一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，包括以下步驟：1)匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)區(qū)域分割參數(shù)將傳感器節(jié)點(diǎn)的分布區(qū)域分別進(jìn)行橫向、縱向上的劃分，形成多個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域即是一個(gè)簇；2)匯聚節(jié)點(diǎn)通知每個(gè)簇中距離自身最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)間權(quán)值函數(shù)構(gòu)建簇內(nèi)鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)；3)匯聚節(jié)點(diǎn)廣播節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值，剩余能量高于該閾值的節(jié)點(diǎn)成為候選頭節(jié)點(diǎn)。其中，Q值最大的候選頭節(jié)點(diǎn)為每個(gè)簇的最終頭節(jié)點(diǎn)；4)以距離匯聚節(jié)點(diǎn)最近的頭節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，根據(jù)頭節(jié)點(diǎn)間的權(quán)值函數(shù)在頭節(jié)點(diǎn)間形成樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該生成樹(shù)為頭節(jié)點(diǎn)間的最小代價(jià)樹(shù)。本發(fā)明在滿(mǎn)足一定網(wǎng)絡(luò)能量均衡性的條件下，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種層次型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 構(gòu)建方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSNs)是由大量無(wú)線傳感器構(gòu)成的 自組織網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的對(duì)象信息，并將采集到的數(shù) 據(jù)傳遞給目標(biāo)用戶(hù)。由于傳感器設(shè)備通信能力有限，大都采用電池供電，能量非常有限，因 此如何減少網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是WSNs需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題。拓?fù)淇刂剖菬o(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一，在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)需要的覆蓋度和連通度的前提下，通過(guò)對(duì)傳感器節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行睡眠調(diào)度、功率控制和鄰居節(jié)點(diǎn)的選擇，形成一個(gè)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的 生存時(shí)間，降低通信干擾及MAC層競(jìng)爭(zhēng)，提高路由協(xié)議的效率，并為數(shù)據(jù)融合提供基礎(chǔ)。拓 撲構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)方式很多，其中層次型結(jié)構(gòu)是較為常見(jiàn)的一種。層次型拓?fù)淇刂仆ㄟ^(guò)分簇機(jī) 制選擇部分節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭，由簇頭形成處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的虛擬骨干網(wǎng)，普通節(jié)點(diǎn)暫時(shí)關(guān)閉 通信模塊，進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)以降低能耗。簇頭對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，減少了網(wǎng)絡(luò)中傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)包的數(shù)量。該結(jié)構(gòu)適用于分布式算法，可用于部署大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。
[0003] 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Wendi B. Heinzelman等人發(fā)表的文章 "An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks^(IEEE Tran, on Wireless Communications Vol. I, No. 4, pp. 660-670, Oct. 2002) 提出了一種目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最具代表性的層次型拓?fù)淇刂扑惴↙EACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。該方法通過(guò)周期性等概率地選取簇頭，均衡網(wǎng)絡(luò)中的 節(jié)點(diǎn)能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。然而，LEACH算法中簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇頭直接通信，距離 簇頭較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)消耗的能量較多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有一定限制。選舉簇頭時(shí)，雖然考慮了節(jié)點(diǎn)能 耗均衡性，但是不能保證簇頭在區(qū)域中的合理分布，且存在簇頭負(fù)擔(dān)不均衡的問(wèn)題。
[0004] 很多科研人員在LEACH算法的基礎(chǔ)上做出了相應(yīng)的改進(jìn)。Feng Sen等人提出了 一種基于PEGASIS協(xié)議的能量有效性拓?fù)淇刂扑惴ǎ?An Improved Energy-Efficient PEGASIS-Based Protocol in Wireless Sensor Networks，'，2011Eight International Conference on FSKD，pp. 2230-2233)。該方法的主要改進(jìn)在于網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一種 鏈狀拓?fù)?，通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)間的距離門(mén)限減少網(wǎng)絡(luò)中長(zhǎng)鏈的產(chǎn)生；選取頭節(jié)點(diǎn)時(shí)綜合考慮了 節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)自身的權(quán)值。這種多跳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)間通信距離很小，且在能量 效率和網(wǎng)絡(luò)能量均衡性方面均有所改善。然而，該算法中只需要選出一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)將處理后 的數(shù)據(jù)直接傳輸至基站，頭節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)較重，且數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延較大。在網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定階段，部 分分布較為稀疏的節(jié)點(diǎn)會(huì)因通信距離較長(zhǎng)而受到較大的影響。專(zhuān)利檢索如下：
[0005] L 申請(qǐng)?zhí)?CN201110430184. 1，
【公開(kāi)日】 2012 年 6 月 13 日
[0006] 2.申請(qǐng)?zhí)?CN200810035214. 7,
【公開(kāi)日】 2008 年 9 月 17 日
[0007] 3.申請(qǐng)?zhí)?CN201210564794. 5,
【公開(kāi)日】 2013 年 3 月 27 日
[0008] 在申請(qǐng)?zhí)枮镃N201110430184. 1的專(zhuān)利中公開(kāi)了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)分簇 算法。采用該發(fā)明可以降低網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過(guò)程中的能量消耗，層次劃分更加合理。但是該發(fā)明 不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求改變網(wǎng)絡(luò)層次的劃分。在申請(qǐng)?zhí)枮镃N200810035214. 7的專(zhuān)利中 公開(kāi)了一種基于不均勻分簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴?，降低了總體網(wǎng)絡(luò)能量消耗， 可以較好地均衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)中大部分節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的時(shí)間。但是該 發(fā)明中簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)與簇頭直接通信，距離簇頭較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)消耗的能量較多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有一 定限制。在申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210564794. 5的專(zhuān)利中公開(kāi)了一種基于局部最短路徑樹(shù)的無(wú)線 傳感網(wǎng)拓?fù)淇刂扑惴?。該發(fā)明根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的局部拓?fù)渲R(shí)，通過(guò)改進(jìn)的局部最短路徑樹(shù) 構(gòu)造方法，在使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)盡量精簡(jiǎn)的同時(shí)，降低節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、節(jié)點(diǎn)度，從而達(dá)到均衡和節(jié) 約網(wǎng)絡(luò)能耗的目標(biāo)。但是該發(fā)明形成的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且不能有效的和數(shù)據(jù)融合算 法相結(jié)合。
[0009] 本發(fā)明相對(duì)于最接近的現(xiàn)有技術(shù)其最大的特征是考慮了節(jié)點(diǎn)間通信代價(jià)和網(wǎng)絡(luò) 能量均衡性的問(wèn)題，在避免節(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生長(zhǎng)鏈的同時(shí)采用多跳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降低網(wǎng)絡(luò)能耗；同 時(shí)還考慮了根據(jù)實(shí)際需求通過(guò)調(diào)整區(qū)域分割因子來(lái)調(diào)整劃分的子區(qū)域的個(gè)數(shù)，采用本發(fā)明 能夠在均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，能有效地提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)以上現(xiàn)有的層次型拓?fù)淇刂扑惴ㄖ芯W(wǎng)絡(luò)能量均衡性較差、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間較 短、數(shù)據(jù)匯聚時(shí)延較大的問(wèn)題，綜合考慮了剩余能量、能耗和距離等因素，本發(fā)明的目的在 于提供一種均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，能有效地提高網(wǎng)絡(luò)整體性能的用 于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種用于無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其包括以下步驟：
[0011] 101、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成節(jié)點(diǎn)布置后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)向整個(gè)無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送初始化消息InitialMSG，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到InitialMSG后以不 同的退避時(shí)間T bactof向匯聚節(jié)點(diǎn)上報(bào)自己的位置及節(jié)點(diǎn)id信息，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)上報(bào)的 信息獲取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置、id、節(jié)點(diǎn)間距離信息，并統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)總數(shù)；
[0012] 102、匯聚節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)完節(jié)點(diǎn)總數(shù)后根據(jù)區(qū)域分割參數(shù)，將分布區(qū)域分別進(jìn)行橫向、 縱向的劃分，形成若干個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域即是一個(gè)簇，區(qū)域劃分完畢后，匯聚節(jié)點(diǎn)在網(wǎng) 絡(luò)中通過(guò)adverinfoMSG告知每個(gè)節(jié)點(diǎn)所屬的簇；
[0013] 103、匯聚節(jié)點(diǎn)通知每個(gè)簇中距離自身最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)間權(quán)值函數(shù)構(gòu)建簇內(nèi) 鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0014] 104、匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)adverinfoMSG廣播節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值，簇中剩余能量高于該 閾值的節(jié)點(diǎn)成為候選頭節(jié)點(diǎn)，并將該消息上報(bào)至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)選擇每個(gè)簇中節(jié)點(diǎn)剩 余能量Q值最大的候選頭節(jié)點(diǎn)為最終頭節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)adverinfoMSG廣播頭節(jié)點(diǎn)消 息，使簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)獲取頭節(jié)點(diǎn)信息；
[0015] 105、頭節(jié)點(diǎn)間不再形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，而是根據(jù)權(quán)值函數(shù)構(gòu)建最小代價(jià)樹(shù)，距離匯聚 節(jié)點(diǎn)最近的頭節(jié)點(diǎn)被指定為根節(jié)點(diǎn)，由根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始構(gòu)建頭節(jié)點(diǎn)間的樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建。
[0016] 進(jìn)一步的，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抽象為平面內(nèi)的無(wú)向簡(jiǎn)單圖G(V，E)，其中 V(G)是節(jié)點(diǎn)集合，E(G)為網(wǎng)絡(luò)中邊的集合。rmax為節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率pmax通信時(shí)的傳輸 范圍，圖中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i e V(G)和j e V(G)-{i}之間的距離為d(i，j)，那么E(G)滿(mǎn) 足 E (G) = {(i，j) : d (i，j)彡 rmax，i，j e V (G)}。

【權(quán)利要求】
1. 一種用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在于：包括以下步 驟： 101、 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成節(jié)點(diǎn)布置后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)向整個(gè)無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送初始化消息InitialMSG，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到InitialMSG后以不同的 退避時(shí)間TbadMff向匯聚節(jié)點(diǎn)上報(bào)自己的位置及節(jié)點(diǎn)id信息，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)上報(bào)的信息 獲取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置、id、節(jié)點(diǎn)間距離信息，并統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)總數(shù)； 102、 匯聚節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)完節(jié)點(diǎn)總數(shù)后根據(jù)區(qū)域分割參數(shù)，將分布區(qū)域分別進(jìn)行橫向、縱向 的劃分，形成若干個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域即是一個(gè)簇，區(qū)域劃分完畢后，匯聚節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中 通過(guò)adverinfoMSG告知每個(gè)節(jié)點(diǎn)所屬的簇； 103、 匯聚節(jié)點(diǎn)通知每個(gè)簇中距離自身最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)間權(quán)值函數(shù)構(gòu)建簇內(nèi)鏈?zhǔn)?拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 104、 匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)adverinfoMSG廣播節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值，簇中剩余能量高于該閾值 的節(jié)點(diǎn)成為候選頭節(jié)點(diǎn)，并將該消息上報(bào)至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)選擇每個(gè)簇中節(jié)點(diǎn)剩余能 量Q值最大的候選頭節(jié)點(diǎn)為最終頭節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)adverinfoMSG廣播頭節(jié)點(diǎn)消息，使 簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)獲取頭節(jié)點(diǎn)信息； 105、 頭節(jié)點(diǎn)間不再形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，而是根據(jù)權(quán)值函數(shù)構(gòu)建最小代價(jià)樹(shù)，距離匯聚節(jié)點(diǎn) 最近的頭節(jié)點(diǎn)被指定為根節(jié)點(diǎn)，由根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始構(gòu)建頭節(jié)點(diǎn)間的樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征 在于：所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抽象為平面內(nèi)的無(wú)向簡(jiǎn)單圖G(V，E)，其中V(G)是節(jié)點(diǎn)集 合，E(G)為網(wǎng)絡(luò)中邊的集合。為節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率口_通信時(shí)的傳輸范圍，圖中的 任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)ieV(G)和jeV(G)-{i}之間的距離為d(i，j)，那么E(G)滿(mǎn)足E(G)= {(i，j) :d(i，j)彡r-，i，jGV(G)}。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在 于：步驟104中所述的剩余能量閾值定義為
，其中為預(yù)測(cè)的最大工 作輪數(shù)，與節(jié)點(diǎn)的初始能量相關(guān)；為網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的工作輪數(shù)；^為節(jié)點(diǎn)的初始能量，節(jié)點(diǎn)Q值定義為
，其中dt()BS⑴表示節(jié)點(diǎn)i和匯聚節(jié)點(diǎn)的距離。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在 于：所述節(jié)點(diǎn)間的能量距離定義為
，其中Pl〇ss(i，j)為源節(jié)點(diǎn) i到目的節(jié)點(diǎn)j的路徑損耗；E。為節(jié)點(diǎn)j的初始能量；E,(j)為節(jié)點(diǎn)j當(dāng)前輪數(shù)的剩余能量， 源節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)j的路徑損耗定義為Pl〇ss(i,j) =pji)-rssi(j)，其中pt⑴為源 節(jié)點(diǎn)i和目的節(jié)點(diǎn)j通信時(shí)的發(fā)射功率，rssi(j)為目的節(jié)點(diǎn)j反饋給源節(jié)點(diǎn)i的接收信 號(hào)強(qiáng)度值；假設(shè)（ipji)、（i2，j2)表示網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)可以相互通信的節(jié)點(diǎn)對(duì)，那么節(jié)點(diǎn)間 的權(quán)值函數(shù)W定義為： ^(/|，./,) > >A) ^ED(it, /,) >ED(i?,j:) 或者（EDdD=E：D(i2,j2) &&max{id(i:),id(j^)}>max{id(i2),id(j2)}) 或者（EDdD=E：D(i2,j2) &&max{id(i:),id(j1)} =max{id(i2),id(j2)} &&min{id(")，id(jD}>min{id(i2)，id(j2)}。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在 于：步驟102中的匯聚節(jié)點(diǎn)計(jì)算區(qū)域分割參數(shù)t的公式為：
其中N為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)；p在LEACH算法中代表簇頭百分比，在本發(fā)明中為區(qū)域分 割因子，且滿(mǎn)足〇〈P〈l，決定了劃分的區(qū)域個(gè)數(shù)，「1代表向上取整數(shù)。
【文檔編號(hào)】H04W28/16GK104410997SQ201410836272
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】唐宏, 王惠珠, 舒紅, 郭彥芳, 徐東哲 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)