CN108495353A - 基于分簇的无线光传感器网络拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分簇的无线光传感器网络拓扑控制方法，主要解决现有技术网络节点能量消耗不均匀和网络拓扑不稳定的问题。其实现方案为：1、对无线光传感器网络进行初始化，节点产生随机数；2、依据无线电能量消耗模型计算无线光传感器网络中各个节点的簇半径和局部平均剩余能量；3、依据现有簇头选举阈值，以节点的剩余能量及节点到基站的距离为重要标准，设置簇头选举阈值；4、将节点产生的随机数与簇头选举阈值作比较，选举簇头和簇成员并进行分簇。本发明延长了节点的生存时间，有效地增强了网络的稳定性，使得节点能量消耗更为平均，可用于静止节点下的光通信网络拓扑控制。

Description

基于分簇的无线光传感器网络拓扑控制方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，特别涉及一种无线光传感器网络拓扑控制方法，可用于静止节点下的光通信网络拓扑控制。

背景技术

光通信是指以光波为载波的通信方式，包括光纤、无线光、以及可见光等通信技术。其中，无线光通信OWC是指采用紫外、蓝绿、红外等波段，作为通信信息的载体，以大气/海水/自由空间作为传输介质进行信息传输的通信方式。由于光通信技术的迅速发展和无线传感器技术的广泛应用，相应的无线光传感器网络也应用而生。无线光传感器网络由光学传感器节点组成，各节点间通过光信号进行信息的传递。

目前，无线光传感器领域的应用方式基本采用点对点通信，随着通信设备数量和带宽需求的增加，单纯的点对点通信已经不能满足大规模网络应用的要求，需要无线光传感器组网技术的支持。在组网技术中，拓扑控制是建立网络的最重要的技术之一，主要通过控制网络节点间通信链路的建立和节点的传输范围，以提高整个网络的连通性与稳定性等性能。

拓扑控制包括静态拓扑控制和动态拓扑控制，在节点固定情况下的通信网络，只需要静态拓扑控制使网络保持较高的连通性；传统射频无线网络拓扑控制技术已经发展相对成熟，但无线光传感器网络拓扑控制不同于传统射频无线网络，相比射频通信，无线光的束散角小，集束性高，网络拓扑结构随时都发生变化，使得无线光网络拓扑控制难度增加，更需要无线光网络拓扑控制增强网络的稳定性。

解决拓扑控制问题是无线光传感器网络发展的关键技术之一，受到学者们越来越多的关注，目前主要借鉴无线传感器网络中已经提出的一些拓扑控制方法，其中低功耗自适应聚簇分层协议LEACH较为经典，是最早应用于无线传感器网络的分簇算法协议。该协议将执行过程分成若干“轮”，并且以“轮”为周期运行。每个周期又分为簇的建立和数据传输两个阶段。网络采用分层结构，所有的传感器节点被划分成一个至多个独立的小单元，这些小单元被称作簇，每个簇都由一个簇头节点和多个簇成员节点组成。在分层结构中，每个簇内的簇头节点和簇成员节点的地位和功能并不相同，簇成员节点只负责信息的感知，并将感知数据传送到簇头节点，且任意两个簇成员节点间不进行直接通信；簇头节点不仅具有信息感知的功能，同时还承担着路由表维护、信息融合以及中继转发的责任，最后将融合处理后的信息通过单跳或者多跳方式发送到基站。网络中的所有的簇头节点构成高一层网络，在这一层里，还可以分成若干由簇头节点和簇成员节点组成的簇，依次类推直至形成最高层次的网络。但目前的LEACH协议存在以下不足：采用随机的方式进行簇头节点的选举，没有将节点的剩余能量考虑在内，采用均匀分簇的思想，没有对簇半径的大小进行考虑，导致节点能量消耗不均匀，个别节点能量消耗过快，缩短了网络的生存时间，降低了网络拓扑的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于分簇的无线光传感器网络拓扑控制方法，以降低节点能耗，延长生存时间，提高无线光传感器网络拓扑结构的稳定性。

为实现上述目的，本发明技术方案包括如下：

(1)对无线光传感器网络初始化：确定无线光传感器网络每个节点的位置信息、节点能量和节点ID，且每个节点产生一个0-1之间的随机数a；

(2)计算无线光传感器网络中局部平均剩余能量和各个节点的簇半径R_i

其中，R_i表示节点i被选举成为簇头节点后对应的簇半径；ε表示自由空间光波的能量系数，取值为4pJ/bit/m²；D_i表示节点i到基站的距离；E_{TX_PE}表示对光信号进行编码、调制和滤波后光子元器件所消耗的能量，取值为4pJ/bit；E_RX表示接收单位比特数据所需要消耗的能量，取值为60pJ/bit；表示光束的扫描角度，取值为π/3；ρ表示节点的密度；

(3)计算无线光传感器网络中各个节点成为簇头的阈值T(i)_new：

其中，r为网络已经运行的轮数；p表示网络中期望簇头节点数与总节点数的比值，p″为对p改良后的网络中期望簇头节点数与总节点数的比值；E_Cur(i)表示节点i当前的剩余能量；表示节点i的局部平均能量；d_max和d_min分别表示网络中存活节点距离基站距离的最大值和最小值；d_{To_BS}(i)表示节点i距离基站的距离；

(4)选举簇头和簇成员并进行分簇：

4a)将无线光传感器网络中节点产生的随机数a与节点成为簇头的阈值T(i)_new进行比较：

当节点产生的随机数a＜T(i)_new时，节点当选为簇头节点，执行4b)；

当a≥T(i)_new时，节点类型为簇成员节点，执行4c)；

4b)当选为簇头节点的节点发送包含簇头节点的ID号和剩余能量的广播信息，宣布自己成为簇头节点；

4c)簇成员节点根据自己接受到的广播信息强度的大小，向广播信息强度最大的簇头节点发送请求加入信息，并申请加入该簇头；

4d)簇头节点在收到簇成员节点的请求加入信息之后，更新自己的簇成员列表，并分配TDMA时隙让簇成员接入到该簇头进行数据传输。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明以无线光传感器节点的剩余能量及节点到基站的距离作为节点成为簇头的重要标准，改进了现有簇头选举阈值公式，使得簇内节点能量消耗更为平均，延长了节点的生存时间，与现有技术相比，有效地增强了网络的稳定性。

附图说明

图1为本发明的实现流程图。

具体实施方式

一、技术原理

无线光传感器网络由光学传感器节点组成，各节点间通过光信号进行信息的传递。本发明依据能量消耗模型，得到使得簇内节点平均消耗的能量最少的簇半径公式；并计算局部平均剩余能量；同时以无线光传感器的剩余能量及距离基站的作为其成为簇头的重要标准，改进了现有簇头选举阈值公式；从而选举簇头和簇成员并进行分簇实现对无线光传感器网络拓扑的控制，降低节点能耗，延长生存时间，提高无线光传感器网络拓扑结构的稳定性。

二、实现实例

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，基于分簇的无线光传感器网络拓扑控制方法，其实现步骤包括如下：

步骤1，对无线光传感器网络进行初始化。

确定无线光传感器网络每个节点的位置信息、节点能量和节点ID，且每个节点产生一个0-1之间的随机数a；

节点ID用于标识节点身份，具有唯一性，其ID值从序数1…n进行设置，n≤100，节点初始能量均为0.005焦耳，并在10m*10m区域内随机分布100个静止节点。

步骤2，依据无线电能量消耗模型计算无线光传感器网络中各个节点的簇半径公式R_i和局部平均剩余能量公式

2.1)计算无线光传感器网络中各个节点的簇半径R_i：

2.1a)设每个簇的能量消耗总和E_Cluster包含以下四个部分：簇成员节点向簇头节点发送感知数据的能量消耗E_{To_Head}；簇头节点接收簇成员节点信息的能量消耗E_R；簇头节点进行信息融合的能量消耗E_A；簇头节点向基站发送数据的能量消耗E_{To_BS}，具体表达式如下：

E_Cluster＝E_{To_Head}+E_R+E_A+E_{To_BS}；

2.1b)依据无线电能量消耗模型E＝kdⁿ，计算无线光传感器节点进行数据发送所需要消耗的能量

其中，E为消耗的能量，k为无线电模型常数，d为传输距离，为使能量能耗服从自由空间模式，n的取值为2；m表示传送数据包的比特数，表示光束的扫描角度，d表示传输距离，ε表示自由空间光波的能量系数；

2.1c)计算对m比特光信号数据包依次进行编码、调制、滤波的光子元器件所消耗的能量E_{TX_PE}(m)：

E_{TX_PE}(m)＝mE_{TX_PE}

E_{TX_PE}表示对单位光信号数据包进行编码、调制、滤波等光子元器件所消耗的能量；

2.1d)对簇半径R_i内传输数据包消耗的能量进行积分，得到簇内所有节点向簇头节点发送m比特感知数据的能量消耗E_{To_Head}：

其中，ρ表示节点的密度，R_i表示节点i被选举成为簇头节点后对应的簇半径；

2.1e)计算簇头节点接收簇成员节点信息的能量消耗E_R：

E_R＝(πρR_i ²-1)*m*E_RX

其中，E_RX表示接收单位比特数据所需要消耗的能量；

2.1f)计算簇头节点进行信息融合的能量消耗E_A：

E_A＝πρR_i ²*m*E_DA

其中，E_DA为融合单位数据消耗的能量；

2.1g)计算簇头节点向基站发送数据的能量消耗E_{To_BS}：

其中，D_i表示节点i到基站的距离；

2.1h)计算簇内节点平均消耗能量

2.1i)对簇内节点平均消耗能量公式中的R_i求导，得到无线光传感器网络中各个节点的簇半径R_i：

其中，R_i表示节点i被选举成为簇头节点后对应的簇半径；ε表示自由空间光波的能量系数，取值为4pJ/bit/m²；D_i表示节点i到基站的距离；E_{TX_PE}表示对光信号进行编码、调制和滤波后光子元器件所消耗的能量，取值为4pJ/bit；E_RX表示接收单位比特数据所需要消耗的能量，取值为60pJ/bit；表示光束的扫描角度，取值为π/3；ρ表示节点的密度；

2.2)计算无线光传感器网络局部平均剩余能量公式

其中，E_total为该区域内的节点总能量；N为该区域内的节点总数；

步骤3，设置簇头选举阈值T(i)_new。

3.1)选用现有LEACH协议中簇头节点选举的如下阈值公式T(i)：

其中，T(i)为现有LEACH协议中簇头节点选举的阈值；p表示网络中期望簇头节点数与总节点数的比值；r表示网络当前工作的轮数；G表示前1/p轮未被选为簇头节点的节点集合；

3.2)以无线光传感器节点的剩余能量及节点到基站的距离作为节点成为簇头的重要标准，为使节点成为簇头节点的概率与节点距离基站的距离成反比，与节点的剩余能量成正比，对3.1)中的网络中期望簇头节点数与总节点数的比值p进行改良，得到对p改良后的网络中期望簇头节点数与总节点数的比值p″：

其中，E_Cur(i)表示节点i当前的剩余能量；表示节点i的局部平均能量；d_max和d_min分别表示网络中存活节点距离基站距离的最大值和最小值；d_To__BS(i)表示节点i距离基站的距离；

3.3)依据3.1)中的簇头节点选举阈值公式T(i)和3.2)中的p″得到改进后的簇头选举阈值T(i)_new：

其中，r表示网络当前工作的轮数，G表示前1/p″轮未被选为簇头节点的节点集合。

步骤4，选举簇头和簇成员并进行分簇。

4.1)将无线光传感器网络中节点产生的随机数a与节点成为簇头的阈值T(i)_new进行比较：

当节点产生的随机数a＜T(i)_new时，节点当选为簇头节点，执行4.2)；

当a≥T(i)_new时，节点类型为簇成员节点，执行4.3)；

4.2)当选为簇头节点的节点发送包含簇头节点的ID号和剩余能量的广播信息，宣布自己成为簇头节点；

4.3)簇成员节点根据自己接受到的广播信息强度的大小，向广播信息强度最大的簇头节点发送请求加入信息，并申请加入该簇头；

4.4)簇头节点在收到簇成员节点的请求加入信息之后，更新自己的簇成员列表，并分配TDMA时隙让簇成员接入到该簇头进行数据传输。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.基于分簇的无线光传感器网络拓扑控制方法，包括：

(1)对无线光传感器网络初始化：确定无线光传感器网络每个节点的位置信息、节点能量和节点ID，且每个节点产生一个0-1之间的随机数a；

(2)计算无线光传感器网络中局部平均剩余能量和各个节点的簇半径R_i

其中，R_i表示节点i被选举成为簇头节点后对应的簇半径；ε表示自由空间光波的能量系数，取值为4pJ/bit/m²；D_i表示节点i到基站的距离；E_{TX_PE}表示对光信号进行编码、调制和滤波后光子元器件所消耗的能量，取值为4pJ/bit；E_RX表示接收单位比特数据所需要消耗的能量，取值为60pJ/bit；表示光束的扫描角度，取值为π/3；ρ表示节点的密度；

(3)计算无线光传感器网络中各个节点成为簇头的阈值T(i)_new：

其中，r为网络已经运行的轮数；p表示网络中期望簇头节点数与总节点数的比值，p″为对p改良后的网络中期望簇头节点数与总节点数的比值；E_Cur(i)表示节点i当前的剩余能量；表示节点i的局部平均能量；d_max和d_min分别表示网络中存活节点距离基站距离的最大值和最小值；d_{To_BS}(i)表示节点i距离基站的距离；

(4)选举簇头和簇成员并进行分簇：

4a)将无线光传感器网络中节点产生的随机数a与节点成为簇头的阈值T(i)_new进行比较：

当节点产生的随机数a＜T(i)_new时，节点当选为簇头节点，执行4b)；

当a≥T(i)_new时，节点类型为簇成员节点，执行4c)；

4b)当选为簇头节点的节点发送包含簇头节点的ID号和剩余能量的广播信息，宣布自己成为簇头节点；

4c)簇成员节点根据自己接受到的广播信息强度的大小，向广播信息强度最大的簇头节点发送请求加入信息，并申请加入该簇头；

4d)簇头节点在收到簇成员节点的请求加入信息之后，更新自己的簇成员列表，并分配TDMA时隙让簇成员接入到该簇头进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中计算无线光传感器网络中局部平均剩余能量通过如下公式计算：

其中，E_total为该区域内的节点总能量，N为该区域内的节点总数。