干网节点的选择方法，剔除节点间不必要的无线通信链路，生成一个能量高效的数据转发的优化网络拓扑结构。目前网络拓扑控制的研究主要是以最大限度的延长网络的生命周期作为设计目标，网络拓扑控制可以分为两类：节点功率控制和层次型拓扑控制。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳可达邻居数目。层次型拓扑控制则利用了分簇机制。
典型的层次拓扑控制方法LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)协议提出了分簇的思想，将节点划分成簇结构，每个簇结构由簇头节点负责将簇内的数据传送到其他簇头或者直接传送到汇聚节点，在簇内普通节点将感知到的数据传送给簇头节点，从而由簇头节点形成一个接收并汇集转发数据的骨干网。这种方法大大减少了传输次数，从而减少了WSN网络整体能耗，提高了网络整体生存时间。然而该协议没有给出簇区域的分布方式，簇区域分布不合理也将耗费较大的能量。在此基础上国内外学者提出了多种分簇的改进方法，例如对网络覆盖区域采用区域分割分簇方法，如等边三角形、五边形、正六边形等对整个网络区域分割。一些现有技术基于传统GAF网格法提出了XGAF法，将正方形网格用等边三角形、正四边形、正六边形替代。传统的GAF网格法将整个网络划分成许多相等的虚拟的正方形网格，每个网格中只有一个节点处于活动状态负责传递数据包，由于正方形只有四个相邻单元，因此并不是最节能方式。其作者研究发现正六边形的XGAF法网络能耗最小，而正方形的XGAF具有最优覆盖度。
簇头节点承担了收集簇内各个普通节点的信息以及将这些信息融合整理并转发给基站的工作，其能量消耗远大于普通节点，若簇内有N个节点，簇头消耗的能量接近非簇头节点的N倍，所以所有节点都将轮流担任簇头工作，这样能量消耗才能平衡。簇头的选择方法已经不重要。
现有的分簇方法中，分簇结构固定，当簇头选择在区域边缘时，簇头和节点通信将消耗较多能量，尤其当簇头位于距离传输目的较远的簇区域一侧时，消耗了更多能量。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中的簇头位置固定导致能量消耗高的问题，提出一种无线传感器网络拓扑方法，所述方法中能减小分簇头节点与簇头的平均距离，降低整个无线传感器网络节点的平均能耗。
为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
一种无线传感器网络拓扑方法，包括步骤：
A、由基站将网络区域用六边形分割，覆盖整个区域，选取簇内中心一定区域ΩR为簇头区，簇头区内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
B、当区域内ΩR全部节点担任过簇头后，将整体分簇结构平移，再次确定簇内中心区域Ω'R，Ω'R内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
C、当节点全部担任簇头且完成通信后，进行第三次平移分簇，形成簇头区Ω”R，簇头区Ω”R内的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据，其中所有ΩR、Ω'R和Ω”R能够将网络区域全部节点完全覆盖；
D、返回步骤A。
特别地，步骤A前还包括：
A0、基站向网络区域内的所有节点发送请求信息，所有节点依次向基站发送自己的位置和能量信息。
在步骤A中，所述六边形的簇数和半径为：
Figure BDA0000912808770000041
Figure BDA0000912808770000042
其中εfs是自由空间模型的路径损耗参数，M是网络区域的边长，εmp是多路衰减模型的路径损耗参数，dtoBS代表网络边缘到基站的距离。
步骤A、B和C中所述ΩR、Ω'R和Ω”R以六边形中心位置为原点，是以
Figure BDA0000912808770000043
为边长的六边形区域。
本发明还包括一种无线传感器网络拓扑方法，包括步骤：
A、由基站将网络区域用正方形分割，覆盖整个区域，选取簇内中心一定区域ΩR为簇头区，簇头区内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
B、当区域内ΩR全部节点担任过簇头后，将整体分簇结构平移，再次确定簇内中心区域Ω'R，Ω'R内节点轮流担任簇头，完成本轮通信，其中所有ΩR和Ω'R能够将网络区域全部节点完全覆盖；
C、返回步骤A。
在步骤A中，所述四边形的簇数和半径为：
Figure BDA0000912808770000051
Figure BDA0000912808770000052
其中εfs是自由空间模型的路径损耗参数，M是网络区域的边长，εmp是多路衰减模型的路径损耗参数，dtoBS代表网络边缘到基站的距离。
步骤A和B中所述ΩR和Ω'R以正方形中心位置为原点，是以
Figure BDA0000912808770000053
为边长的菱形区域。
通过采用本发明的无线传感器网络拓扑方法，使得簇头区完全覆盖了网络中的节点，网络能量消耗更加均衡，簇头区的设置减小了非簇头节点与簇头的平均距离和最大距离，同时也减小了簇头与簇头间的最大传输距离，降低了整个网络节点的平均能耗，提升了网络整体生存时间。
附图说明
图1为根据本发明具体实施方式的区域平移分簇方法流程示意图。
图2为根据本发明具体实施方式的六边形分簇簇中心平移方向示意图。
图3为根据本发明具体实施方式的六边形簇平移方向示意图。
图4为根据本发明具体实施方式的三次平移后簇头区域完全覆盖示意图。
图5为根据本发明具体实施方式的四边形分簇结构示意图。
图6为根据本发明具体实施方式的四边形分簇平移方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。
以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
假设网络模型：传感器节点随机分布在M*M的正方形网络区域上，节点同质同构初始能量有限且相等，传感器节点和基站(汇聚节点)位置均固定。
当簇头节点确定自己当选为簇头后，簇内的节点将自己的信息发送给簇头，簇头节点收到所有簇内节点的信息后进行数据融合并发送给基站或通过其他簇头转发到基站。
第一具体实施方式
用正六边形对整个网络进行划分。
在初始时，基站向监测区域内的所有节点发送请求信息，所有节点依次向基站发送自己的位置和能量信息。基站收到节点的信息进行计算并分簇。
确定最优簇数kopt和六边形半径R分别为：
Figure BDA0000912808770000071
Figure BDA0000912808770000072
其中εfs是自由空间模型的路径损耗参数；εmp是多路衰减模型的路径损耗参数；dtoBS代表网络边缘到基站的距离。
设a，b为整数，分别表示正方形监测区域边缘横向、纵向分簇的排列个数，使其满足
Figure BDA0000912808770000073
对于未被分簇覆盖的边缘区域的节点加入相邻分簇区域。
S1传感器网络分簇及通信
S1.1确定分簇区域
基站通过计算得到最优簇数kopt和六边形的边长R，六边形的中心位置及其分簇区横向纵向排列个数，监测区域内的节点根据位置信息计算自己距离六边形中心的距离，加入距离最近的六边形簇。
S1.2确定簇头区
簇头的选择区域限制在分簇区域中间部位称为簇头区。
若簇头节点位于分簇中心，区域内的普通节点与其距离的平方和相比簇头在簇内的其他位置时的距离平方和为最小，由于节点能量消耗与传输距离成正比，因此簇头节点位于分簇中心时能量消耗最小。
簇头区ΩR选择以六边形中心位置为原点，
Figure BDA0000912808770000074
为边长的六边形区域，如图2所示。考虑到簇头区域需要平移三次，簇头区中心从图2中的A点平移到B点和C点，节点根据自身位置信息与所有簇头区中心的距离远近确定是否属于本次的簇头区。
簇头区域内的节点按照距离六边形中心位置的远近由近及远地或按照其他规律轮流担任簇头，如图2。簇头运行时间应等于本轮通信时间除以簇头区节点数。
S1.3通信
簇头运行时间应等于本轮通信时间除以簇头区节点数。簇头区ΩR内的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据。
S2第一次交替平移分簇结构
S2.1交替平移分簇结构
当簇头区内的节点都轮流担任簇头节点后网络进行再次分簇，即平移簇结构。
平移簇结构R(边长)距离使中心落在原六边形中心右侧端点，如图2中的B点。然后把最右一列移分簇结构至最左，从而保证覆盖范围，如图3所示。
S2.2确定簇头区Ω'R，以此时的六边形中心为中心，选取边长为
Figure BDA0000912808770000081
的六边形作为簇头区，节点根据位置信息确定是否属于簇头区。
S2.3平移后的分簇区通信，簇头区Ω'R内的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据。
S3第二次平移分簇区并传输数据
S3.1第二次平移后的六边形簇中心落在原中心右下端点——图2中的C点，然后将最下一行分簇区域移至最上，此时三次分簇的六边形中心构成边长为R的正三角形。
S3.2选取边长为
Figure BDA0000912808770000091
的六边形作为簇头区Ω”R，节点根据位置信息确定是否属于簇头区。三次簇头区的叠加能够使监测区域完全覆盖，如图3。
S3.3平移后的簇头区第三次平移后通信，簇头区Ω”R内的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据。
S4当范围内的节点都轮流担任过簇头节点后，平移簇结构回到初次分簇位置，继续步骤S1。见图2、图3和图3。
因此，本发明包括一种无线传感器网络拓扑方法，所述方法包括步骤：
A、由基站将网络区域用六边形分割，覆盖整个区域，选取簇内中心一定区域ΩR为簇头区，簇头区内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
B、当区域内ΩR全部节点担任过簇头后，将整体分簇结构平移，再次确定簇内中心区域Ω'R，Ω'R内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
C、当节点全部担任簇头且完成通信后，进行第三次平移分簇，形成簇头区Ω”R，簇头区Ω”R内的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据，其中所有ΩR、Ω'R和Ω”R能够将网络区域全部节点完全覆盖；
D、返回步骤A。
其中在步骤A之前还包括：
A0、基站向网络区域内的所有节点发送请求信息，所有节点依次向基站发送自己的位置和能量信息。
另外，所述六边形的簇数和半径为：
Figure BDA0000912808770000101
Figure BDA0000912808770000102
其中εfs是自由空间模型的路径损耗参数，M是网络区域的边长，εmp是多路衰减模型的路径损耗参数，dtoBS代表网络边缘到基站的距离。
特别地，步骤A、B和C中所述ΩR、Ω'R和Ω”R以六边形中心位置为原点，是以
Figure BDA0000912808770000103
为边长的六边形区域。
下面来说明本发明无线传感器网络拓扑方法所带来的技术效果。
假设发送节点u与接收节点v的距离为x。一种普遍使用的简单模型可以估计发送消息从节点u到节点v所消耗的能量如下：
Eu,v＝xα (3)
其中α是一个大于等于2的常数。本示例中采用α＝2的模型，对于六边形分簇模型，平移分簇方法三轮时间簇内完成的传输功能与传统不平移方法六边形簇内完成的传输功能相等。但平移分簇方法能量消耗明显减少。
实际应用中，传感器节点不可能每次传输数据前计算传输距离，调整发送功率。通常簇内通信可设置一个功率值，保证所有簇内通信都能到达；簇头与簇头之间的通信再设置一功率值，供簇头间发送数据使用。
为保证簇内非簇头节点能与簇头区内任意簇头通信，需计算节点的通信最大传输距离，区域平移分簇方法节点间最大传输距离为
Figure BDA0000912808770000111
而现有技术中的六边形分簇方法节点间最大传输距离为r2＝2R，r1＜r2根据式(3)可知，距离越远能量消耗越大，因此区域平移分簇方法簇内能耗小于传统的六边形分簇方法。
而采用本发明具体实施方式中的无线传感器网络拓扑方法，簇头间通信的最大距离为
Figure BDA0000912808770000112
传统的不平移分簇区方法，簇头间通信的最大距离为
Figure BDA0000912808770000113
根据公式(3)可知，区域平移分簇方法簇间能耗为传统方法的1/3，因此区域平移分簇方法簇间传输能耗也小于传统的六边形分簇方法。
本发明具体实施方式中的无线传感器网络拓扑方法平移前后簇头区完全覆盖了网络中的节点，网络能量消耗更加均衡，簇头区的设置减小了非簇头节点与簇头的平均距离和最大距离，同时也减小了簇头与簇头间的最大传输距离，降低了整个网络节点的平均能耗，提升了网络整体生存时间。
第二具体实施方式
用四边形对整个网络进行划分。
(1)分簇阶段
在初始时，基站向监测区域内的所有节点发送请求信息，所有节点依次向基站发送自己的位置和能量信息。基站收到节点的信息进行计算并分簇，基站通过计算得到最优簇数kopt和四边形的边长R及其中心位置，根据监测区域内的节点位置信息划分四边形分簇区域，如图5所示。
(2)簇头选择阶段
使得簇头的选择范围在以四边形中心位置为中心，边长为
Figure BDA0000912808770000121
的菱形区域内，如图5中的虚线菱形区域，即簇头区。区域内的节点按照某种规律轮流作为簇头。
(3)交替平移分簇结构
当簇头区的节点都轮流担任过簇头节点后进行再次分簇，平移簇结构使中心落在原四边形右下侧端点上，如图6所示。平移边长R后，簇中心落在原来簇的边缘上。由图可以看出，平移前后簇头选择区域可以覆盖整个监测区域。当簇头区范围内的节点都轮流担任过簇头节点后簇结构再次平移回初始分簇结构。
因此本发明还包括一种无线传感器网络拓扑方法，所述无线传感器网络拓扑方法包括步骤：
A、由基站将网络区域用正方形分割，覆盖整个区域，选取簇内中心一定区域ΩR为簇头区，簇头区内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
B、当区域内ΩR全部节点担任过簇头后，将整体分簇结构平移，再次确定簇内中心区域Ω'R，Ω'R内节点轮流担任簇头，完成本轮通信，其中所有ΩR和Ω'R能够将网络区域全部节点完全覆盖；
C、返回步骤A。
在步骤A中，所述四边形的簇数和半径为：
Figure BDA0000912808770000131
Figure BDA0000912808770000132
其中εfs是自由空间模型的路径损耗参数，M是网络区域的边长，εmp是多路衰减模型的路径损耗参数，dtoBS代表网络边缘到基站的距离。
特别地，步骤A和B中所述ΩR和Ω'R以正方形中心位置为原点，是以
Figure BDA0000912808770000133
为边长的菱形区域。
需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络拓扑方法，包括步骤：
S1、由基站将网络区域用六边形分割，覆盖整个区域，选取簇内中心一定区域ΩR为簇头区，簇头区内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
S1具体包括：
S1.1确定分簇区域
基站通过计算得到最优簇数kopt和网络区域六边形的边长R，网络区域六边形的中心位置及其分簇区横向纵向排列个数，监测区域内的节点根据位置信息计算自己距离网络区域六边形中心的距离，加入距离最近的六边形簇；
S1.2确定簇头区
簇头的选择区域限制在分簇区域中间部位称为簇头区；
若簇头节点位于分簇中心，区域内的普通节点与其距离的平方和相比簇头在簇内的其他位置时的距离平方和为最小；
簇头区ΩR选择以网络区域六边形中心位置为原点，
Figure FDA0002262210420000011
为边长的六边形区域，考虑到簇头区域需要平移两次，节点根据自身位置信息与所有簇头区中心的距离远近确定是否属于本次的簇头区；
簇头区域内的节点按照距离簇头区六边形中心位置的远近由近及远地轮流担任簇头，簇头运行时间等于本轮通信时间除以簇头区节点数；
S1.3通信
簇头区ΩR内的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据；
S2、当区域内ΩR全部节点担任过簇头后，将整体分簇结构平移，再次确定簇内中心区域Ω'R，Ω'R内节点轮流担任簇头，完成本轮通信；
S2具体包括：
S2.1交替平移分簇结构
当簇头区内的节点都轮流担任簇头节点后网络进行再次分簇，即平移簇结构；
平移簇结构边长R距离使中心落在网络区域六边形中心右侧端点，然后把最右一列移分簇结构至最左，从而保证覆盖范围；
S2.2确定簇头区Ω'R，以此时的簇头区六边形中心为中心，选取边长为
Figure FDA0002262210420000021
的六边形作为簇头区，节点根据位置信息确定是否属于簇头区；
S2.3平移后的分簇区通信，簇头区Ω'R内的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据；
S3、当节点全部担任簇头且完成通信后，进行第二次平移分簇，形成簇头区Ω”R，簇头区Ω”R内的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据，其中所有ΩR、Ω'R和Ω”R能够将网络区域全部节点完全覆盖；
S3具体包括：
S3.1第二次平移后的簇头区六边形簇中心落在原中心右下端点，然后将最下一行分簇区域移至最上，此时三次分簇的簇头区六边形中心构成边长为R的正三角形；
S3.2选取边长为
Figure FDA0002262210420000031
的六边形作为簇头区Ω”R，节点根据位置信息确定是否属于簇头区；三次簇头区的叠加能够使监测区域完全覆盖；
S3.3平移后的簇头区第二次平移后通信，簇头区Ω”R内的节点轮流担任簇头，收集并转发簇内节点的数据；
S4、当范围内的节点都轮流担任过簇头节点后，平移簇结构回到初次分簇位置，继续步骤S1；
步骤S1前还包括：
S0、基站向网络区域内的所有节点发送请求信息，所有节点依次向基站发送自己的位置和能量信息；
所述网络区域六边形的簇数和边长为：
Figure FDA0002262210420000032
Figure FDA0002262210420000033
其中εfs是自由空间模型的路径损耗参数，M是正方形网络区域的边长，N是节点数量，εmp是多路衰减模型的路径损耗参数，dtoBS代表网络边缘到基站的距离；
设a，b为整数，分别表示正方形网络区域边缘横向、纵向分簇的排列个数，使其满足
Figure FDA0002262210420000034
对于未被分簇覆盖的边缘区域的节点加入相邻分簇区域；
步骤S1、S2和S3中所述ΩR、Ω'R和Ω”R以网络区域六边形中心位置为原点，是以
Figure FDA0002262210420000035
为边长的六边形区域。
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