专利名称：具有小世界和无标度特性的传感器网络建立方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，涉及数据网络，特别是无线传感器网络的拓扑构建及性能优化方法，可用于军事侦察、环境监测、医疗监护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等军事和民用传感器网络的构建。
背景技术：
无线传感器网络WSNs是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，其在军事侦察、环境监测、医疗监护、 空间探索、城市交通管理、仓储管理等领域有广泛应用。传感器网络系统通常包括传感器节点和Sink节点，大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络，传感器节点监测的数据经过多跳后路由到Sink节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。无线传感器网络涉及多学科高度交叉，在当前在国际上备受关注，随着其研究与应用不断地深入，对网络综合性能要求越来越高，作为无线传感器网络中最重要的核心技术，网络拓扑构建和控制，一直是研究的热点。在传感器网络的实际应用中，节点往往工作在恶劣的环境中，且电池提供能量有限，所以传感器网络很容易出现因为能源耗尽或者受到自然界破坏而出现部分节点失效的情况。传感器网络拓扑构建技术主要的解决的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，删除节点之间不必要的无线通信链路，生产一个高效、节能、抗毁性强的数据转发网络拓扑结构。随着传感器网络的研究与应用不断地深入， 对传感器网络的拓扑构建方法提出的要求越来越高，其决定着传感器网络的寿命、传输效率、抗毁性等多种重要性能。目前，研究传感器网络拓扑构建的主要方法均是借主于图论或相关网络理论体系，将理论体系中良好且符合传感器网络的实际应用的特性引入传感器网络的实际构建中，其传感器网络拓扑建立方法大体上有以下几种，1)基于随机图理论的网络建立方法该方法是指网络中任意两个节点按照一定的概率进行随机连接，通过控制连接概率来得到一个性能较好的网络拓扑结构。这种方法随机性很大，且网络中节点度数服从正态分布，表明网络中节点重要性趋于相同，这不符合传感器网络实际性质，且该网络中存在一些不必要的无线通信链路，浪费通信资源。基于该方法的文献如:Li Ding，Zhi-Hong Guan. Modeling wireless sensor networks using random graph theory. Physical A 387(2008)3008-3016。2)基于小世界特性的网络建立方法小世界网络的本质特征是具有小的平均路径长度和大的聚类系数，将复杂网络的小世界现象引入无线传感器的理论研究与实际拓扑构建中，将会在数据高效查询、能量效率、网络生存时间等方面提高传感器网络的性能。该方法虽然在能量利用和数据传输效率上对网络性能进行了提高，可并没有从网络的其它重要性能考虑，如通信链路是否多余，网络是否具有较强抗毁性等，而且网络的度分布很大程度上依赖具体构建方式。目前将小世界特性应用到无线传感器网络的主要有=Helmy等学者通过在无线传感器网络中引入少量随机逻辑链路形成具有小世界效应的无线网络，见文献A. Helmy. Small worlds in wireless networks. IEEE Communications Letters，2003，6 (10) :490_492 ；avalcmti等人引入了具有两种通信半径的超级节点来提 JALi:^ :D. Cavalcanti, D. Agrawal, J. Kelner, and D. Sadok. Exploiting the small-world effect to increase connectivity in wireless ad-hoc networks.In Telecommunications and Networking, pages 388—393，2004。3)基于无标度特性的网络建立方法无标度网络中连接度分布分布函数具有幂率形式，由于其节点的度没有特征长度，因而基于复杂网络无标度性构建的传感器网络拓扑，可使网络具有较高的随机抗毁性， 且节点间连接链路较少，减少通信浪费。该方法虽然从随机抗毁性方面提高了网络性能，但由于其度分布的不均勻，导致一些关键节点能量消耗巨大，使其过早死亡从而导致网络的失效。目前将复杂网络无标度性应用到无线传感器网络中的主要有BA无标度模型，见文献=Barabsi A L, Albert R. Emergence of scaling in random networks. Science,1999,286 (5439) :509_512 ; BA模型考虑传感器特性较少，又有学者基于其进行了改进从而提高网络抗毁性，见文献M. Ishizuka and Μ· Aida. Achieving power-law placement in wireless sensor networks. IEEE ISADS 2005 Workshops (AHSP 2005)，pp. 661-666 ；又如 Saffre 提出了一种基于传感器局部地理信息构建具有无标度特性的网络拓扑算法，见文献F. Saffre, H. Jovanovic, C. Hoile, and S. Nicolas. Scale-free topology for pervasive networks. BT Technology Journal. 2004，Vol. 22，pp.200—208。以上这些感器网络建立方法虽然将一些良好特性引入传感器网络中，但其或只是从网络的某一方面进行优化，或考虑传感器网络特性较少，并没有将这些良好特性同时引入传感器网络，从而综合提高其实用价值，具体存在以下问题1)多数拓扑构建方法只从某一具体指标进行优化，如能量效率，抗毁性等，但并无从全局的角度考虑网络综合性能，可能会在优化某一指标的同时影响了其它指标的性能；2)在引入网络理论特性时忽略了较多由传感器本身特性引起的问题，如能量空洞，异构节点的非对称性等，缺乏针对性，实用困难；3)多数构建方法只针对单一网络特性，无法根据不同的场合调节其特性，缺乏普适性。
发明内容
发明一种既能使传感器网络具有上述良好性能，又具有成熟的理论支持以备不断改进的传感器网络构建方法，是本发明的主要目的。本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷，在充分考虑了无线传感器网络本身特性的前提下，提出一种具有小世界和无标度特性的传感器网络建立方法(TMSSC)，以综合提高传感器网络的传输效率，能量利用效率以及随机抗毁性，从而更好的提高网络通信质量及网络寿命。
实现本发明的技术思路是将小世界网络和无标度网络的良好特性同时引入传感器网络中，通过优先连接的方法实现网络的无标度特性，通过在网络中添加少量的超级节点以实现网络的小世界特性。其实现步骤如下(1)根据网络特性需求，设定超级节点比例，按照该比例将超级节点和普通节点随机撒布在传感器监测范围内，每个节点以分布式广播其自身属性信息并收集邻居节点信息；(2)在撒布好的节点中，按节点间在约束条件随机选择3-10个超级节点和普通节点与Sink节点一同以随机连接的方式构成初始拓扑；(3)在初始拓扑以外的可选范围内随机选择下一个可加入拓扑的节点作为新节点，并获得该节点的邻居节点度数；(4)由步骤(3)获得的新节点的邻居节点度数及步骤(1)所获得的邻居节点的剩余能量、节点坐标等参数，计算新节点与每一个既在其通信半径内又在当前拓扑内的节点之间的连接概率若新节点为普通节点，则连接概率为
权利要求
1.一种具有小世界和无标度特性的传感器网络建立方法，包括如下步骤(1)根据网络特性需求，设定超级节点比例，按照该比例将超级节点和普通节点随机撒布在传感器监测范围内，每个节点以分布式广播其自身属性信息并收集邻居节点信息；(2)在撒布好的节点中，按节点间在约束条件随机选择3-10个超级节点和普通节点与 Sink节点一同以随机连接的方式构成初始拓扑；(3)在初始拓扑以外的可选范围内随机选择下一个可加入拓扑的节点作为新节点，并获得该节点的邻居节点度数；(4)由步骤C3)获得的新节点的邻居节点度数及步骤(1)所获得的邻居节点的剩余能量、节点坐标等参数，计算新节点与每一个既在其通信半径内又在当前拓扑内的节点之间的连接概率若新节点为普通节点，则连接概率为
2.如权利要求1所述的具有小世界和无标度特性的传感器网络建立方法，其特征在于，步骤(1)所述的每个节点以分布式广播其自身属性信息并收集邻居节点信息，按如下步骤进行(la) Sink节点以洪泛算法广播其节点坐标、节点编号和节点类型信息；(Ib)各节点收到Sink节点信息后向邻居节点广播其坐标、剩余能量节点类型这些自身信息；(Ic)各节点收集邻居节点的坐标、剩余能量和节点类型信息，并对邻居节点进行标号， 记录邻居节点的属性。
3.如权利要求1所述的具有小世界和无标度特性的传感器网络建立方法，其特征在于，步骤(2)所述的按节点间约束条件随机选择初始拓扑节点，按如下步骤进行(2a)从Sink节点的邻居节点内随机选择一个普通节点和一个超级节点与Sink节点连接，组成当前拓扑；(2b)从当前拓扑中每个节点的邻居节点所组成的集合中，按以下节点间约束条件随机选取一个超级节点和一个普通节点与当前拓扑连接，并将其加入拓扑， [d(vr，^)《Lugh，e H-sensor \d(ν, ,Vj) < Llow, Vj e L-sensor式中，d(Vi，Vj)是节点Vi与节点Vj之间的欧氏距离，Llow和Lhigh是普通节点与超级节点的通信半径，L-sensor是普通节点的集合，H-sensor是超级节点的集合； (2c)重复步骤Ob) 3到10次，得到初始拓扑。
4.如权利要求1所述的具有小世界和无标度特性的传感器网络建立方法，其特征在于，步骤( 所述的新节点按照连接概率与拓扑内节点进行连接，按如下步骤进行 (5a)根据节点间约束条件，选择可与新节点连接且位于拓扑内的节点集合； (5b)对集合内每一节点Vi，随机生成O到1之间的一个数，若该数小于新节点与节点 Vi之间的概率，则将节点Vi与新节点连接；(5c)若新节点为普通节点则重复步骤(5b) 1-3次，否则重复步骤(5b) 1次，完成节点Vi 与当前拓扑的连接。
全文摘要
本发明公开了一种具有小世界和无标度特性的无线传感器网络建立方法，主要解决传感器网络能量效率低、抗毁性差在问题。其实现过程为随机部署传感器网络，并按设定比例加入超级节点，所有节点广播并获取邻居信息；随机生成小规模初始拓扑并选择新加节点；综合考虑无线传感器节点各种属性，按不同的节点类型分布式计算新节点与拓扑内节点的连接概率；根据概率大小将新节点与当前拓扑随机相连，重复该过程直至所有节点加入拓扑。本发明具有效率高、实用性和抗毁性强的优点，利用本方法生成的无线传感器网络拓扑同时表现出小世界和无标度特性，可提高网络通信质量与网络寿命，适用于对能量效率和抗毁性要求较高的传感器网络构建中。
文档编号H04L29/08GK102185916SQ20111010780
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者刘立芳, 薛继龙, 郑耿忠, 齐小刚 申请人:西安电子科技大学