一种用于无线传感器网络的层次型拓扑结构构建方法
【专利摘要】本发明请求保护一种用于无线传感器网络的层次型拓扑结构构建方法，包括以下步骤：1)汇聚节点根据区域分割参数将传感器节点的分布区域分别进行横向、纵向上的划分，形成多个子区域，每个子区域即是一个簇；2)汇聚节点通知每个簇中距离自身最远的节点根据节点间权值函数构建簇内链式拓扑结构；3)汇聚节点广播节点剩余能量阈值，剩余能量高于该阈值的节点成为候选头节点。其中，Q值最大的候选头节点为每个簇的最终头节点；4)以距离汇聚节点最近的头节点为根节点，根据头节点间的权值函数在头节点间形成树状拓扑结构，该生成树为头节点间的最小代价树。本发明在满足一定网络能量均衡性的条件下，延长了网络的生存时间。
【专利说明】一种用于无线传感器网络的层次型拓扑结构构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种层次型无线传感器网络拓扑结构 构建方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs)是由大量无线传感器构成的 自组织网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域内的对象信息，并将采集到的数 据传递给目标用户。由于传感器设备通信能力有限，大都采用电池供电，能量非常有限，因 此如何减少网络能耗，延长网络生存时间是WSNs需要优先考虑的问题。拓扑控制是无线传 感器网络的重要技术之一，在满足网络需要的覆盖度和连通度的前提下，通过对传感器节 点进行睡眠调度、功率控制和邻居节点的选择，形成一个优化的网络结构，从而延长网络的 生存时间，降低通信干扰及MAC层竞争，提高路由协议的效率，并为数据融合提供基础。拓 扑构建的实现方式很多，其中层次型结构是较为常见的一种。层次型拓扑控制通过分簇机 制选择部分节点担任簇头，由簇头形成处理并转发数据的虚拟骨干网，普通节点暂时关闭 通信模块，进入侦听状态以降低能耗。簇头对接收到的数据进行融合处理，减少了网络中传 输的数据包的数量。该结构适用于分布式算法，可用于部署大规模的网络。
[0003] 通过对现有技术文献检索发现，Wendi B. Heinzelman等人发表的文章 "An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks^(IEEE Tran, on Wireless Communications Vol. I, No. 4, pp. 660-670, Oct. 2002) 提出了一种目前无线传感器网络中最具代表性的层次型拓扑控制算法LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。该方法通过周期性等概率地选取簇头，均衡网络中的 节点能耗，从而延长网络的生存时间。然而，LEACH算法中簇内节点和簇头直接通信，距离 簇头较远的节点消耗的能量较多，对网络规模有一定限制。选举簇头时，虽然考虑了节点能 耗均衡性，但是不能保证簇头在区域中的合理分布，且存在簇头负担不均衡的问题。
[0004] 很多科研人员在LEACH算法的基础上做出了相应的改进。Feng Sen等人提出了 一种基于PEGASIS协议的能量有效性拓扑控制算法（"An Improved Energy-Efficient PEGASIS-Based Protocol in Wireless Sensor Networks，'，2011Eight International Conference on FSKD，pp. 2230-2233)。该方法的主要改进在于网络中的所有节点构成一种 链状拓扑，通过设置节点间的距离门限减少网络中长链的产生；选取头节点时综合考虑了 节点的剩余能量和节点自身的权值。这种多跳的拓扑结构，节点间通信距离很小，且在能量 效率和网络能量均衡性方面均有所改善。然而，该算法中只需要选出一个头节点将处理后 的数据直接传输至基站，头节点负担较重，且数据传输时延较大。在网络的不稳定阶段，部 分分布较为稀疏的节点会因通信距离较长而受到较大的影响。专利检索如下：
[0005] L 申请号 CN201110430184. 1，
【公开日】 2012 年 6 月 13 日
[0006] 2.申请号 CN200810035214. 7,
【公开日】 2008 年 9 月 17 日
[0007] 3.申请号 CN201210564794. 5,
【公开日】 2013 年 3 月 27 日
[0008] 在申请号为CN201110430184. 1的专利中公开了一种无线传感器网络的静态分簇 算法。采用该发明可以降低网络组网过程中的能量消耗，层次划分更加合理。但是该发明 不能根据网络的实际需求改变网络层次的划分。在申请号为CN200810035214. 7的专利中 公开了一种基于不均匀分簇的无线传感器网络拓扑控制算法，降低了总体网络能量消耗， 可以较好地均衡各个节点的能量消耗，延长了网络中大部分节点协同工作的时间。但是该 发明中簇内节点与簇头直接通信，距离簇头较远的节点消耗的能量较多，对网络规模有一 定限制。在申请号为CN201210564794. 5的专利中公开了一种基于局部最短路径树的无线 传感网拓扑控制算法。该发明根据各个节点的局部拓扑知识，通过改进的局部最短路径树 构造方法，在使网络结构尽量精简的同时，降低节点发射功率、节点度，从而达到均衡和节 约网络能耗的目标。但是该发明形成的的拓扑结构较为复杂，且不能有效的和数据融合算 法相结合。
[0009] 本发明相对于最接近的现有技术其最大的特征是考虑了节点间通信代价和网络 能量均衡性的问题，在避免节点间产生长链的同时采用多跳的拓扑结构降低网络能耗；同 时还考虑了根据实际需求通过调整区域分割因子来调整划分的子区域的个数，采用本发明 能够在均衡网络能耗的同时，延长网络的生存时间，能有效地提高网络整体性能。
【发明内容】
[0010] 针对以上现有的层次型拓扑控制算法中网络能量均衡性较差、网络生存时间较 短、数据汇聚时延较大的问题，综合考虑了剩余能量、能耗和距离等因素，本发明的目的在 于提供一种均衡网络能耗的同时，延长网络的生存时间，能有效地提高网络整体性能的用 于无线传感器网络的层次型拓扑结构构建方法，本发明的技术方案如下：一种用于无线传 感器网络的层次型拓扑结构构建方法，其包括以下步骤：
[0011] 101、无线传感器网络完成节点布置后，无线传感器网络中的汇聚节点向整个无线 传感器网络发送初始化消息InitialMSG，无线传感器网络内节点收到InitialMSG后以不 同的退避时间T bactof向汇聚节点上报自己的位置及节点id信息，汇聚节点根据节点上报的 信息获取无线传感器网络内节点的位置、id、节点间距离信息，并统计节点总数；
[0012] 102、汇聚节点统计完节点总数后根据区域分割参数，将分布区域分别进行横向、 纵向的划分，形成若干个子区域，每个子区域即是一个簇，区域划分完毕后，汇聚节点在网 络中通过adverinfoMSG告知每个节点所属的簇；
[0013] 103、汇聚节点通知每个簇中距离自身最远的节点根据节点间权值函数构建簇内 链式拓扑结构；
[0014] 104、汇聚节点通过adverinfoMSG广播节点剩余能量阈值，簇中剩余能量高于该 阈值的节点成为候选头节点，并将该消息上报至汇聚节点，汇聚节点选择每个簇中节点剩 余能量Q值最大的候选头节点为最终头节点，汇聚节点通过adverinfoMSG广播头节点消 息，使簇内普通节点获取头节点信息；
[0015] 105、头节点间不再形成链式结构，而是根据权值函数构建最小代价树，距离汇聚 节点最近的头节点被指定为根节点，由根节点开始构建头节点间的树形拓扑结构，完成无 线传感器网络的层次型拓扑结构的构建。
[0016] 进一步的，所述无线传感器网络结构抽象为平面内的无向简单图G(V，E)，其中 V(G)是节点集合，E(G)为网络中边的集合。rmax为节点以最大发射功率pmax通信时的传输 范围，图中的任意两个节点i e V(G)和j e V(G)-{i}之间的距离为d(i，j)，那么E(G)满 足 E (G) = {(i，j) : d (i，j)彡 rmax，i，j e V (G)}。
【权利要求】
1. 一种用于无线传感器网络的层次型拓扑结构构建方法，其特征在于：包括以下步 骤： 101、 无线传感器网络完成节点布置后，无线传感器网络中的汇聚节点向整个无线传感 器网络发送初始化消息InitialMSG，无线传感器网络内节点收到InitialMSG后以不同的 退避时间TbadMff向汇聚节点上报自己的位置及节点id信息，汇聚节点根据节点上报的信息 获取无线传感器网络内节点的位置、id、节点间距离信息，并统计节点总数； 102、 汇聚节点统计完节点总数后根据区域分割参数，将分布区域分别进行横向、纵向 的划分，形成若干个子区域，每个子区域即是一个簇，区域划分完毕后，汇聚节点在网络中 通过adverinfoMSG告知每个节点所属的簇； 103、 汇聚节点通知每个簇中距离自身最远的节点根据节点间权值函数构建簇内链式 拓扑结构； 104、 汇聚节点通过adverinfoMSG广播节点剩余能量阈值，簇中剩余能量高于该阈值 的节点成为候选头节点，并将该消息上报至汇聚节点，汇聚节点选择每个簇中节点剩余能 量Q值最大的候选头节点为最终头节点，汇聚节点通过adverinfoMSG广播头节点消息，使 簇内普通节点获取头节点信息； 105、 头节点间不再形成链式结构，而是根据权值函数构建最小代价树，距离汇聚节点 最近的头节点被指定为根节点，由根节点开始构建头节点间的树形拓扑结构，完成无线传 感器网络的层次型拓扑结构的构建。
2. 根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的层次型拓扑结构构建方法，其特征 在于：所述无线传感器网络结构抽象为平面内的无向简单图G(V，E)，其中V(G)是节点集 合，E(G)为网络中边的集合。为节点以最大发射功率口_通信时的传输范围，图中的 任意两个节点ieV(G)和jeV(G)-{i}之间的距离为d(i，j)，那么E(G)满足E(G)= {(i，j) :d(i，j)彡r-，i，jGV(G)}。
3. 根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的层次型拓扑结构构建方法，其特征在 于：步骤104中所述的剩余能量阈值定义为
，其中为预测的最大工 作轮数，与节点的初始能量相关；为网络当前的工作轮数；^为节点的初始能量，节点Q值定义为
，其中dt()BS⑴表示节点i和汇聚节点的距离。
4. 根据权利要求2所述的用于无线传感器网络的层次型拓扑结构构建方法，其特征在 于：所述节点间的能量距离定义为
，其中Pl〇ss(i，j)为源节点 i到目的节点j的路径损耗；E。为节点j的初始能量；E,(j)为节点j当前轮数的剩余能量， 源节点i到目的节点j的路径损耗定义为Pl〇ss(i,j) =pji)-rssi(j)，其中pt⑴为源 节点i和目的节点j通信时的发射功率，rssi(j)为目的节点j反馈给源节点i的接收信 号强度值；假设（ipji)、（i2，j2)表示网络中任意两个可以相互通信的节点对，那么节点间 的权值函数W定义为： ^(/|，./,) > >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.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的层次型拓扑结构构建方法，其特征在 于：步骤102中的汇聚节点计算区域分割参数t的公式为：
其中N为网络中的节点总数；p在LEACH算法中代表簇头百分比，在本发明中为区域分 割因子，且满足〇〈P〈l，决定了划分的区域个数，「1代表向上取整数。
【文档编号】H04W28/16GK104410997SQ201410836272
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】唐宏, 王惠珠, 舒红, 郭彦芳, 徐东哲 申请人:重庆邮电大学