CN109889376B - 一种均衡的网络拓扑生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及网络技术领域，公开了一种均衡的网络拓扑生成方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取目标监测区域的面积，随机在区域场景中均匀分布N个子节点和1个中心节点，并以周期Ts＝1s向中心节点发送采集数据。(2)中心节点通过广播向其半径范围内发送自身位置信息；(3)中心节点获取所有子节点收集标识信息，按位置顺序形成邻居表；(4)根据邻居表建立拓扑信息表；(5)对网络进行更新。本发明基于随机分布的无线传感器子节点的监测场景，在节点随机分布的情况下，采用迭代的形式生成网络拓扑，在每一次迭代选择最优节点的过程中，均衡网络中的无线传输链路，最终得到均衡的拓扑结构，达到延长网络寿命的目的。

Description

一种均衡的网络拓扑生成方法
技术领域
本发明涉及网络技术领域，尤其涉及了一种均衡的网络拓扑生成方法。
背景技术
近年来，随着信息技术的发展，信息的收集与分析得到了越来越广泛的关注，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)由此应运而生。WSN是一种由大量具有信息采集、处理及传输功能的传感器子节点以自组织的形势构成的无线网络，整个网络具有感知整片监测区域关键信息的能力，在通常的无线传感器场景下，传感器子节点通过自组织的方式形成一个整体的网络拓扑结构，并将自身采集的数据通过拓扑结构对应链路进行传递，最后由汇聚节点(Sink)收集所有数据并上传至远端基站或服务器。尤其对于一些如军事监测和环境监测等环境较为恶劣的应用场景，采用无线传感器网络采集场景信息是最切实可行的解决方案。与此同时，无线传感器网络本身也面临众多关键问题，由于传感器子节点本身体积较小且通常采用自带电池供电的方式，节点自身的能量受到极大的约束，考虑监测场景的特殊性，人工对节点进行维护的成本相对较高，那么，如何降低无线传感器网络中的能量消耗，延长节点寿命就成为了近年来研究热点之一。
无线传感器网络中的节点的能量消耗主要可以分成两个部分，即处理器运算能耗和无线发射能耗，尤其后者占能量消耗的主要部分。由于节点采用随机投放的布置方法，场景中的节点采用自组织形势构建网络拓扑。在这种情况下，对于单一传感器子节点而言，当其处于网络无线链路的高密度区域时，节点需要更多频次的协助转发由其他节点发送过来的数据包，这也极大的增加了自身的传输次数，能量也就相对更快的耗尽。由于关键的转发节点的过早死亡，网络中其他节点向终端的数据发送链路就会中断，进而导致整个网络的死亡。由此可见，网络中的拓扑结构设计很大程度上决定了节点间的能量消耗，如何均衡网络拓扑链路，平衡节点间的传输能耗是一个重要的课题。
现有的网络拓扑结构中，树状结构是应用较为广泛的拓扑结构，而最小生成树(Minimal Spanning Tree，MST)算法是最为常用的树状拓扑构建算法。MST算法对网络中N个节点进行迭代式拓扑构建，在每一轮拓扑更新的过程中都会选取对当前网络连接更为有利的节点并将其加入网络拓扑，最终形成全局最优的树状拓扑结构。
MST所形成的的拓扑结构可以看做一个由N个节点构成的无环连通图，同时也是极小连通子图，在包含图中所有N个节点连通的同时，保证了连通图所连接的边权重最小。
然而，通过MST构建的树状网络拓扑的缺陷也较为明显，由于边权重仅考虑节点间距离的缘故，通常会导致已有网络拓扑将距离最近的点作为最优连接节点并将其之间的链路加入网络拓扑，对于一个节点随机分布的场景中，网络拓扑结构将无法达到均匀化的目的，密集链路下的网络节点死亡严重影响实际应用。
发明内容
本发明针对现有技术中传输能耗大、结构效率低的缺点，提供了一种均衡的网络拓扑生成方法。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决。
一种均衡的网络拓扑生成方法，包括如下步骤：
(1)获取目标监测区域的面积，随机在区域场景中均匀分布N个子节点和1个中心节点，子节点采用固定频率fs＝20Hz进行周期性感知数据采样，并以周期Ts＝1s向中心节点发送采集数据；
(2)中心节点通过广播向其半径范围内发送自身位置信息，子节点包括第一传感器子节点和第二传感器子节点，在半径区域内收到信息的为第一传感器子节点，第一传感器子节点收到中心节点广播消息后，第一传感器子节点通过自身广播向周边半径为Rn区域内的第二传感器子节点发送标识信息，第二传感器子节点向其它第二传感器子节点发送标识信息，直到覆盖全部区域的节点；
(3)中心节点获取所有子节点收集标识信息，按位置顺序形成邻居表；
(4)根据邻居表建立拓扑信息表；
(5)对网络进行更新，更新过程根据节点编号遍历现有网络的拓扑信息表中所有节点的邻居表，并计算所有邻节点贡献度函数C，将最大贡献度所对应的节点添加入网络拓扑信息表中，跳数为节点i加入拓扑后所连接的节点j的跳数加1，以此迭代直到所有N个节点都加入网络拓扑。
作为优选，步骤(2)中，标识信息为每个子节点具有ID标识和中心点位置信息。
作为优选，步骤(4)中，拓扑信息表包括中心节点信息，中心节点信息包括中心节点编号、位置信息和跳数。
4.根据权利要求1所述的一种均衡的网络拓扑生成方法，其特征在于：步骤(4)中，函数为C的计算公式为：
Figure BDA0001960233920000031
其中，参数di为无线传感器子节点i与已有拓扑结构中邻节点的距离，
Figure BDA0001960233920000032
用于在已有拓扑结构的可连接区域内搜索新节点加入树状拓扑结构，参数hi为新节点i加入网络拓扑结构后到中心节点所需跳数，
Figure BDA0001960233920000041
起到平衡网络拓扑的作用，参数α及λ属于基于场景的相关均衡化参数设计，根据推导可知需满足下式条件：
Figure BDA0001960233920000042
Figure BDA0001960233920000043
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明基于随机分布的无线传感器子节点的监测场景，针对MST算法所产生的非均匀拓扑结构带来的节点能量消耗不均匀，导致网络更早死亡的问题，提出了一种均衡的最小生成树算法来构建无线网络拓扑结构，在节点随机分布的情况下，采用迭代的形式生成网络拓扑，在每一次迭代选择最优节点的过程中，将节点在网络拓扑中的跳数和邻节点间距离作为综合选择条件，均衡网络中的无线传输链路，最终得到均衡的拓扑结构，达到延长网络寿命的目的。
附图说明
图1是本发明一种均衡的网络拓扑生成方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1所示，一种均衡的网络拓扑生成方法，包括如下步骤：
(1)获取目标监测区域的面积，随机在区域场景中均匀分布N个节点和1个中心节点(Sink节点)，节点采用预设模式进行周期性的感知数据的采集，并定时向中心节点发送数据；
(2)中心节点通过广播向其半径Rs范围内发送自身位置信息，节点包括第一传感器子节点和第二传感器子节点，在半径区域内收到信息的为第一传感器子节点，第一传感器子节点收到中心节点广播消息后，第一传感器子节点通过自身广播向周边半径为Rn区域内的第二传感器子节点发送标识信息，第二传感器子节点向其它第二传感器子节点发送标识信息，直到覆盖全部区域的节点；
(3)中心节点获取所有节点收集标识信息，形成邻居表；
(4)建立拓扑信息表；
(5)设网络空闲节点贡献函数为C；
(6)对网络拓扑进行更新，每一轮更新过程根据节点编号遍历现有网络的拓扑信息表中所有节点的邻居表，并计算所有邻节点贡献度函数C，将最大贡献度所对应的节点添加入网络拓扑信息表中，跳数为节点i加入拓扑后所连接的节点j的跳数加1，以此迭代直所有N个节点均已加入网络拓扑。
步骤(2)中，标识信息为每个无线传感器子节点具有ID标识和中心点位置信息。
步骤(4)中，拓扑信息表包括中心节点信息，中心节点信息包括中心节点编号、位置信息和跳数。
步骤(4)中，函数为C的计算公式为：
Figure BDA0001960233920000051
其中参数di为无线传感器子节点i与已有拓扑结构中邻节点的距离，
Figure BDA0001960233920000052
用于在已有拓扑结构的可连接区域内搜索新节点加入树状拓扑结构，参数hi为新节点i加入网络拓扑结构后到中心节点所需跳数，
Figure BDA0001960233920000061
起到平衡网络拓扑的作用，若新节点将加入的路径较长则对网络贡献造成的负影响越大，对网络平衡贡献越小，贡献函数C越小，所以，参数α及λ属于基于场景的相关均衡化参数设计，根据推导可知需满足下式条件：
Figure BDA0001960233920000062
Figure BDA0001960233920000063
实施例2
在一个面积大小为5*5的方形区域中布置100个子节点和1个中心节点(Sink节点)，将中心节点布置于节点中心区域，并将100个子节点随机分布，根据公式计算：
Figure BDA0001960233920000064
Figure BDA0001960233920000065
上述公式中N表示网络中的节点总数，S表示网络的面积，e为常数，则根据①公式可以得到一个λ值，通过①式得到的λ带入②式可以得到α，然后才是得到C。
可以得到λ＝1且α＝120。根据此时拓扑信息表计算所有可连接节点的网络贡献函数C。此时可连接节点号为[26，40，42，55，64，80，86]，对应到达网络的距离分别为d＝[1.57，0.83，0.80，1.80，0.88，1.50，0.28]，此时节点到网络的跳数均为h＝1。
邻居表格式如下：
节点编号 1 2 …… N
邻居标识 0 1 …… 1
其中标示为1标示为该节点为中心节点邻居，0为非邻居。
拓扑信息表格式为：
Figure BDA0001960233920000071
路径编号唯一标示该路径名称，对应路径下节点编号排列由左往右表示该路径下节点传播顺序，以1号路径为例，最后传递的节点为10，初始传递节点为6，以此从6到10号节点一路进行数据传递，最后由10号节点发送到中心节点。
代入公式可以得到，节点86的网络贡献度为1272.79，为所有节点的最大值。即将节点86加入网络，此时网络拓扑由中心节点和86号节点构成，进行下一轮最大贡献度节点选取，直到所有节点完成选取。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种均衡的网络拓扑生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取目标监测区域的面积，随机在区域场景中均匀分布N个子节点和1个中心节点，子节点采用固定频率fs＝20Hz进行周期性感知数据采样，并以周期Ts＝1s向中心节点发送采集数据；
(2)中心节点通过广播向其半径范围内发送自身位置信息，子节点包括第一传感器子节点和第二传感器子节点，在半径区域内收到信息的为第一传感器子节点，第一传感器子节点收到中心节点广播消息后，第一传感器子节点通过自身广播向周边半径为Rn区域内的第二传感器子节点发送标识信息，第二传感器子节点向其它第二传感器子节点发送标识信息，直到覆盖全部区域的节点；
(3)中心节点获取所有子节点收集标识信息，按位置顺序形成邻居表；
(4)根据邻居表建立拓扑信息表；
(5)对网络进行更新，更新过程根据节点编号遍历现有网络的拓扑信息表中所有节点的邻居表，并计算所有邻节点贡献度函数C，将最大贡献度所对应的节点添加入网络拓扑信息表中，跳数为节点i加入拓扑后所连接的节点j的跳数加1，以此迭代直到所有N个节点都加入网络拓扑；
贡献度 函数C的计算公式为：
Figure FDA0003238551100000011
其中，参数di为无线传感器子节点i与已有拓扑结构中邻节点的距离，
Figure FDA0003238551100000012
用于在已有拓扑结构的可连接区域内搜索新节点加入树状拓扑结构，参数hi为新节点i加入网络拓扑结构后到中心节点所需跳数，
Figure FDA0003238551100000013
起到平衡网络拓扑的作用，参数α及λ属于基于场景的相关均衡化参数设计，根据推导可知需满足下式条件：
Figure FDA0003238551100000021
Figure FDA0003238551100000022
其中，α是与节点间距离相关的权重系数，λ是与当前路径跳数相关的惩罚系数，i为节点的编号，S是网络部署区域的面积。
2.根据权利要求1所述的一种均衡的网络拓扑生成方法，其特征在于：步骤(2)中，标识信息为每个子节点具有ID标识和中心点位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种均衡的网络拓扑生成方法，其特征在于：步骤(4)中，拓扑信息表包括中心节点信息，中心节点信息包括中心节点编号、位置信息和跳数。
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