基于改进广度优先搜索的无线传感网树状拓扑生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感网拓扑管理技术领域，具体涉及一种基于改进广度优先搜索 的无线传感网树状拓扑生成方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，无线传感网（WirelessSensorNetworks,WSN)被广泛地应用在各个领域 以提供大规模的数据感知与收集，比如环境监测，火情监控等。无线传感网是一种由部署在 监测区域的低能耗、低成本、微型传感器节点，以自组织、自配置的方式构成的多跳大规模 无线通信网络，用来为各类上层应用提供基本的信息感知、传输与汇聚。在网络中，传感器 节点能对自身感知数据与来自子节点感知数据进行融合，减少数据冗余。由于无线传感网 络的巨大潜力以及现代无线通信技术、微型传感器技术的发展，无线传感网在军事、医疗、 环境、交通等领域中都具有广阔的应用前景。
[0003] 在很多应用中，无线传感网采用典型的多对一、汇聚的通信模式，即随机部署在监 测区域的传感器节点通过树状网络拓扑将感知信息传递给汇聚节点。如图1所示，在无线 传感网中，传感器节点通过多跳无线通信的方式将感知信息传递给汇聚节点，是一种典型 的多对一、汇聚的通信模式。不可避免地，在一个传感网中，各传感器节点的子节点数目可 能分布不均匀，因此，部分节点可能因承担过大的数据转发任务而过早耗尽能量，而另一方 面，无线传感网一般是一次性部署、不可充电、不可替换的，网络节点能耗的不均衡可能导 致整个网络因少部分节点的连通中断而过早瘫痪。
[0004] 为了方便网络的管理，无线传感网通常采用树状的网络拓扑结构，如图2所示，网 络的汇聚节点相当于树的根，各传感器节点相当于树的子节点，各传感器节点又有自己的 子节点；各节点间的链路表示传感器节点间的通信链路；每个传感器节点都将自身的感知 数据及子节点的感知数据加以汇聚、融合然后传递给父节点，经过各节点层层传递，所有的 感知数据最终汇聚到汇聚节点。
[0005] 传统的无线传感网树状拓扑生成方法一般都是基于广度优先搜索 (Breadth-firstSearch，BFS)策略的，通过生成的树状拓扑的叶子节点迭代地向周围节点 发现新节点的方式拓展生成树，最终将所有的传感器节点加入到生成树中。文献I:Cormen TH,LeisersonCE,RivestRL,etal.Introductiontoalgorithms[M].Cambridge:MIT press, 2009,pp. 531-539,公开了一种能有效地生成连通的网络拓扑结构的方法，但该方法 容易造成传感器节点负载分布不均匀，影响网络生存时间。
【发明内容】
[0006] 针对现有问题，本发明提供一种基于改进广度优先搜索的无线传感网树状拓扑生 成方法，通过限制传感器节点的最大子节点数，并引入动态的节点负载估计及随机化的拓 扑生成控制，从而能有效均衡网络中传感器节点的负载，延长网络生存时间。
[0007] 本发明的基于改进广度优先搜索的无线传感网树状拓扑生成方法，定义三种颜色 标记示传感器节点状态：WHITE表示节点尚未连接到网络，GRAY表示节点已连接到网络但 其子节点集合还未确定，BLACK表示节点已经连接到网络并且该节点的子节点集合已经确 定。首先，设置节点负载估计参数q和最大子节点数目c，在当前网络拓扑T下，定义Ii (T) 为节点i的负载估计值，Li(T)为节点i的估计生存时间，如公式（1)所示：
[0008]
[0009] 其中，设节点i的父节点为Pi, <>,表示节点i与父节点Pi的距离，E1表示节点i的 初始能量，A(KO)表示节点数据传输能耗，&(夂表示数据接收能耗；
[0010] An(T)表示节点i的估计传输数据量，如式⑵所示：
[0011] Dj^(T) =B-W0+D^'(T) (2)
[0012] zT(r)表示节点i的估计接收数据量，如式⑶所示：
[0013] 1)广(：〇 = 5.(W1.<(；〇 + %.AZ12CT) + ...'.<(21) (3)
[0014] 其中，B表示传感器节点单位时间感知数据量，W(r)表示节点i的m跳距离的子 节点个数，''^表示节点i的m跳距离的子节点的权重，m= 1，2,…q;权重Wci,W1,的取 值范围均为[0, 1)且WciSwi彡…wq。汇聚节点的负载估计值设为0。
[0015] 然后对网络中的任意一个传感器节点V，进行下面步骤1~步骤16。
[0016] 步骤1，对节点V进行初始化设置，具体是：设置节点V的父节点P[v]为空，节点V 的颜色标记C[v]为WHITE，节点V的子节点数量CN为0,节点V的子节点更新完成标记为 F，子节点更新完成标记包含两个取值F和T，F表示未完成，T表示完成；
[0017] 步骤2,判断节点V是否为网络的汇聚节点，如果是，将颜色标记C[v]设置为GRAY，父节点P[v]设置为V，然后执行步骤3 ;如果否，直接执行步骤3 ;
[0018] 步骤3,判断节点V的颜色标记C[v]是否为GRAY，如果否，执行步骤4 ;如果是，跳 转到步骤10执行；
[0019] 步骤4,判断节点V的颜色标记C[v]是否为WHITE，如果是，执行步骤5 ;如果否， 结束对节点V的执行过程；
[0020] 步骤5,等待t秒，监听相邻节点的加入请求消息，将发出加入请求消息的节点加 入到自己的候选父节点集合CP[v];设CP[v]中包含n个候选父节点P1,P2，…，Pn，n为正整 数；
[0021] 步骤6,获得节点P1,P2，…，Pn的负载估计值，得到对应的估计生存时间LpIvLn,
[0022] 步骤7,按照均匀分布生成[0,L1+!^"Ln)之间的随机数R;
[0023] 步骤8,确定R所在取值区间Sy，将节点V的父节点P[v]更新为节点Py，并向Py发 送父节点请求消息；确认后，将颜色标记C[v]更新为GRAY;
[0024] 步骤9,跳转到步骤3执行；
[0025] 步骤10,找到节点V的所有相邻节点，并加入节点集N[v];
[0026] 步骤11，判断N[v]是否为空集及CN是否小于c，若N[v]为空集或CN不小于c，转 步骤12执行；否则，转步骤14执行；
[0027] 步骤12,判断节点V的子节点更新完成标记是否为T，若是，则将C[v]更新为 BLACK，然后结束对节点V的执行过程；若否，执行步骤13 ;
[0028] 步骤13,更新节点V的子节点信息以及负载估计值，再跳转到步骤12执行；处理 相邻节点的父节点请求消息，更新节点V的子节点数量CN、负载估计值和子节点更新完成 标记；
[0029] 步骤14,从N[v]中取出一节点u;
[0030] 步骤15,判断节点u的颜色标记C[u]是否为WHITE，若是，转步骤16执行，若否， 转步骤11执行；
[0031] 步骤16,请求节点u将C[u]设置为GRAY，将P[u]设置为V，然后跳转到步骤11执 行。
[0032] 本发明从无线传感网树状拓扑生成问题出发，在传统的基于广度优先搜索策略的 树状网络拓扑生成方法基础上，提出了一种基于改进广度优先搜索策略并结合节点负载动 态估计与随机化父节点选择机制的树状网络拓扑生成方法，相较于传统方法，具有如下优 占.
[0033] (1)本发明方法更好地均衡了网络节点的负载，均衡了各节点能耗，有效延长了网 络的生存时间。
[0034] (2)与其他树状拓扑生成算法相比，本发明既考虑了均衡网络中各节点的子节点 数目，又考虑了节点传输效率，并提出随机化父节点选择机制有效地保证了无线传感网树 状拓扑生成的稳定性，最终生成能量有效的树状网络拓扑。
[0035] (3)本发明的无线传感网树状拓扑生成方法充分考虑了当前普通无线传感网的网 络结构与传感器节点功能特性，并提出了分布式的实现方式，具有较高的可行性和较广的 适用性。
【附图说明】
[0036] 图1是无线传感网的应用场景图；
[0037] 图2是树状的无线传感网拓扑结构图；
[0038] 图3是传统无线传感网树状拓扑生成的流程示意图；
[0039] 图4是本发明的基于改进广度优先搜索的无线传感网树状拓扑生成方法整理流 程图；
[0040] 图5是本发明更新子节点信息以及负载估计值的方法流程图；
[0041] 图6是本发明仿真实验的仿真结果示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0043] 传统基于广度优先搜索的无线传感网树状拓扑生成方法中，搜索从根节点，即传 感网的汇聚节点出发，每当一个节点新加入到树状网络后，搜索节点的其他相邻节点尚未 加入到网络中，一旦发现还有相邻节点没有加入到网络中，该搜索节点通知该相邻节点加 入到网络，并且搜索节点自己作为新加入节点的父节点；通过新加入到网络中的节点迭代 地搜索新的相邻节点最终生成以汇聚节点为根的树状拓扑结构。
[0044] 定义三种颜色作为传感器节点状态标记（WHITE，GRAY，BLACK)，WHITE表示节点尚 未连接到网络，GRAY表示节点已连接到网络并且可能存在相邻传感器节点尚未连接到传感