CN114363850B - 一种基于无线传感器网络紧密度中心性的抗毁性增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于无线传感器网络紧密度中心性的抗毁性增强方法。无线传感器网络常因能量耗尽、硬件故障或者遭遇攻击等原因导致节点失效，使得原本连通的网络拓扑分割，甚至导致全局网络受损。因此，研究抗毁性对解决无线传感器网络规模化应用瓶颈具有重要的理论价值。本发明提出了一种无线传感器网络紧密度中心性度量方法，并根据此方法确定在网络中添加的异构节点的位置。进一步，分析了网络的生命周期，依照本发明提出的增加异构节点的方法，可使网络的抗毁性得到极大的提高。

Description

一种基于无线传感器网络紧密度中心性的抗毁性增强方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络紧密度中心性的抗毁性增强方法的研究。

背景技术

无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类的未来生活方式产生巨大的影响，信息化，智能化，万物互联都与之息息相关。虽然无线传感器网络的传感器节点数量庞大,但容易失效,极易出现因网络中部分节点的失效而导致原本连通的网络拓扑分割，大大降低网络的覆盖度，甚至使网络失效。

在无线传感网络中，簇头节点因要承担收集并转发簇内节点所感知信息的任务所以能量消耗较快，靠近Sink节点的簇头节点因承担更多的转发任务而使能量消耗得更快。为解决这种因负载不均匀导致的网络能量消耗过大过快的问题。

本发明在网络中加入可与Sink节点直接通信的异构节点，该异构节点能量可补充。通过异构节点与Sink之间形成的超级链路作为捷径来构造具有小世界效应的异构传感器网络。通过提出无线传感器网络紧密度中心性指标，在网络紧密度中心性较低的位置加入异构节点，可均匀网络的整体中心性，降低原先少数重要节点的重要性，提高网络的抗毁性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于无线传感器网络紧密度中心性的抗毁性增强方法为无线传感器网络的抗毁性提升提供理论基础，可广泛应用于物联网等相关领域。

为达到上述目的，本发明提出一种基于无线传感器网络紧密度中心性的抗毁性增强方法，具体包括建立传感器网络监测模型和确定异构节点的位置两个基本步骤。

步骤一，在本发明的一个实施例中，所述建立传感器网络监测模型进一步包括：对待监测区域进行网格化处理，以密度为gs均匀划分网格，得到Q个网格点。除已有传感器节点的位置外，所有网格点都可作为添加异构节点的位置，假设有M个网格点可作为添加异构节点的位置。

在二维监测区域中随机部署传感器节点，并设置一个汇聚节点Sink，通过添加一个异构节点，提高网络的抗毁性；异构节点具有能量可补充，传输距离远的特点，可直接与Sink通信。

步骤二，在本发明的一个实施例中，所述确定异构节点的位置进一步包括：

异构节点的初始位置为h(u_c,v_c)，网络中部署的节点按DEEC算法进行分簇后，共有N个簇头节点，它们的位置为v_i(x_i,y_i)，i＝1,2,…,N，Sink节点的位置为(x_m,y_m)；簇头节点的数据传输方式分为簇头节点直接采用的多跳传输的方式将数据传输至Sink节点或通过超级链路将数据传输至Sink节点；

假设网络中有S个簇头节点直接通过多跳传输的方式将数据传输至Sink节点，H个簇头节点通过超级链路将数据传达至Sink节点，满足H+S＝N；

S个簇头节点将数据直接多跳传输至Sink时，簇头节点v_i通过贪婪算法(所有邻居簇头节点中距离Sink节点最近的簇头节点作为下一跳的选择)寻找到将数据传送至Sink节点的最短传输路径，设置簇头节点v_i将数据传输至Sink节点的距离为给传输路径中的中继簇头节点标号，假设有j个中继簇头节点坐标为(γ_n，δ_n)，n＝1,2,…,j，传输距离公式如下所示：

同理，H个簇头节点v_i通过异构节点的超级链路将数据传输至Sink节点时，簇头节点v_i同样通过贪婪算法寻找到所有邻居簇头节点到异构节点h的最短传输路径，设置簇头节点v_i将数据传输至异构节点h的距离为d_i ^h，当数据传输至异构节点后，异构节点再通过超级链路将数据传输至Sink节点；给传输路径中的中继簇头节点标号，假设有l个中继簇头节点，坐标为(α_n，β_n)，n＝1,2,…,l，传输距离公式如下所示：

根据簇头节点到异构节点的传输距离d_i ^h和到Sink节点的传输距离d_i ^s判断簇头节点的数据传输方式，当d_i ^s≥d_i ^h时，则簇头节点通过异构节点与Sink节点间的超级链路将数据传输至Sink节点；当d_i ^s<d_i ^h时，则簇头节点直接多跳传输至Sink节点，如簇头节点v₁，经多跳传输至Sink节点的的距离要小于到异构节点的距离，因此，其直接将数据多跳传输至Sink节点；

当d_i ^s≥d_i ^h时，簇头节点通过异构节点与Sink节点间的超级链路将数据传输至Sink节点，此时，d_is＝d_i ^h；当d_i ^s<d_i ^h时，簇头节点直接多跳传输至Sink节点，此时，d_is＝d_i ^s；

提出基于无线传感器网络紧密度中心性的指标，定义为在无线传感器网络中，传感器节点到汇聚节点Sink的最短距离的倒数，如下公式所示：

其中，d_is是从节点i到Sink节点的最短路径距离，数据从节点i到Sink节点的单向传输；

再根据无线传感器网络紧密度公式计算得到每个簇头相应的无线传感器网络紧密度的值，并将它们从高到低进行排序；

确定无线传感器网络紧密度值最小和次小的簇头节点连线的中点位置为异构节点的位置，异构节点与Sink节点可以直接建立捷径进行通信；

由此提高了网络中多数无线传感器网络紧密度小的节点的无线传感器网络紧密度，从而均匀了网络的整体中心性，降低了原先少数重要节点的重要性，提高了网络的抗毁性。

网络的抗毁性可通过分析网络的死亡的生命周期进行衡量。本发明通过对比DEEC算法，如发明书附图2所示，可以看出，本发明提出的方法WSNCC节点死亡速度要比DEEC算法的慢很多，WSNCC方法节点全部死亡为第4952轮，而DEEC算法节点全部死亡为第2857轮，即WSNCC方法生命周期比DEEC算法延长了57.6％。因此，本发明提出的方法可以有效提高传感器网络的抗毁性。

附图说明

图1为本发明实施例的一种增强网络抗毁性的异构节点优化部署方法流程图；

图2为本发明实施例的网络的生命周期对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的意义。下面所描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明是针对无线传感器网络的安全性，提出的一种基于无线传感器网络紧密度中心性的抗毁性增强方法。

为了能够对本发明有更清楚的理解，在此进行简要描述。本发明包括两个基本步骤：步骤一，建立传感器网络监测模型；步骤二，确定异构节点的位置。

具体的，图1所示为本发明实施例的一种增强网络抗毁性的异构节点优化部署方法的流程图，包括以下步骤：

步骤S101，建立传感器网络监测模型。

在本发明的一个实施例中，首先，对待监测区域进行网格化处理，以密度为gs均匀划分网格，得到Q个网格点。除已有传感器节点的位置外，所有网格点都可作为添加异构节点的位置，共有M个网格点可作为部署异构节点的位置。

在二维监测区域中随机部署传感器节点，并设置一个汇聚节点Sink，通过添加一个异构节点，提高网络的抗毁性；异构节点具有能量可补充，传输距离远的特点，可直接与Sink通信。

步骤S102，确定异构节点的位置。

在本发明的一个实施例中，异构节点的初始位置为h(u_c,v_c)，网络中部署的节点按DEEC算法进行分簇后，共有N个簇头节点，它们的位置为v_i(x_i,y_i)，i＝1,2,…,N，Sink节点的位置为(x_m,y_m)；簇头节点的数据传输方式分为簇头节点直接采用的多跳传输的方式将数据传输至Sink节点或通过超级链路将数据传输至Sink节点；

假设网络中有S个簇头节点直接通过多跳传输的方式将数据传输至Sink节点，H个簇头节点通过超级链路将数据传达至Sink节点，满足H+S＝N；

S个簇头节点将数据直接多跳传输至Sink时，簇头节点v_i通过贪婪算法(所有邻居簇头节点中距离Sink节点最近的簇头节点作为下一跳的选择)寻找到将数据传送至Sink节点的最短传输路径，设置簇头节点v_i将数据传输至Sink节点的距离为给传输路径中的中继簇头节点标号，假设有j个中继簇头节点坐标为(γ_n，δ_n)，n＝1,2,…,j，传输距离公式如下所示：

同理，H个簇头节点v_i通过异构节点的超级链路将数据传输至Sink节点时，簇头节点v_i同样通过贪婪算法寻找到所有邻居簇头节点到异构节点h的最短传输路径，设置簇头节点v_i将数据传输至异构节点h的距离为d_i ^h，当数据传输至异构节点后，异构节点再通过超级链路将数据传输至Sink节点；给传输路径中的中继簇头节点标号，假设有l个中继簇头节点，坐标为(α_n，β_n)，n＝1,2,…,l，传输距离公式如下所示：

根据簇头节点到异构节点的传输距离d_i ^h和到Sink节点的传输距离d_i ^s判断簇头节点的数据传输方式，当d_i ^s≥d_i ^h时，则簇头节点通过异构节点与Sink节点间的超级链路将数据传输至Sink节点；当d_i ^s<d_i ^h时，则簇头节点直接多跳传输至Sink节点，如簇头节点v₁，经多跳传输至Sink节点的的距离要小于到异构节点的距离，因此，其直接将数据多跳传输至Sink节点；

当d_i ^s≥d_i ^h时，簇头节点通过异构节点与Sink节点间的超级链路将数据传输至Sink节点，此时，d_is＝d_i ^h；当d_i ^s<d_i ^h时，簇头节点直接多跳传输至Sink节点，此时，d_is＝d_i ^s；

提出基于无线传感器网络紧密度中心性的指标，定义为在无线传感器网络中，传感器节点到汇聚节点Sink的最短距离的倒数，如下公式所示：

其中，d_is是从节点i到Sink节点的最短路径距离，数据从节点i到Sink节点的单向传输；

再根据无线传感器网络紧密度公式计算得到每个簇头相应的无线传感器网络紧密度的值，并将它们从高到低进行排序；

确定无线传感器网络紧密度值最小和次小的簇头节点连线的中点位置为异构节点的位置，异构节点与Sink节点可以直接建立捷径进行通信；

由此提高了网络中多数无线传感器网络紧密度小的节点的无线传感器网络紧密度，从而均匀了网络的整体中心性，降低了原先少数重要节点的重要性，提高了网络的抗毁性。

网络的抗毁性可通过分析网络的死亡的生命周期进行衡量。本发明通过对比DEEC算法，如发明书附图2所示，可以看出，本发明提出的方法WSNCC节点死亡速度要比DEEC算法的慢很多，WSNCC方法节点全部死亡为第4952轮，而DEEC算法节点全部死亡为第2857轮，即WSNCC方法生命周期比DEEC算法延长了57.6％。因此，本发明提出的方法可以有效提高传感器网络的抗毁性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (1)

1.一种基于无线传感器网络紧密度中心性的抗毁性增强方法，其特征在于：

在二维监测区域中随机部署传感器节点，并设置一个汇聚节点Sink，通过添加一个异构节点，提高网络的抗毁性；异构节点具有能量可补充，传输距离远的特点，可直接与Sink通信；

对二维监测区域进行网格划分，除已有传感器节点的位置外，所有网格点都可作为添加异构节点的位置，假设共有M个网格点可作为部署异构节点的位置；

异构节点的初始位置为h(u_c,v_c)，网络中部署的节点按DEEC算法进行分簇后，共有N个簇头节点，它们的位置为v_i(x_i,y_i)，i＝1,2,…,N，Sink节点的位置为(x_m,y_m)；簇头节点的数据传输方式分为簇头节点直接采用的多跳传输的方式将数据传输至Sink节点或通过超级链路将数据传输至Sink节点；

假设网络中有S个簇头节点直接通过多跳传输的方式将数据传输至Sink节点，H个簇头节点通过超级链路将数据传达至Sink节点，满足H+S＝N；

S个簇头节点将数据直接多跳传输至Sink时，簇头节点v_i通过贪婪算法(所有邻居簇头节点中距离Sink节点最近的簇头节点作为下一跳的选择)寻找到将数据传送至Sink节点的最短传输路径，设置簇头节点v_i将数据传输至Sink节点的距离为d_i ^s，给传输路径中的中继簇头节点标号，假设有j个中继簇头节点坐标为(γ_n，δ_n)，n＝1,2,…,j，传输距离公式(1)如下所示：

同理，H个簇头节点v_i通过异构节点的超级链路将数据传输至Sink节点时，簇头节点v_i同样通过贪婪算法寻找到所有邻居簇头节点到异构节点h的最短传输路径，设置簇头节点v_i将数据传输至异构节点h的距离为d_i ^h，当数据传输至异构节点后，异构节点再通过超级链路将数据传输至Sink节点；给传输路径中的中继簇头节点标号，假设有l个中继簇头节点，坐标为(α_n，β_n)，n＝1,2,…,l，传输距离公式(2)如下所示：

根据簇头节点到异构节点的传输距离d_i ^h和到Sink节点的传输距离d_i ^s判断簇头节点的数据传输方式，当d_i ^s≥d_i ^h时，则簇头节点通过异构节点与Sink节点间的超级链路将数据传输至Sink节点；当d_i ^s<d_i ^h时，则簇头节点直接多跳传输至Sink节点，如簇头节点v₁，经多跳传输至Sink节点的的距离要小于到异构节点的距离，因此，其直接将数据多跳传输至Sink节点；

当d_i ^s≥d_i ^h时，簇头节点通过异构节点与Sink节点间的超级链路将数据传输至Sink节点，此时，d_is＝d_i ^h；当d_i ^s<d_i ^h时，簇头节点直接多跳传输至Sink节点，此时，d_is＝d_i ^s；

提出基于无线传感器网络紧密度中心性的指标，定义为在无线传感器网络中，传感器节点到汇聚节点Sink的最短距离的倒数，如公式(3)所示：

其中，d_is是从节点i到Sink节点的最短路径距离，数据从节点i到Sink节点的单向传输；

再根据无线传感器网络紧密度公式(3)计算得到每个簇头相应的无线传感器网络紧密度的值，并将它们从高到低进行排序；

确定无线传感器网络紧密度值最小和次小的簇头节点连线的中点位置为异构节点的位置，异构节点与Sink节点可以直接建立捷径进行通信；

由此提高了网络中多数无线传感器网络紧密度小的节点的无线传感器网络紧密度，从而均匀了网络的整体中心性，降低了原先少数重要节点的重要性，提高了网络的抗毁性。